Ottomotor
Der FE-Motor ist eine Konstruktion der 1950er-Jahre und weist die traditionellen Merkmale des Ottomotors auf. In der Mitte sitzt oben auf der Ansaugbrücke der Vergaser, mit dem das Benzinluftgemisch gebildet wird. Die Ein- und Auslassventile sind bei diesem Motor „hängend“, das heißt von oben angeordnet, und werden von einer zentralen Nockenwelle, die mittig zwischen den Zylinderbänken eingebaut ist, über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt.
Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor, also eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Kennzeichen des Ottomotors ist die Kompression eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft und die anschließende Fremdzündung durch Zündkerzen. Ottomotoren mit Hubkolben gibt es als Zweitaktmotoren oder als Viertaktmotoren, bei Zweitaktmotoren braucht ein Arbeitsspiel eine Umdrehung der Kurbelwelle, bei Viertaktmotoren zwei. Der Viertaktmotor ist die gebräuchlichere Bauart.
Das vom Ottomotor abgegebene Drehmoment wird traditionell durch Drosseln des angesaugten Gemisches mit einer Drosselklappe eingestellt. Die früher übliche Zuordnung nach „äußerer Gemischbildung“ mit Vergaser oder Saugrohreinspritzung für Ottomotoren und „innerer Gemischbildung“ bei Dieselmotoren (Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt) ist seit der Einführung der Benzindirekteinspritzung bei Ottomotoren nicht mehr in jedem Fall eindeutig.
Der Name „Ottomotor“ geht auf eine Anregung des VDI aus dem Jahre 1936 zurück und wurde erstmals im Jahre 1946 in der DIN Nr. 1940 verwendet. Namensgeber ist Nicolaus August Otto, dem die Erfindung des Viertaktverfahrens zugeschrieben wurde. Der von Otto auf der Weltausstellung Paris 1867 gezeigte Flugkolbenmotor ist jedoch kein Ottomotor, sondern ein atmosphärischer Gasmotor, dessen Funktionsprinzip sich von dem des Ottomotors unterscheidet.
Geschichte
Flugkolbenmotor
1864 war Nicolaus August Otto zusammen mit Eugen Langen Mitbegründer der weltweit ersten Motorenfabrik N. A. Otto & Cie. in Köln, aus der 1872 die Gasmotoren-Fabrik DEUTZ AG hervorging, die als technischen Direktor Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach als Leiter der Motorenkonstruktion engagierte. Otto entwickelte bis 1876 im Anschluss an einen 1860 patentierten Zweitakt-Gasmotor von Lenoir einen Flugkolbenmotor, auch atmosphärischer Motor genannt. Bei diesem Motor schleudert der Druck des Verbrannten Gases den Kolben frei im Zylinder nach oben. Auf dem Rückweg, sobald der Gasdruck auf den Atmosphärendruck gesunken ist, leistet er über eine Zahnstange und einen Freilauf Arbeit. In der Endstellung des Kolbens wird das Abgas ausgestoßen und frisches Gas-Luft-Gemisch eingelassen.
Zu dieser Zeit wurde auch der Viertaktmotor erfunden, für den Christian Reithmann am 26. Oktober 1860 mehrere Patente erhielt und unabhängig davon auch Alphonse Beau de Rochas 1862 in Frankreich. Die wesentliche Neuerung war der Verdichtungstakt und die dafür nötige Ventilsteuerung.
Auch Otto erwarb 1877, dem Gründungsjahr des „Kaiserlichen Patentamts“, ein deutsches Patent auf einen Viertaktmotor. Dieser mit Leuchtgas betriebene Viertakt-Motor leistete 3 PS (etwa 2200 W) bei 180 min−1. Er wurde ab 1877 produziert und als „Ottos neuer Motor“ vertrieben. Der Lizenznehmer Crossley Brothers in Manchester bewarb ihn als Otto engine. Von Deutz und seinen Lizenznehmern wurden rund 5000 Exemplare gebaut.
Dugald Clerk erfand 1878 einen Zweitaktmotor und erhielt am 11. Februar 1879 in Deutschland darauf ein Patent.
Wegen der älteren Patent-Ansprüche und der vorherigen Erfindungen des Viertaktmotors wurde das sogenannte Otto-Patent (Patent 532 von Deutz) am 30. Januar 1886 und 1889 in Deutschland per Gericht wieder aufgehoben. Gottlieb Daimler und Carl Benz konnten somit 1886 ohne Bedenken Viertaktmotoren bauen und verkaufen. Unabhängig davon hat 1888 bis 1889 auch Siegfried Marcus in Wien ein Kraftfahrzeug mit einem Ottomotor gebaut. Die weltweiten Patente außerhalb Deutschlands blieben bei Crossley. Von diesem Motorenbau-Unternehmen blieb der Name erhalten in Form einer Produktlinie von Schiffsmotoren des Triebwerkherstellers Rolls-Royce. Der historische Standort in Openshaw (Manchester) wurde allerdings 2010 geschlossen.
Technik (Viertaktottomotor)
- 1. Takt: Ansaugen:
- Das Einlassventil (oben links) wird geöffnet, der Kolben bewegt sich nach unten und saugt das Kraftstoff-Luft-Gemisch (oder nur Luft bei Direkteinspritzung) in den Zylinder, häufig unterstützt durch Überdruck im Ansaugrohr, erzeugt durch einen Turbolader oder einen Kompressor.
- 2. Takt: Verdichten:
- Ein- und Auslassventil sind geschlossen, der Kolben drückt das Kraftstoff-Luftgemisch auf ca. 20 bar zusammen. Bei Motoren mit Direkteinspritzung kommt der Kraftstoff hinzu. Kurz vor dem oberen Totpunkt entzündet der Funke einer Zündkerze das Kraftstoff-Luftgemisch.
- 3. Takt: Arbeiten:
- Das Kraftstoff-Luftgemisch verbrennt bei einem Maximaldruck von etwa 80 bar im oberen Totpunkt. Die Flammfront breitet sich aus mit einer Geschwindigkeit zwischen 5 und 60 m/s (also sehr viel langsamer als die Detonationsgeschwindigkeit von Sprengstoffen oder die Schallgeschwindigkeit in Luft). Das heiße Gas erzeugt einen mittleren zusätzlichen Druck von etwas über 10 bar. Durch das Nach-unten-Schieben des Kolben verrichtet das Gas Arbeit, es gibt Leistung an den Kolben ab.
- Die Verbrennung ist zuerst ein langsamer, laminarer Vorgang. Die Flammfront breitet sich konzentrisch mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 m/s aus. Während dieser laminaren Phase ist die Verbrennung unvollständig und ineffizient, sie erzeugt den Großteil der Schadstoffe im Abgas. Mit dem Umschlagen in die turbulente Verbrennungsphase, die mit einer Flammfrontgeschwindigkeit von über 200 m/s den Brennraum durchdringt, wird die Verbrennung effizient und mechanisch nutzbar.
- Die Verbrennung erzeugt in dem relativ kleinen Brennraum ein heißes Gas mit hohem Druck (über 100 bar), das den Kolben in geradliniger Bewegung in Richtung Kurbelwelle treibt. Über das Pleuel, auch Pleuelstange genannt, wird diese Bewegung in die rotierende Bewegung der Kurbelwelle umgesetzt.
- 4. Takt: Ausstoßen:
- Das Auslassventil (oben rechts) wird geöffnet, der Kolben drückt die Verbrennungsgase, die noch fast 1000 °C heiß sind, aus dem Zylinder.
Kraftstoffe
Als Kraftstoffe für Ottomotoren können neben dem üblichen Motorenbenzin auch Flüssiggas (Propan und Butan), CNG-Erdgas (Methan), Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas sowie Ethanol/Methanol, Wasserstoff und theoretisch alle anderen brennbaren Gase verwendet werden. Motoreinstellungen wie Zündzeitpunkt/Zündstärke, geometrisches Verdichtungsverhältnis und Luft-/Kraftstoffverhältnis müssen auf den Treibstoff abgestimmt sein. Mischbetrieb ist gleichzeitig oder alternativ (begrenzt) möglich, verlangt dann aber meist entsprechende Anpassungen.
Gemischbildung und Zündzeitpunkt
Der Kraftstoff – in der Regel Motorenbenzin – wird in der angesaugten Frischluft zerstäubt; entweder vor dem Ansaugen mittels eines Vergasers oder durch Saugrohreinspritzung, oder aber seit etwa der Jahrtausendwende nach dem Ansaugen bei Benzindirekteinspritzung. Bei PKW-Motoren ist die Einspritzung seit Ende der 1980er meist elektronisch gesteuert.
Die Zündung erfolgt theoretisch kurz nach dem oberen Totpunkt, auf Grund des Zündverzugs aber früher (bis ca. 40° vor OT). Bei modernen Motoren wird der Zündzeitpunkt von einer elektronischen Motorsteuerung je nach Last und Drehzahl genau berechnet, früher gab es auch manuelle oder über Fliehgewichte und Unterdruckdosen betätigte Verstellmechanismen.
Zwei- und Viertakter
Beim Zweitaktmotor erfolgen am Ende des Arbeitstaktes und am Beginn des Verdichtungstakts der Ausstoß der Verbrennungsgase und das Einleiten des Frischgemisches gleichzeitig, häufig indem Letzteres Ersteres verdrängt. Bei kleinen Motoren, etwa in Gartengeräten oder Straßenfahrzeugen, steuert meist der Kolben Ein- und Auslasszeitpunkt, indem er bei entsprechender Stellung Gaskanäle öffnet oder verdeckt. Bei Vergasermotoren oder Saugrohreinspritzung sind Spülverluste unvermeidlich, was sich nachteilig auf den Verbrauch auswirkt. Bei Direkteinspritzung können die Spülverluste deutlich reduziert werden. Eine weitere Methode zur Reduzierung der Spülverluste in einem begrenzten Drehzahlbereich ist die Verwendung eines Resonanzauspuffs. Dabei wird die Druckwelle, mit der der Abgasstrom beim Öffnen der Auslasskanäle in den Auspuff schießt, reflektiert. Die zurückeilende Druckwelle schiebt dann das Frischgas, das zum Ende des Spülvorgangs bereits in den Auspuff geströmt ist, wieder in den Zylinder zurück.
Weiterhin ist der nutzbare Kolbenhub für Verdichtung und Arbeitstakt kürzer als der Gesamthub zwischen den beiden Totpunkten, da er erst mit dem Schließen der Überström- und Auslasskanäle beginnt bzw. mit dem Öffnen der Kanäle endet. Deshalb wird im Arbeitstakt (bei gleicher Drehzahl) eine geringere Leistung als beim Viertaktverfahren erreicht, was teilweise dadurch kompensiert wird, dass der Zweitakter alle 360° Kurbelwinkel einen Arbeitstakt hat, anstatt alle 720° wie beim Viertakter. Mit Zweitaktmotoren ist dadurch im Vergleich zu Viertaktmotoren ein besseres Leistungsgewicht möglich, ein Nachteil beim spezifischen Kraftstoffverbrauch bleibt jedoch erhalten. Bei einfachen, kleinen Zweitaktmotoren wird die Ansaugluft im Kurbelgehäuse vorkomprimiert, weshalb sich dort kein Schmieröl befindet: Solche Zweitakter tanken zur Motorschmierung ein Öl-Benzin-Gemisch. Größere und aufwendiger gebaute Zweitaktmotoren können über einen geschlossenen Schmierölkreis verfügen, benötigen dann jedoch für die Zylinderfüllung eine Ladepumpe oder -Gebläse.
Beim Viertaktmotor sind dagegen Ein- und Auslasstakt getrennt und in jedem Zylinder gibt es nur alle zwei Umdrehungen einen Arbeitstakt. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eine Ventilsteuerung notwendig, die meist über Nockenwellen realisiert wird, die mit halber Motordrehzahl laufen. Das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als beim Zweitakter – was aber meist durch den niedrigeren Kraftstoffverbrauch gerechtfertigt wird. Weiterhin lassen sich Viertakter durch die Ventilsteuerung besser auf ein breiteres Drehzahlband abstimmen. Bei Zweitaktmotoren ist die Resonanzschwingung der Gassäule im Ansaug- und Abgastrakt entscheidend für den Füllungsgrad im Zylinder, eine gute Zylinderfüllung und damit gute Leistung und gutes Drehmoment ist daher nur im Resonanzbereich der Ansaug- und Auspuffanlage, also in einem relativ schmalen Drehzahlbereich möglich.
Ottomotor-Zweitakter werden bei Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf ein niedriges Masse-Leistungs-Verhältnis ankommt, und nicht auf Kraftstoffkosten, so im Freizeitbereich (Mofa, Moped, Leichtflugzeug, Modellflugzeug oder Jet-Ski), bei tragbaren Arbeitsgeräten (Motorsägen, Generatoren, Rasenmähern) oder bei speziellen Sportgeräten (Moto-Cross- und Trial-Motorräder).
Merkmale
Die klassischen Merkmale des Ottomotors sind:
- Fremdzündung: Das Gemisch wird zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Funken einer Zündkerze gezündet.
- Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden schon vor der Verdichtung gemischt (Ausnahme Benzindirekteinspritzung siehe unten in diesem Abschnitt).
- Quantitative Regelung: Das Motormoment wird mit der zugeführten Menge des Kraftstoff-Luftgemisches durch die Drosselklappe oder (in Sonderfällen seit der Jahrtausendwende) mit gesteuerten Einlassventilen eingestellt.
- Verbrennungsflamme: Die Verbrennungsflamme ist eine Vormischflamme.
Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung entsprechen diesen Merkmalen nicht mehr ganz: Die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum ist nicht an die Einlasssteuerzeiten der Ventile gebunden und kann so auch erst später in der Verdichtungsphase erfolgen. Damit werden Schichtladungen, also Zonen im Zylinder mit unterschiedlicher Gemischzusammensetzung möglich, etwa beim Magermotor: Zündfreudiges, fettes oder stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (d.h. 14,7 Teile Luft : 1 Teil Kraftstoff) ist im Bereich der Zündkerze und mageres Gemisch im restlichen Brennraum.
Auch HCCI-Motoren, die je nach Drehzahl und Last selbstzündend oder fremdzündend arbeiten, entsprechen nicht den klassischen Merkmalen eines Ottomotors, werden aber im Allgemeinen als Ottomotoren bezeichnet, wenn sie für den Betrieb mit Benzin ausgelegt sind.
Hubraum
Die Größe des Hubraums ist ein wichtiges Merkmal für die Klassifizierung von Motoren. Der Hubraum bezeichnet das Volumen, das vom Kolben zwischen unterem und oberem Totpunkt verdrängt wird. Bei Mehrzylindermotoren werden die Hubräume aller Zylinder addiert.
Bei Kraftfahrzeugen waren/sind Hubräume ab ca. 0,4 Litern üblich, kleinste Motoren für Modellflugzeuge in Glühzünder-Bauweise haben nur 0,16 cm³ Hubraum. Mit 13,5 Litern markierte der Pierce Arrow von 1912 eine obere Marke, der in den 1940er Jahren entwickelte Flugmotor BMW 803 hatte einen Gesamthubraum von 84 Litern.
Wirkungsgrad
Der maximale Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 % und wird heute von Motoren erreicht, die eine hohe mechanische Verdichtung im sogenannten Atkinson-Zyklus haben.
Siehe auch
- Otto-Kreisprozess
- Kritischer Punkt (Thermodynamik) Einspritzung überkritischen Benzins
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 16.12. 2022