Arbeitsweise des Ottomotors

Die Arbeitsweise des Ottomotors ist das grundlegende Prinzip nach dem ein Ottomotor Benzin gezielt verbrennt und dadurch letztendlich ein Kraftfahrzeug antreibt.

Aber wie funktioniert ein Ottomotor? Wie wird der Motor durch Verbrennung von Benzin angetrieben? Wo wird das Benzin verbrannt? Und welche Komponenten in einem Ottomotor sorgen dafür, dass mechanische Arbeit verrichtet wird?

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Arbeitsweise des Ottomotors einfach erklärt

Die Arbeitsweise des Ottomotors wird in die vier Takte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen unterteilt. Anhand dieser Takte kann dann das Funktionsprinzip erklärt werden. Um das Prinzip besser zu verstehen, könnt ihr euch einen Motor mit nur einem einzigen Zylinder vorstellen. In jedem Takt bewegt sich der Kolben in diesem Zylinder einmal von oben nach unten oder von unten nach oben. Ein Takt entspricht also einem Kolbenhub.

Ein Durchlauf aller Takte wird Arbeitsspiel genannt und kann anhand der Abläufe im Zylinder beschrieben werden. In einem Arbeitsspiel wird zuerst ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder angesaugt, indem das Einlassventil geöffnet wird, während der Kolben sich im Zylinder nach unten bewegt. Durch die Abwärtsbewegung erzeugt der Kolben einen Unterdruck, der dafür sorgt, dass das Gemisch in den Zylinder strömt.

Anschließend wird das Einlassventil geschlossen, während sich der Kolben wieder nach oben bewegt. Dadurch wird das Gemisch verdichtet und der Druck im Zylinder erhöht. Ihr könnt euch vorstellen, dass der Kolben das Gemisch zusammendrückt. Diese Verdichtung und der Druckanstieg sorgen dafür, dass sich das Gemisch erwärmt. Das Gemisch ist so leicht entflammbar und wird dann durch eine Zündkerze entzündet.

Durch den schlagartigen Temperaturanstieg und der damit einhergehenden Ausdehnung des Gemisches wird der Kolben wieder nach unten getrieben. Die Verbrennung des Gemisches treibt also den Kolben und damit auch den Motor an. Dieser Vorgang wird Arbeiten genannt, weil durch die Verbrennung der Kolben bewegt wird. Es wird also Arbeit verrichtet.

Anschließend wird das Auslassventil geöffnet, während der Kolben sich wieder nach oben bewegt. Im Gegensatz zum Ansaugen sorgt jetzt ein Überdruck und die Aufwärtsbewegung des Kolbens dafür, dass das verbrannte Gemisch als Abgas wieder aus dem Zylinder strömt. Anschließend wird in der nachfolgenden Abwärtsbewegung wieder neues Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder gesaugt und der beschriebene Ablauf immer weiter wiederholt.

Die Kurbelwelle sorgt für die fortlaufende Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens. Sie ist über die Pleuelstange mit dem Kolben verbunden. Während eines Arbeitsspiels dreht sich die Kurbelwelle zweimal, also immer eine halbe Umdrehung pro Kolbenhub. Ihr könnt euch vorstellen, dass die Kurbelwelle sich kontinuierlich dreht und über die Pleuelstange immer wieder den Kolben hebt und senkt. Weil dabei natürlich Energie verloren geht, würde die Kurbelwelle sich nach und nach immer langsamer drehen. Durch das Arbeiten wird aber der Kolben mit der Verbrennung des Gemisches nach unten gedrückt, was umgekehrt dafür sorgt, dass die Kurbelwelle sich immer weiter dreht. Ihr könnt euch also vorstellen, dass die Kurbelwelle in jeder zweiten Umdrehung durch das Arbeiten neuen Schwung bekommt.

Die Anzahl an Umdrehungen, welche die Kurbelwelle in einer Minute macht, wird Motordrehzahl genannt. Diese wird letztendlich über den Antriebsstrang auf die Räder übertragen, was dafür sorgt, dass diese die Räder sich drehen und das Kraftfahrzeug fährt.

Die Arbeitsweise des Ottomotors fasst also das Funktionsprinzip des Ottomotors zusammen und beschreibt damit, wie aus der chemischen Energie im Kraftstoff, durch Verbrennung, mechanische Arbeit verrichtet und ein Fahrzeug angetrieben wird.

Arbeitsweise des Ottomotors Definition

Arbeitsweise des Ottomotors Überblick

• Der Kolben läuft im Zylinder und ist über die Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden.

• Die Pleuelstange und die Kurbelwelle wandeln die translatorische (lineare) Bewegung des Kolbens in eine rotatorische (kreisförmige) Bewegung um.

• Über das Einlassventil (EV) wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt und über das Auslassventil (AV) nach der Verbrennung abgeführt.

• Die Ventile werden über Nockenwellen gesteuert, indem die Nocken der Nockenwelle einen Stößel herunterdrücken und damit das Ventil öffnen.

• Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle angetrieben mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1, sie dreht also mit der halben Kurbelwellengeschwindigkeit.

• Das Hubvolumen (auch Hubraum) ist das eingeschlossene Volumen zwischen oberem Totpunkt (OT) und unterem Totpunkt (UT), welche jeweils die maximale Auslenkung des Kolbens kennzeichnen.

• Das Verdichtungsvolumen (Kompressionsvolumen) bzw. der Verdichtungsraum ist das Volumen des Gemisches nach der Verdichtung (Kolben am OT).

• Beim Ottomotor wird das Gemisch über die Zündkerze entzündet.

Arbeitsspiel des Ottomotors

Das Arbeitsspiel des Ottomotors besteht bei einem Viertaktmotor aus den vier Takten Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Die Zylinder eines Ottomotors durchlaufen das Arbeitsspiel dabei in zwei Kurbelwellenumdrehungen. Im Betrieb des Ottomotors werden die vier Takte kontinuierlich durchlaufen. Nach dem vierten Takt Ausstoßen folgt also unmittelbar wieder der erste Takt Ansaugen.
Die thermodynamischen Vorgänge im Zylinder, während des Arbeitsspiels, werden durch den Otto-Kreisprozess beschrieben. Dabei handelt es sich um einen rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess.

1. Ansaugen

Der Kolben befindet sich in einer Abwärtsbewegung. Dabei wird ein Unterdruck gegenüber dem Außendruck erzeugt. Dadurch wird bei geöffnetem Einlassventil Luft in den Zylinder gedrückt. Bei einem Saugmotor mit äußerer Gemischbildung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Ansaugkanal gebildet und wie beschrieben in den Zylinder gedrückt.
Bei innerer Gemischbildung wird nur Luft angesaugt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Einspritzen direkt im Zylinder erzeugt. Das Einlassventil wird idealerweise schon bei einem Kurbelwellenwinkel von 45° vor dem oberen Totpunkt geöffnet (Eö) und erst bis zu 90° nach dem unteren Totpunkt wieder geschlossen (Es).

2. Verdichten

In der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das eingeschlossene Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet.
Da sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil dabei geschlossen bleiben kann sich das Gemisch nicht weiter ausdehnen und im Zylinder entsteht ein hoher Druck, welcher die Vermischung des Kraftstoffes mit der Luft fördert und eine rasche und vollkommene Verbrennung im Arbeitstakt gewährleistet.
Durch den hohen Druck erwärmt sich dabei das Gemisch. Der Verdichtungsenddruck bei Ottomotoren kann bis zu 20 bar betragen und das Gemisch kann sich dabei auf bis zu 500 °C erwärmen.
Erfolgt die Gemischbildung durch Direkteinspritzung, wird in diesem Takt bei niedrigen Drehzahlen zunächst nur Luft verdichtet und der Kraftstoff kurz vor dem Zündzeitpunkt eingespritzt.

3. Arbeiten

Im dritten Takt erfolgt die Verbrennung des verdichteten Gemisches. Durch einen Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerze wird das Gemisch entzündet. Da zwischen dem Überspringen des Zündfunkens und der vollständigen Flammenentwicklung ein Sekundenbruchteil vergeht, wird der Zündfunke je nach Motordrehzahl bei einem Kurbelwellenwinkel von bis zu 40° vor dem oberen Totpunkt erzeugt.
Dadurch wird sichergestellt, dass der nötige Verbrennungshöchstdruck von bis zu 60 bar kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts zur Verfügung steht. Die Verbrennung des Gemisches bei Temperaturen bis zu 2500 °C führt zu einer schlagartigen Expansion des Gemisches. Diese Expansion treibt den Kolben zum unteren Totpunkt. In diesem Schritt wird also mechanische Arbeit verrichtet, indem die vorliegende Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Ein- und Auslassventil bleiben im Arbeitstakt geschlossen.

4. Ausstoßen

Der vierte Takt beginnt mit dem Öffnen des Auslassventils (Aö) bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 40° bis 90° vor Erreichen des unteren Totpunkts. Das frühe Öffnen des Auslassventils begünstigt die Abgasausströmung und entlastet den Kurbeltrieb. Am Ende des Arbeitstakts bleibt ein Restdruck von bis zu 5 bar bestehen. Dadurch strömen die heißen Abgase nach dem Öffnen des Auslassventils mit Schallgeschwindigkeit aus dem Zylinder.
Durch die erneute Aufwärtsbewegung des Kolbens werden die verbliebenen Abgase aus dem Zylinder gedrückt. Um die Entleerung, Kühlung und die erneute Füllung des Verbrennungsraumes zu verbessern schließt das Auslassventil (As) erst kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts, während das Einlassventil bereits geöffnet wird. Es kommt also zu einer Überschneidung der Ventilzeiten.

Unterschiede zur Arbeitsweise des Dieselmotors

Die Arbeitsweise des Ottomotors ist der Arbeitsweise des Dieselmotors ähnlich. Dennoch gibt es einige wichtige Unterschiede.

Kraftstoff

Der naheliegendste Unterschied liegt natürlich im verwendeten Kraftstoff. Im Dieselmotor wird in der Regel Diesel verbrannt und im Ottomotor Benzin.

Zündung

Besonders wichtig ist die Art der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Während beim Dieselmotor von Kompressionszündung oder Selbstzündung gesprochen wird, weil das Gemisch sich durch die hohe Verdichtung und die dadurch erzeugte, hohe Temperatur selbst entzündet, wird beim Ottomotor die Zündung des Gemisches durch die Zündkerze als Fremdzündung bezeichnet.

Gemischbildung

Auch in der Gemischbildung gibt es Unterschiede. Während bei Dieselmotoren der Kraftstoff meist im Sinne einer inneren Gemischbildung bei einem sehr hohen Druck (teilweise über 2000 bar) in die schon verdichtete Luft im Zylinder eingespritzt wird, kann die Gemischbildung beim Ottomotor auch als äußere Gemischbildung außerhalb des Zylinders erfolgen. Generell sind beim Ottomotor wesentlich geringere Einspritzdrücke erforderlich (etwa 100 bar).

Verdichtung und Wirkungsgrad

Im Ottomotor wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch, im Vergleich zum Dieselmotor, meistens weniger stark verdichtet und damit entstehen im Zylinder auch geringere Drücke. Das führt letztendlich auch zu geringeren Ansprüchen an die Bauteile. Auch der Wirkungsgrad des Ottomotors ist geringer als beim Dieselmotor.

Arbeitsweise des Ottomotors Anwendung

Was passiert eigentlich im Motor, wenn du dein Auto startest und losfährst?

Bevor du das Auto anlässt steht der Motor natürlich still, das heißt die Kurbelwelle und die Kolben in den Zylindern bewegen sich nicht. Um den Verbrennungsvorgänge in Gang zu setzen und mit dem kontinuierlichen Durchlaufen des Arbeitsspiels zu beginnen muss zunächst die Kurbelwelle gedreht werden.

Diese Aufgabe übernimmt der Anlasser. Der Anlasser ist ein leistungsstarker Elektromotor, der beim Starten des Motors die Kurbelwelle antreibt, um das Arbeitsspiel des Ottomotors in Gang zu setzen. Die elektrische Energie dafür liefert die Starterbatterie, die auch als Autobatterie bekannt ist.
Beim Drehen der Kurbelwelle wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt und mit der ersten Zündung der reguläre Betrieb des Motors in Gang gesetzt.

Doch wie hängt die Motordrehzahl, die dir als Fahrer angezeigt wird zusammen mit dem Durchlaufen der Takte im Arbeitsspiel?

Die Drehzahl zeigt dir an wie oft sich die Kurbelwelle in einer Minute um sich selbst dreht. Da die Kurbelwelle sich in einem Arbeitsspiel zweimal um sich selbst dreht, werden das Arbeitsspiel und damit alle vier Takte in zwei Motorumdrehungen durchlaufen. Bei einer Motordrehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute werden alle vier Takte also in einer Minute 500 mal durchlaufen.

Um die Motordrehzahl zu regulieren wird die Menge der zugeführten Luft für die Gemischbildung bzw. des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches entsprechend der Gaspedalstellung über eine Drosselklappe gesteuert. Umso mehr Kraftstoff verwendet wird umso größer ist die mechanische Energie, die im Arbeitstakt dem Kolben und damit auch der Kurbelwelle durch die Verbrennung zugeführt wird. So hast du als Fahrer mit dem Gaspedal die Kontrolle über die Motordrehzahl.

Arbeitsweise des Ottomotors Zusammenfassung

• Ein Arbeitsspiel besteht aus vier Takten:
  1. Ansaugen: Der Kolben wird nach unten bewegt und durch den entstandenen Unterdruck das Kraftstoff-Luft-Gemisch über das offene Einlassventil in den Zylinder "gesaugt".
  2. Verdichten: Durch die fortlaufende Drehung der Kurbelwelle wird der Kolben aufwärts bewegt und bei geschlossenen Ventilen so das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet und anschließend durch die Zündkerze entzündet.
  3. Arbeiten: Bei der Verbrennung dehnt sich das Gas schlagartig aus und treibt den Kolben wieder nach unten. Über die Pleuelstange wird damit auch die Kurbelwelle angetrieben.
  4. Ausstoßen: Die fortlaufende Drehung der Kurbelwelle treibt den Kolben wieder nach oben. Über das geöffnete Auslassventil wird das verbrannte Gemisch dabei ausgestoßen.
• In jedem Takt wird der Kolben zwischen dem oberen und unteren Totpunkt bewegt.
• Die schlagartige Expansion des Kraftstoff-Luft-Gemisches treibt den Kolben zum unteren Totpunkt und damit über die Pleuelstange die Kurbelwelle an, es wird also chemische Energie über Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt.
• Pleuelstange und Kurbelwelle wandeln die lineare Bewegung des Kolbens in eine kreisförmige Bewegung.
• Die Rotation der Kurbelwelle wird über den Antriebsstrang auf die Räder übertragen und das Fahrzeug wird angetrieben.