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Ottomotor

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Definition: ein Verbrennungsmotor mit homogener Gemischbildung, fremdgezündeter innerer Verbrennung und Drosselregelung

Englisch: Otto engine

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.03.2010; letzte Änderung: 20.08.2016

Ein Ottomotor, benannt nach dem Erfinder Nikolaus August Otto, ist ein verbreiteter Typ von Verbrennungsmotor. Er ist in den meisten Fällen ein Hubkolbenmotor mit einem oder mehreren Zylindern, der die folgenden Merkmale aufweist:

Die Zylinder sind über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden, über die die mechanische Leistung abgegeben wird.

Der Artikel über Dieselmotoren vergleicht Otto- mit Dieselmotoren.

Funktionsweise des Viertakt-Ottomotors

Die gebräuchlichste Form des Ottomotors funktioniert nach dem Viertakt-Prinzip, welches im Folgenden kurz erklärt wird:

Funktionsweise des Ottomotors

Abbildung 1: Die vier Takte beim Viertakt-Ottomotor. Sie werden weiter unten erklärt.

Der Kolben leistet also nur während des dritten Takts Arbeit an der Kurbelwelle, während er in den anderen Takten (vor allem im zweiten) deren Drehbewegung bremst. Trotzdem überwiegt die Energieabgabe im dritten Takt, da der Druck dort weit höher ist als während der anderen Takte. Ein Schwungrad und eventuell andere Zylinder, welche zeitlich versetzt arbeiten, vergleichmäßigen die Bewegung.

Eine gezielte Steuerung der Einlass- und Auslassventile, teils deutlich abweichend von einem vereinfacht erklärten Funktionsprinzip des Ottomotors, ermöglichen erhebliche Verbesserungen im Hinblick auf Motorleistung, Drehmoment und Abgasemissionen.

Die obige Darstellung ist insbesondere im Hinblick auf die Ventilsteuerung stark vereinfacht. Beispielsweise öffnet man in der Praxis das Auslassventil meist bereits deutlich vor Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens, so dass im folgenden Ausstoßtakt eine geringere Ausstoßarbeit erfolgt (also weniger Energieaufwand für das Herausschieben des Abgases), auch wenn man dabei einen Teil der Expansionsarbeit verliert. (Die dadurch erfolgende Erhöhung der Abgastemperatur kann in der Warmlaufphase auch einer schnelleren Erwärmung des Abgaskatalysators dienen.) Auch das Schließen des Auslassventils erfolgt etwas verzögert, um weniger Restgas in den Zylindern zu lassen. Das Einlassventil dagegen wird bereits 5 bis 20° vor Erreichen des oberen Totpunkts geöffnet, wodurch eine sogenannte Ventilüberschneidung auftritt, d. h. eine Zeit mit gleichzeitiger Öffnung von Einlass- und Auslassventil. Dies kann gewisse Vorteile bringen (beispielsweise eine bessere Durchmischung des Gemischs und eventuell eine interne Abgasrückführung), obwohl gleichzeitig eine gewisse Gefahr von Spülverlusten entsteht: In ungünstigen Fällen kann ein Teil des angesaugten Gemisches unverbrannt direkt in den Auspufftrakt gelangen, was Energieverluste und erhöhte Emissionen unverbrannte Kohlenwasserstoffe zur Folge hat. Stark abweichende Zeitpunkte für das Schließen des Einlassventils treten vor allem bei sogenannten Atkinson-Motoren auf und können verwendet werden, um die Drosselverluste im Teillastbetrieb zu vermindern. Idealerweise sollten die Ventilsteuerzeiten den jeweiligen Verhältnissen (Drehzahl und Last) angepasst werden, was mit modernen variablen Ventiltrieben möglich ist. Insbesondere bei Automotoren werden solche Techniken längst in großem Umfang eingesetzt, obwohl der technische Aufwand hierfür erheblich ist.

Für einen typischen Benzinmotor mit 2 Litern Hubraum in einem Kraftfahrzeug könnten die folgenden Zahlenwerte zutreffen. Der Spitzendruck im Zylinder erreicht bei Volllast ca. 70 bar = 7000 kPa, während der sogenannte effektive Mitteldruck bei rund 12 bar = 1200 kPa liegt. (Der effektive Mitteldruck bedeutet den mittleren Druck auf den Kolben während eines Arbeitstakts, wobei Energieverluste durch Reibung und Nebenaggregate bereits abgezogen wurden.) Bei einer mittleren Drehzahl von beispielsweise 3000 Umdrehungen pro Minute ergeben sich pro Zylinder 3000 / 60 / 2 = 25 Arbeitstakte pro Sekunde. Die abgegebene mechanische Leistung ist dann 1,2 MPa · 0,002 m3 · 25 /s = 60 kW. Bei einer doppelt so hohen Drehzahl von 6000 Umdrehungen pro Minute nimmt das Drehmoment, also der effektive Mitteldruck deutlich ab, sodass die Motorleistung deutlich weniger als verdoppelt wird.

Eine explosionsartige Verbrennung ist keineswegs erwünscht!

Übrigens ist die manchmal verwendete Bezeichnung Explosionsmotor nicht angemessen, da eine explosive Verbrennung im Ottomotor durchaus nicht angestrebt wird, weil sie zu einer hohen mechanischen Belastung vieler Teile führen würde. Optimal ist es, wenn die Verbrennung gleichmäßig mit einer nicht zu großen, aber auch nicht zu kleinen Flammengeschwindigkeit erfolgt. Beispielsweise ist eine gesamte Dauer der Verbrennung von zwei Millisekunden angemessen, wenn ein Motor mit mittleren Drehzahlen von 3000 Umdrehungen pro Minute läuft, also 50 Umdrehungen pro Sekunde. Die Expansionsphase, entsprechend einer halben Umdrehung der Kurbelwelle, hat dann eine Dauer von zehn Millisekunden. Somit erfolgt die Verbrennung komplett, bevor sich der Kolben wesentlich nach unten bewegt hat. Die Zeit kann für eine vollständige Verbrennung jedoch knapp werden, wenn ein Motor mit sehr hohen Drehzahlen betrieben wird und/oder wenn die Verbrennungsgeschwindigkeit beispielsweise durch eine Abgasrückführung vermindert wird.

Weitere Komponenten und Aggregate eines Motors

Zusätzlich zu den Teilen, die in der Beschreibung des Prinzips oben erwähnt wurden, enthält ein Motor (beispielsweise eines Autos) meist noch diverse andere Komponenten und Aggregate:

Ein Verbrennungsmotor braucht eine Vielzahl von zusätzlichen Aggregaten, um funktionieren zu können.

Die weitere Optimierung der Ventilsteuerung ermöglicht auch heute noch weitere Fortschritte für mehr Leistung und Energieeffizienz von Motoren.

Bauarten

Ottomotoren können sich in vielen Details unterscheiden:

Es gibt auch modifizierte Versionen von Motoren, die zwar das grundlegende Prinzip des Ottomotors (homogene Gemischbildung und Fremdzündung) verwenden, jedoch in manchen Details abweichen:

Kraftstoffe für Ottomotoren

Die meisten Ottomotoren werden mit Benzin betrieben, das auch als Ottokraftstoff bezeichnet wird. Das Benzin muss eine gewisse Klopffestigkeit aufweisen, ausgedrückt durch die Oktanzahl – besonders für Motoren mit höherem Verdichtungsverhältnis, die tendenziell effizienter sind. Die Oktanzahl kann durch diverse Additive (Beimischungen) erhöht werden, z. B. durch das krebserregende Benzen. Gleichzeitig muss der Kraftstoff aber ausreichend zündfähig sein. (Beispielsweise könnte Dieselkraftstoff in einem Ottomotor nicht verwendet werden, weil dieser mit einer Zündkerze nicht gezündet werden könnte.) Manche Ottokraftstoffe enthalten weitere Zusätze für die Optimierung weiterer Eigenschaften, beispielsweise der Flammengeschwindigkeit oder für die Vermeidung von Ablagerungen an den Ventilen.

Mit relativ einfacher Umrüstung ist der Betrieb von Ottomotoren auch mit anderen Kraftstoffen wie Bioethanol, Flüssiggas, Erdgas oder Wasserstoff möglich, häufig auch im Wechsel mit Benzin. (Beim Betrieb mit einem Gas als Brennstoff spricht man auch von einem Gasmotor.) Es können aber gewisse Anpassungen nötig sein, beispielsweise im Falle von Wasserstoff um eine frühzeitige Entzündung an heißen Motorteilen zu vermeiden.

Mit verschiedenen Kraftstoffen arbeitende Motoren nutzen oft nicht alle Kraftstoffe optimal aus.

Motoren, die für einen bestimmten Kraftstoff optimiert sind, arbeiten meist effizienter als solche, die mit unterschiedlichen Kraftstoffen arbeiten können (BiFuel-Fahrzeuge). Beispielsweise kann ein Motor, der mit Benzin arbeitet, kein so hohes Verdichtungsverhältnis aufweisen, wie es für den Betrieb mit Ethanol oder Erdgas optimal wäre. Zumindest wäre die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses im Betrieb technisch sehr aufwendig. Das Atkinson-Prinzip kann auch bei festem (und hohem) geometrischen Verdichtungsverhältnis genutzt werden, um das Klopfen beim Betrieb mit Benzin zuverlässig zu vermeiden, wobei jedoch ein erheblicher Verlust an Leistung auftritt. Eine variable Abgasrückführung kann ein weiterer technischer Ansatz sein.

Verbrennungsluftverhältnis

Die meisten Ottomotoren, insbesondere solche in Autos, werden heute im Normalfall mit einem Verbrennungsluftverhältnis sehr nahe bei 1 betrieben, d. h. die zugeführte Luftmenge reicht gerade aus für die Verbrennung des Kraftstoffs (stöchiometrische Verbrennung). Der Hauptgrund für diese Betriebsweise ist, dass damit ein Drei-Wege-Katalysator (siehe unten) die Schadstoffe im Abgas relativ effektiv abbauen kann. Eine Lambdasonde wird benötigt, um das Verbrennungsluftverhältnis auch bei variablen Betriebszuständen sehr genau einzustellen.

Ottomotoren können auch mit größerem Verbrennungsluftverhältnis, also mit Luftüberschuss betrieben werden. Man spricht dann von einem Magermotor. Dieser hat niedrigere Stickoxidemissionen im Roh-Abgas, die jedoch nicht mit einem Drei-Wege-Katalysator weiter reduziert werden können.

Warum kann ein “fettes” Gemisch trotz unvollständiger Verbrennung mehr Leistung ermöglichen?

Der Betrieb eines Ottomotors mit einem “fetten” Gemisch, d. h. mit z. B. 10 % mehr Kraftstoff, als mit der angesogenen Luftmenge vollständig verbrannt werden kann, erlaubt eine etwas höhere abgegebene Leistung. Dies ist allerdings verbunden mit einem reduzierten Wirkungsgrad (also geringerer Energieeffizienz) und scharf ansteigenden Emissionen des giftigen Kohlenmonoxids und unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Es ist zunächst überraschend, dass so überhaupt eine höhere Leistung möglich ist, da die erzeugte Wärmemenge pro Kraftstoff-Einheit ja reduziert wird. Man beachte aber, dass es nicht darum geht, bei gegebener Kraftstoffmenge die Luftmenge zu reduzieren (was sicher eine Leistungseinbuße brächte), sondern vielmehr bei Vollgas (also ganz offener Drosselklappe) etwas mehr Kraftstoff beizufügen. Die insgesamt angesaugte Masse steigt dadurch an (wegen der höheren Dichte des Kraftstoffdampfs), und die bei der Verbrennung erzeugte Gasmenge ebenfalls. Überschüssiger Kraftstoff bleibt bei der Verbrennung nicht etwa passiv, sondern wird zumindest zu Kohlenmonoxid oxidiert und trägt auch so zur Erhöhung des Drucks im Zylinder und damit der Leistung bei.

Eine wesentlich stärkere Erhöhung der Motorleistung ist möglich, wenn auch die Luftmenge weiter erhöht wird durch Verwendung eines Kompressors oder eines Turboladers.

Früher wurde das Gemisch in der Warmlaufphase oft über einen Choke (eine Drosselklappe vor dem Vergaser) angefettet, und zwar im Wesentlichen mit dem Zweck, ein zu mageres Gemisch im Motor durch teilweise Kondensation von Kraftstoffdampf in den kalten Leitungen zu vermeiden. Da der Einsatz des Chokes ohne jede quantitative Kontrolle des Resultats erfolgte, führte dies oft zu sehr hohen Emissionen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Energieeffizienz

Der Wirkungsgrad eines Ottomotors in einem modernen Fahrzeug liegt unter optimalen Bedingungen (mittlere Drehzahl, viel “Gas”) deutlich über 30 %, in manchen Fällen sogar etwas über 35 %. Bei voller Leistung, die bei hohen Drehzahlen erreicht wird, ist der Wirkungsgrad etwas niedriger. Vor allem aber fällt der Wirkungsgrad im tiefen Teillastbetrieb stark ab, der beim Einsatz in Fahrzeugen häufig auftritt. Im Stadtverkehr kann der effektive Wirkungsgrad deswegen deutlich unter 10 % liegen. Eine kraftstoffsparende Fahrweise (Eco-Drive) zielt zum guten Teil darauf ab, den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb zu optimieren, indem man mit niedrigen Drehzahlen fährt. Dies vermindert Drosselverluste und andere Reibungsverluste.

Eine Vielzahl von Techniken wird heute angewandt, um die Energieeffizienz von Automotoren zu optimieren. Beispiele hierfür sind die Direkteinspritzung, variable Ventilsteuerung, Downsizing mit Turboaufladung, Zylinderabschaltung und Hybridisierung.

Abgase

Die Abgase von Ottomotoren enthalten eine Fülle giftiger Schadstoffe:

Die Schadstoffkonzentrationen hängen allerdings sehr stark von den Betriebsbedingungen ab, etwa von der Art des Kraftstoffs, der Konzentration des Kraftstoffs im verwendeten Gemisch, der Menge des Gemischs, der Drehzahl und der Betriebstemperatur.

Mit Hilfe eines geregelten Drei-Wege-Katalysators können die drei wichtigen Gruppen von Schadstoffen recht effizient reduziert werden: Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Dies funktioniert jedoch nur dann, wenn die Konzentration des Kraftstoffs im Gemisch genau richtig eingestellt wird, d. h. praktisch ohne Luftüberschuss (mit einem Verbrennungsluftverhältnis sehr nahe bei 1). Beim geregelten Katalysator geschieht dies automatisch geregelt über die Messung des restlichen Sauerstoffgehalts im Abgas mit einer Lambdasonde. Auch der geregelte Katalysator ist erst wirksam ab Erreichen einer ausreichend hohen Betriebstemperatur, bei Autos also erst nach einer gewissen Fahrstrecke.

Bei Vollgas wird der Katalysator oft praktisch inaktiviert im Rahmen der sogenannten Volllastanfettung! Hierdurch steigen die Schadstoffemissionen stark an.

Auch bei Fahrzeugen mit Drei-Wege-Katalysator erfolgt bei starker Last häufig eine sogenannte Volllastanreicherung: Es wird absichtlich ein gewisser Überschuss an Kraftstoff eingespritzt, vor allem um die Überhitzung von Bauteilen (vor allem des Katalysators) zu vermeiden. Die Verbrennungstemperatur wird nämlich dadurch abgesenkt, weil der überschüssige Kraftstoff einerseits eine erhöhte Verdampfungswärme aufnimmt, andererseits aber kaum zur Erhitzung beiträgt, weil er nur unvollständig verbrennt – zum Teil zu Kohlenmonoxid statt Kohlendioxid. Dadurch steigen aber die Schadstoffemissionen scharf an: Verbleibendes Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (auch das krebserregende Benzol (Benzen)) können vom Katalysator mangels Sauerstoff nicht oxidiert werden. Wegen dieser Problematik sind die Schadstoffemissionen vieler Fahrzeuge mit Katalysator vor allem bei aggressiver Fahrweise wesentlich höher, als man von den unter genormten Testbedingungen gemessenen Schadstoffwerten her erwarten würde. Der Artikel über die Volllastanreicherung enthält weitere Details.

Unwirksam ist ein Katalysator gegen das emittierte Kohlendioxid (CO2), welches (bei mäßigen Konzentrationen) ungiftig, aber klimaschädlich ist.

Es gibt auch innermotorische Maßnahmen zur Verbesserung der Abgasqualität, beispielsweise das Verfahren der Abgasrückführung. Es kann auch den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb erhöhen, weil dann eine weniger starke Drosselung nötig ist.

Bei Motoren mit Lambdasonde kann das Verbrennungsluftverhältnis im Prinzip sehr genau geregelt werden. Jedoch funktioniert dies erst, wenn die Lambdasonde ausreichend warm geworden ist. Dies wird heute über eine elektrische Beheizung der Lambdasonde schnell erreicht. Sonst müsste die Motorregelung die Luftmenge anfangs quasi “blind” einstellen, d. h. ohne Erfolgskontrolle. Dies ist naturgemäß viel weniger genau und führt zu erhöhten Schadstoffemissionen. Allerdings löst auch eine beheizte Lambdasonde nicht das Problem, dass der Katalysator anfangs noch zu kalt und damit kaum wirksam ist. Eine Beheizung auch des Katalysators wäre wesentlich aufwendiger.

Literatur

[1]R. van Basshuysen und F. Schäfer (Hrsg.), Handbuch Verbrennungsmotor, Springer Vieweg
[2]Animation zur Illustrierung des Atkinson-Motors bei “Animated Engines”, http://www.animatedengines.com/atkinson.html
[3]Gerhard Schmitz, Der 5-Takt-Motor, http://www.5-takt-motor.com/

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Motor, Magermotor, Abgaskatalysator, Ventile beim Hubkolbenmotor, Zweitaktmotor, Vergaser, Kraftstoffeinspritzung, Schichtladung, Drosselverluste, Klopfen beim Ottomotor, Abgasrückführung, Volllastanreicherung, Turboaufladung, Zylinderabschaltung, Saugmotor, Atkinson-Motor, Verbrennungsluftverhältnis, Dieselmotor, Schubabschaltung, Leerlauf, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Alles verstanden?


Frage: Warum muss die Luftzufuhr bei einem Ottomotor meist gedrosselt werden, wenn man ein niedrigeres Drehmoment wünscht?

(a) weil eine gute Verbrennung mit starkem Luftüberschuss nicht einfach zu erreichen ist

(b) weil die üblichen Abgaskatalysatoren bei Luftüberschuss Stickoxide nicht richtig abbauen können

(c) weil der starke Luftstrom ohne Drosselung zu viel Kraftstoff mitreißen würde, sodass die Leistung höher als gewünscht wäre


Frage: Unter welchen Bedingungen erreicht ein Ottomotor den höchsten Wirkungsgrad?

(a) bei möglichst hoher Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft

(b) bei mittlerer Drehzahl und relativ hoher Last

(c) am Betriebspunkt mit höchster Leistungsabgabe

(d) bei möglichst explosiver Verbrennung des Kraftstoffs


Frage: Warum ist Dieselkraftstoff für einen Ottomotor nicht geeignet?

(a) weil seine Zündwilligkeit (Cetanzahl) zu gering ist

(b) weil er mit einer Zündkerze nicht entflammt werden kann

(c) weil er in einem Vergaser nicht schnell genug verdampft

(d) weil sein Schwefelgehalt den Katalysator schädigen würde


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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