Ottomotor
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Der Ottomotor ist ein nach Nikolaus August Otto benannter Verbrennungsmotor, bei dem der Kraftstoff während des Ansaugvorganges in die angesaugte Luft eingebracht wird, was ein zündfähiges Gemisch im Zylinder ergibt. Im Gegensatz zum Dieselmotor zeichnet sich ein Ottomotor durch eine aktive Zündvorrichtung aus.
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Technik
Gemischbildung und Zündung
Der Kraftstoff gelangt durch einen Vergaser oder über eine (heute meist elektronisch gesteuerte) Benzineinspritzung, die das Benzin-Luft-Gemisch herstellen, in den Brennraum des Motors. Mit Hilfe einer Zündkerze wird ein kurzer elektrischer Funkenüberschlag, der Zündfunke, erzeugt, mit dem das Gemisch zeitlich genau zur Explosion gebracht wird.
Die Verbrennung erzeugt in dem relativ kleinen Brennraum ein heißes Gas mit hohem Druck (über 100 bar), der 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.
Als Kraftstoff für Ottomotoren dient hauptsächlich Benzin, aber auch Gase auf Methan-Basis (Flüssiggas, Erdgas, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas) sowie Ethanol und Wasserstoff. Motoreinstellungen wie Zündzeitpunkt, Verdichtungsverhältnis und Verbrennungsluftüberschuss müssen auf den Kraftstoff abgestimmt werden, oder werden bei Mischbetrieb umgeschaltet.
Zwei- und Viertakter
Ottomotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor ausgeführt sein, wobei der Viertaktmotor die inzwischen gebräuchlichere Bauart ist.
Beim Zweitaktmotor erfolgen beim Arbeitstakt der Ausstoß der Verbrennungsgase und das Einleiten des Frischgemisches gleichzeitig, häufig indem Letzteres Ersteres verdrängt. Die Steuerung des Ein- bzw. Auslasszeitpunkts erfolgt meist durch Gaskanäle, die im Zylinder vom Kolben bei dem entsprechenden Drehwinkel geöffnet oder geschlossen werden. Dabei sind Spülverluste unvermeidlich, weshalb ein geringerer Wirkungsgrad als beim Viertakter erreicht wird.
Beim Viertaktmotor sind dagegen Ein- und Auslasstakt getrennt. 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 besser auf ein breiteres Drehzahlband abstimmen.
Zweitakter werden daher nur bei Anwendungen eingesetzt, wo der Wirkungsgrad gegenüber dem Gewicht und den Kosten eine geringere Rolle spielt, so im Freizeitbereich (Leichtflugzeuge, Modellflugzeuge oder Jet-Ski), bei tragbaren Arbeitsgeräten (Kettensägen, Generatoren, Rasenmähern) oder bei speziellen Sportgeräten (Moto-Cross- und Trial-Motorräder). Daneben kommen sie auch bei großvolumigen, langsamdrehenden Motoren zum Einsatz, so bei Schiffsmotoren, auch in Diesel-Bauweise.
Merkmale
Klassische Merkmale des Ottomotors sind:
- Fremdzündung: Das Gemisch wird zu einem definierten Zeitpunkt durch den Funken einer Zündkerze gezündet; es zündet - im Gegensatz zum Dieselmotor - nicht selbst.
- Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden vor dem Brennraum gemischt, und nicht erst im Zylinder wie beim Dieselmotor.
- Motorleistungsregelung: Die Leistung wird mit einer Drosselklappe über die Menge des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches geregelt. Beim Dieselmotor erfolgt sie dagegen über die Menge des eingespritzten Kraftstoffes.
"Benzin-Direkteinspritzer" (FSI- und GDI-Motoren) 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 ermöglicht, etwa beim Magermotor: Zündfreudiges, fettes, stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (d. h. 14,7 Teile Luft : 1 Teil Kraftstoff) ist im Bereich der Zündkerze und mageres Gemisch im restlichen Brennraum. Bei einem Motor mit homogener Kompressionszündung hingegen wird die gesamte Ladung geregelt und gleichmäßig ohne Zündkerze gezündet.
Hubraum
Die Größe des Hubraums ist ein wichtiges Merkmal für die Klassifizierung von Ottomotoren. Der Hubraum bezeichnet das Volumen, das vom Kolben zwischen unterem und oberem Totpunkt verdrängt wird. Bei Mehrzylindermotoren wird der Hubraum aller Zylinder addiert.
Der Hubraum wird in Kubikzentimetern oder in Litern bemessen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren bei Kraftfahrzeugen Hubräume ab 0,4 Litern üblich, mit 13,5 Litern markierte der Pierce Arrow von 1912 eine obere Marke. Kleinste Modellmotoren in Glühzünder-Bauweise haben nur 0,16 cm³ Hubraum. Heutige Serien-PKWs haben Hubräume meist zwischen 1,0 und 3,0 Litern, große Modelle und Sportwagen bis zu 8,5 Litern.
Geschichte
Der Ottomotor, 1876 patentiert, wurde 1862 von Nikolaus August Otto auf Basis des 1860 erfundenen, erheblich leistungsschwächeren 2-Takt-Gasmotors von Lenoir entwickelt. Die wesentliche Neuerung war die Einführung eines Verdichtungstaktes. Ottos erste Konstruktion hatte allerdings mit den heutigen Motoren wenig Ähnlichkeit. Es handelte sich um einen atmosphärischen Motor, das heißt die Explosion schleuderte den Kolben hinaus, der frei wegflog. Erst auf dem Rückweg leistete er (beziehungsweise der Atmosphärendruck) über eine Zahnstange Arbeit.
Der Begriff Ottomotor geht zurück auf eine Anregung des VDI aus dem Jahre 1936 und wurde erstmals im Jahre 1946 in der DIN Nr. 1940 verwendet.
1864 war Nikolaus August Otto Mitbegründer der Motorenfabrik N. A. Otto & Cie. in Köln, aus der später die heutige Deutz AG hervorging, wo ab 1876 Ottomotoren hergestellt wurden. Im gleichen Jahr erwarb Otto in Deutschland ein Patent auf einen Verbrennungsmotor, welches auch das Viertakt-Prinzip beinhaltete. Wegen älterer Ansprüche des Franzosen Alphonse Beau de Rochas wurde das Otto-Patent 10 Jahre später in Deutschland aufgehoben.
Gottlieb Daimler und Carl Benz bauten 1886, unabhängig davon 1888 bis 1889 in Wien Siegfried Marcus, die ersten Kraftfahrzeuge mit einem Ottomotor.
Siehe auch
- Wankelmotor (Kreiskolbenmotor)
- Otto-Prozess
- HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition)
- Leanen
