Ottomotor (1): Viertaktmotor 02.03.2012, 07:16

Ottomotor - Viertakt, Vorschaubild

Heute ist der Ottomotor die verbreitetste Verbrennungskraftmaschine für den Antrieb von Pkw, leichten Lkw, motorisierten Zweirädern und Kleingeräten. Wie arbeitet ein Otto-Viertakt-Motor?

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Viertakt-Ottomotor

Der Ottomotor ist benannt nach seinem Erfinder Nikolaus Otto, der seine Erfindung 1876 der Öffentlichkeit vorstellte. Heute ist der Ottomotor die verbreitetste Verbrennungskraftmaschine für den Antrieb von Pkw, leichten Lkw, motorisierten Zweirädern und Kleingeräten. Moderne Ottomotoren haben mit der ursprünglichen Erfindung von Otto nur noch das Prinzip gemeinsam:
- die äußere Gemischbildung,
- die Gemischverdichtung, und
- die Einleitung der Verbrennung durch eine fremde Zündquelle. 

Arbeitsprinzip  

Der Hubkolbenmotor besteht aus Zylinder, Kolben mit Kolbenringen und Kurbeltrieb. Beim Auf- und Abgleiten des Kolbens im Zylinder erreicht der Kolben in seinen Endlagen abwechselnd
- den oberen Totpunkt (OT) und
- den unteren Totpunkt (UT).
Die geradlinige Kolbenbewegung wird mit Hilfe des Kurbeltriebs, bestehend aus Pleuelstange und Kurbelwelle, durch die Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt.
 

Das Otto-Verfahren

4_Taktmotor_Ansaugen

 

 

Der Motor saugt gleichzeitig Luft und Kraftstoff in einem bestimmten Verhältnis an und verdichtet dieses Gemisch. Der Zündfunke entzündet und verbrennt es, anschließend werden die verbrannten Gase ausgestoßen. Die Aufeinanderfolge von Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (Arbeiten) und Ausstoßen nennt man das Arbeitsspiel oder den Motorzyklus.  
Dieser Vorgang kann sich in vier Kolbenhüben (= zwei Kurbelwellenumdrehungen) abspielen; dann spricht man vom Viertaktverfahren. Bei zwei Kolbenhüben (= eine Kurbelwellenumdrehung) arbeitet der Motor im Zweitaktverfahren. Ein wesentlicher Unterschied zwischen beiden Verfahren liegt in der Steuerung des Gaswechsels, d. h. in der Art, wie die Frischgase zugeführt und die verbrannten Gase abgeführt werden. (Der nächste tec.LEHRERFREUND-Beitrag befasst sich mit dem Zeitaktverfahren).
 

             

Die vier Takte

Beim Hubkolbenmotor versteht man unter einem Takt die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand. Die Kurbelwelle vollführt während eines Taktes eine halbe Umdrehung. Knapp zusammengefasst läuft dies so ab:
1. Takt: Zu Beginn des 1. Taktes steht der Kolben in OT (oberer Totpunkt). Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle nach UT (unterer Totpunkt). Dabei wird Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder gesaugt.
2. Takt: Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung OT. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder wird auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Volumens verdichtet.
3. Takt: Durch eine gezielt eingeleitete Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wird der Kolben von OT nach UT getrieben und gibt an der Kurbelwelle Energie ab.
4. Takt: Die zweite Bewegung des Kolbens von UT nach OT stößt die verbrannten Gase aus.
In allen vier Takten spielen sich zusammen mit den Ventilbewegungen (Steuerzeiten) und dem Vergaser etwas kompliziertere Vorgänge ab; sie werden im Folgenden beschrieben. In den Skizzen sind rechts neben dem Zylinder die Drucksituationen eingezeichnet.

4_Taktmotor_Verdichten

 

                                     

1. Takt = Ansaugen
Beim Abwärtsgehen des Kolbens vergrößert sich der über dem Kolbenboden liegende Zylinderraum. Dies führt zu einem Druckunterschied von 0,1 bar bis 0,2 bar gegenüber dem atmosphärischen Luftdruck. Der höhere Außenluftdruck drückt Luft in den Zylinder. Hierbei reichert sich die Luft, zum Beispiel im Vergaser, mit Kraftstoff an. Es entsteht ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch das Einlassventil (EV) in den Zylinder strömt.
Hohe Einströmgeschwindigkeiten der Frischgase (bis 100 m/s) verlangen, dass das Einlassventil nicht in UT, sondern erst 35° bis 90° nach UT geschlossen wird. Wegen ihrer Trägheit strömen dann die Frischgase noch einige Zeit weiter, bis der aufwärts gehende Kolben aufgrund des Druckanstieges die Frischgase abbremst. Außerdem öffnet das Einlassventil bereits bis zu 20° vor OT. Durch die ausströmenden Abgase des Ausstoßtaktes wird ein Unterdruck (Sogwirkung) erzeugt, der die Frischgase schon in Bewegung setzt, bevor noch der Kolben abwärts geht. Dieser Zustand, bei dem das EV und Auslassventil (AV) gleichzeitig geöffnet sind, nennt man Ventilüberschneidung.
 

Liefergrad

Im Ansaugtakt kann der Zylinderraum nicht hundertprozentig mit Frischgas gefüllt werden. Die tatsächliche Füllung, die bei 70 bis 90 % liegt, wird mit dem Liefergrad angegeben:
Liefergrad ΛL =  tatsächliche Frischgasmenge :  theoretische Frischgasmenge (Λ = lambda)
 

2. Takt = Verdichten
Beim Verdichten wird das Frischgas auf ein Siebtel bis ein Zehntel des gesamten Zylinderraums zusammengedrückt. Dies ergibt ein Verdichtungsverhältnis von 7:1 bis 10:1. Dabei entsteht ein Verdichtungs-Enddruck von pe = 12 bis 18 bar, und eine Verdichtungs-Endtemperatur von 400°C bis 600°C. Bei so hohen Verdichtungstemperaturen vergast der in feine Tröpfchen zerstäubte Kraftstoff, was seine Vermischung mit Luft erleichtert.
Eine zunehmende Verdichtung hat eine Leistungssteigerung zur Folge. Weil dadurch die Energie des Kraftstoffes besser ausgenützt wird, verbessert sich der Wirkungsgrad des Motors.

4_Taktmotor_Arbeiten

3. Takt = Arbeiten

Die chemische Energie des Kraftstoffs wird durch die Verbrennung in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Energieumwandlung wird kurz vor OT durch das Überspringen des Zündfunkens eingeleitet. Von der Zündkerze ausgehend breitet sich dabei eine etwa etwa 20 m/s schnelle Flammenfront gleichmäßig aus. Die Verbrennung ist kurzzeitig mit Temperaturen von 2 000°C bis 2 500°C und Verbrennungshöchstdrücken von 40 bar bis 60 bar verbunden.
Bis zum Ende des Arbeitstaktes entspannt sich der Druck auf 3 bar bis 5 bar und die Gastemperatur sinkt auf etwa 900°C.  
 

4. Takt = Ausstoßen
Das Auslassventil öffnet 40° bis 90° vor UT. Dabei verlassen bei einem Druck von 3 bis 5 bar die Abgase den Zylinder mit Schallgeschwindigkeit. Um den dabei entstehenden Lärm möglichst gering zu halten, werden die Druckwellen im Auspuff (Schalldämpfer) abgebaut. Die restlichen Abgase werden beim Aufwärtsgehen des Kolbens bei einem Staudruck von etwa 0,2 bar ausgestoßen.

Um den Verdichtungsraum so weit wie möglich von noch vorhandenen Verbrennungsgasen zu säubern, schließt das Auslassventil erst 5° bis 30°nach OT, während das Einlassventil öffnet.

Arbeitsdiagramm

Während eines Arbeitsspiels (4 Kolbenhübe) lässt sich der Druckverlauf im Zylinder mit elektronischen Messgeräten (Oszilloskope) sichtbar machen. Die Aufzeichnung der Drücke in Abhängigkeit vom Kolbenweg macht eine Aussage über die Arbeit, die an den Motorkolben abgegeben wird. Die Auswertung des Diagramms deckt auch eventuelle Fehler in der Motoreinstellung auf.

4_Taktmotor_Ausstossen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Kolbengeschwindigkeit verläuft ungleichförmig, weil sie zwischen Null und einem Höchstwert wechselt. Die dabei auftretende Beschleunigung bzw. Verzögerung wird in der Berechnung zu einer mittleren Kolbengeschwindigkeit vereinfacht. 

Abgase: Abgase sind die Stoffe, die bei der motorischen Verbrennung entstehen. Die gebräuchlichen Kraftstoffe, Gemische aus Kohlenwasserstoffen, reagieren mit der Luft. Dabei entstehen hauptsächlich Kohlendioxid CO2, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NO und NO2 und Wasser. Die meisten sind für den Menschen und die Umwelt schädlich. Um die schädliche Wirkung zu verringern, wurden gesetzliche Vorschriften erlassen, die die Schadstoffmengen im Abgas begrenzen.

Eine Maßnahme zur Reduzierung der Stickoxidemission ist die Abgasrückführung.
Bei der Abgasturboaufladung wird der Energieanteil, der ungenutzt in die Atmosphäre gehen würde, zur Leistungssteigerung genutzt.

Rechnungen zu Beschleunigung und Verzögerung siehe im Beitrag »Beschleunigte und verzögerte Bewegung«
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Die unvollständige Skizze unten ist für die Verwendung in Arbeitsblättern gedacht. 

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