Aufbau & Merkmale des Ottomotors

Der Ottomotor gehört zu den bedeutendsten Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge und viele weitere Maschinen.

Aber aus welchen Bauteilen besteht ein Ottomotor? In welchem Zusammenhang stehen die einzelnen Komponenten und wofür werden sie gebraucht?

simpleclub erklärt dir den Aufbau und die wichtigsten Merkmale des Ottomotors!

Aufbau & Merkmale des Ottomotors einfach erklärt

Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor. Durch eine innere Verbrennung des Kraftstoffs (Benzin) wird die enthaltene chemische Energie zunächst in Wärmeenergie und letztendlich über einen Kolben in mechanische Arbeit umgewandelt. Diese mechanische Arbeit kann genutzt werden, um beispielsweise ein Kraftfahrzeug anzutreiben.

Wie du dir vorstellen kannst, werden dafür im Ottomotor einige Bauteile benötigt. Auch wenn es verschiedene Bauarten von Ottomotoren gibt, lassen sich die Bauteile im Wesentlichen vier Baugruppen zuordnen. Neben diesen Baugruppen gibt es zusätzliche Hilfseinrichtungen, die für den Betrieb des Ottomotors eine wichtige Rolle spielen.

Die erste Baugruppe ist das Motorgehäuse. Ihr werden alle Bauteile zugeordnet, die die inneren Bauteile umschließen und vor der Umgebung schützen. Du kannst sie dir wie eine Hülle für die inneren Bauteile vorstellen. Häufig bieten die Bauteile des Motorgehäuses auch Befestigungspunkte für andere Bauteile. Zum Motorgehäuse gehören Bauteile wie das Kurbelgehäuse, der Zylinder und der Zylinderkopf.

Die zweite Baugruppe ist der Kurbeltrieb. Zu ihm gehören die Bauteile, die die mechanische Arbeit übertragen, wie beispielsweise der Kolben, die Pleuelstange und die Kurbelwelle.

Die Motorsteuerung ist die dritte Baugruppe. Wie der Name schon sagt gehören zu ihr die Bauteile, die für die Steuerung des Motors zuständig sind. Beispielsweise gehören dazu die Bauteile, die dafür sorgen, dass sich die Ventile im Motor zum richtigen Zeitpunkt öffnen. Zum Beispiel die Nockenwellen, die Steuerkette oder die Ventile selbst.

Zur letzten Baugruppe, der Gemischbildungsanlage, gehören die Bauteile die bestimmen, wann und wie das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches im Betrieb verbrannt wird, gebildet wird. Beispielsweise gehören hierzu die Drosselklappe, die Einspritzventile, aber auch die Lambdasonde.

Als Beispiele für zusätzliche Hilfseinrichtungen kannst du dir die Zündanlage, die Motorschmierung und die Motorkühlung merken. Besonderes Merkmal des Ottomotors ist hier die Fremdzündung über eine Zündkerze.

Aufbau & Merkmale des Ottomotors Definition

Aufbau & Merkmale des Ottomotors Baugruppen und Bauteile

Der Ottomotor ist eine komplexe Wärmekraftmaschine, die über die Verbrennung von Kraftstoff chemische Energie über Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandelt. An dieser Umwandlung sind eine Reihe von Bauteilen und zusätzliche Hilfseinrichtungen beteiligt, deren Zusammenspiel die Funktion des Ottomotors ermöglicht.

Um den Aufbau des Ottomotors zu beschreiben, werden die meisten Bauteile vier Baugruppen zugeordnet: Motorgehäuse, Kurbeltrieb, Motorsteuerung und Gemischbildungsanlage.

Motorgehäuse

Der Baugruppe Motorgehäuse werden alle Gehäuse oder Gehäuseteile zugeordnet. Ein Gehäuse umschließt andere Bauteile, um diese zu schützen oder von der Umgebung zu trennen. In der Regel stellen Gehäuse massive Hüllen für innenliegende Komponenten dar.

Die wichtigsten Bauteile des Motorgehäuses im Ottomotor sind die Zylinderkopfhaube, der Zylinderkopf, der Zylinder, das Kurbelgehäuse und die Ölwanne.

Zusammengebaut umschließen sie alle inneren, beweglichen und unbeweglichen Bauteile. Gleichzeitig begrenzen sie die Bewegungsfreiheit von beweglichen Bauteilen und bieten Befestigungspunkte für einen Großteil der Bauteile.

Zylinderkopfhaube

• Die Zylinderkopfhaube stellt den oberen schließt das obere Ende des Zylinderkopfs und dichtet diesen ab.
• Sie bildet das obere Ende des Motorgehäuses.
• In der Regel wird die Zylinderkopfhaube mit einer Dichtung auf dem Zylinderkopf verschraubt.
• Teilweise wird die Zylinderkopfhaube auch als Zylinderkopfdeckel oder Ventildeckel bezeichnet.

Zylinderkopf

• Der Zylinderkopf stellt den Abschluss des Brennraums in den Zylindern dar und dichtet diesen nach oben ab.

• Im Zylinderkopf befinden sich Ein- und Auslasskanälen für die Führung von Luft bzw. Luft-Kraftstoff-Gemisch in und Abgas aus dem Zylinder.

• Im Zylinderkopf werden Ein- und Auslassventil, die Zündkerze und bei Motoren mit oben liegender Nockenwelle auch die Ein- und Auslassnockenwelle sowie beispielsweise ein Rollenschwinghebel und bei Direkteinspritzung auch das Einspritzventil untergebracht.

Hinweis: Nach oben meint dabei immer die Richtung, in die sich der Kolben bewegt, wenn dieser das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder verdichtet, auch wenn die Zylinder beispielsweise liegend angeordnet sind.

Zylinder

• Die Zylinder im Ottomotor führen die Kolben in ihrer Hubbewegung.
• Zusammen mit dem Kolben definieren sie den Brennraum, in dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet und verbrannt wird.

Kurbelgehäuse

• Meist ist das Kurbelgehäuse ein Gussteil, welches sowohl die Kurbelwellenlagerung als auch die Zylinder in sich vereint.

• Die Hauptaufgaben des Kurbelgehäuses liegen, neben der Lagerung der oben genannten Wellen, in der Kühlung des Motors durch günstige Wärmeübertragung und der Aufnahme der Kräfte im Motor.

• Außerdem bietet das Kurbelwellengehäuse häufig Befestigungspunkte für weitere Bauteile, wie beispielsweise den Klopfsensor.

• Den oberen Abschluss des Kurbelgehäuses stellt der Zylinderkopf dar und den unteren Abschluss eine Ölwanne.

• Je nach Definition wird das Kurbelwellengehäuse auch als Motorblock bezeichnet.

Hinweis: Bei unten liegender Nockenwelle wird auch diese im Kurbelwellengehäuse gelagert.

Ölwanne

• Die Ölwanne stellt den unteren Abschluss des Kurbelgehäuses und damit auch des Motorgehäuses dar.

• In ihr befindet sich das zur Motorschmierung und Kühlung benötigte Motoröl.

• Eine Ölpumpe befördert dieses Motoröl durch einen Ölfilter in dafür vorgesehene Ölkanäle im Motorgehäuse an die zu schmierenden Stellen und kann anschließend in die Ölwanne zurücklaufen.

• Die Ölwanne dient dabei nicht nur als Ölreservoir, sondern auch zur Kühlung und Entschäumung des Öls.

• Die Kühlung wird häufig durch Kühlrippen in der Ölwanne begünstigt.

• Eine Entschäumung ist wichtig, da ein Lufteintrag, also Luftbläschen im Öl sich negativ auf die Schmierung auswirken.

Besonders wichtig ist, dass die Ölwanne dicht ist und Öl nur auslaufen kann, wenn die Ölablassschraube für einen Ölwechsel geöffnet wird. Zum einen wird so sichergestellt, dass ausreichend Motoröl für die Motorschmierung vorhanden ist und zum anderen werden so potenzielle Umweltschäden verhindert.

Kurbeltrieb

Der Baugruppe Kurbeltrieb werden die Bauteile zugeordnet, welche die translatorische Hubbewegung des Kolbens in eine rotatorische Drehbewegung umwandeln bzw. Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln.

Dazu gehören die Kurbelwelle, die Pleuelstange, der Kolbenbolzen, ein Schwungrad oder ein Aufnahmeflansch dafür und der Kolben selbst.

Kolben

• Die Hauptaufgabe des Kolbens liegt in der Umwandlung der bei der Verbrennung frei werdenden Energie in mechanische Arbeit.

• Der Kolben läuft im Zylinder auf und ab. Durch die schlagartige Verbrennung nach der Zündung wird der Kolben nach unten getrieben.

• Über den Kolbenbolzen und die Pleuelstange wird die resultierende mechanische Arbeit als Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragen.

Kolbenbolzen

Der Kolbenbolzen ist das Verbindungsglied zwischen Kolben und Pleuelstange. Er überträgt die auf den Kolben wirkenden Kräfte auf die Pleuelstange.

Pleuelstange

• Die Pleuelstange verbindet Kolben und Kurbelwelle und übernimmt dabei maßgeblich die Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in die kreisförmige Bewegung der Kurbelwelle.

• Die Pleuelstange wird sowohl am Kolben als auch an der Kurbelwelle beweglich gelagert.

• Um die Umwandlung der Bewegungen zu ermöglichen, wird die Verbindung mit der Kurbelwelle exzentrisch zu ihrer Drehachse realisiert.

Kurbelwelle

• Die Kurbelwelle nimmt die über die Pleuelstange übertragenen Kolbenkräfte auf und wandelt sie über den durch die exzentrische Pleuellagerung gegebenen Hebelarm in eine Drehbewegung um.

• Die resultierende Drehung der Kurbelwelle wird über den Antriebsstrang auf die Räder eines Kraftfahrzeugs übertragen.

Aufnahmeflansch Schwungrad

• Das Schwungrad (auch Schwungscheibe) stellt die Gleichförmigkeit der Drehbewegung sicher und reduziert ungewünschte Schwingungen.

• Da der Kolben die Kurbelwelle nicht kontinuierlich antreibt, sondern stoßweise beschleunigt und abbremst, entstehen Drehungleichförmigkeiten, welche durch das Schwungrad ausgeglichen werden.

• Außerdem stellt das Schwungrad mit seiner Massenträgheit sicher, dass Leertakte, also Kolbenhübe ohne Zündung und überwunden werden.

• Meist dient das Schwungrad als Kupplungsträger, also ein Teil der Kupllung selbst und ist daher mit einem Aufnahmeflansch versehen.

Motorsteuerung

Die Baugruppe Motorsteuerung umfasst die Bauteile, die Abläufe im Motor und vor allem die Ventile steuern. Dazu gehören alle Ventile, Ventilfedern und Rollenschwinghebel, sowie die Nockenwellen, Nockenwellenversteller und je nach Ausführung die Steuerkette oder der Zahnriemen.

Nockenwellen

• Die Einlassnockenwelle ist für das Öffnen und Schließen des Einlassventils zum richtigen Zeitpunkt zuständig, während die Auslassnockenwelle gleichermaßen für das Auslassventil zuständig ist.

• Mit einer Übersetzung von 2:1 werden beide Nockenwellen über eine Steuerkette oder einen Zahnriemen von der Kurbelwelle angetrieben.

• Die Nocken der Nockenwelle drücken über den Rollenschwinghebel auf das jeweilige Ventil und öffnen diese.

• Anschließend sorgt die Spannung der Ventilfedern dafür, dass die Ventile wieder geschlossen werden und geschlossen bleiben, bis diese erneut über die Nocken geöffnet werden.

Einlassventil und Auslassventil

• Das Einlassventil dichtet den Ansaugkanal zum Zylinder ab um ein Einströmen von Luft zu verhindern, bis das Ventil zum richtigen Zeitpunkt von der Einlassnockenwelle geöffnet wird.

• Genauso dichtet das Auslassventil die Auslasskanäle zum Zylinder ab, bis die Auslassnockenwelle das Ventil öffnet, um das Ausströmen der Abgase zu ermöglichen.

Nockenversteller

• Der Nockenversteller ermöglicht eine variable, last- und drehzahlabhängige Ventilsteuerung, indem dieser, beispielsweise über eine Verschiebung der Nockenwelle oder eine Verlängerung des Ventilhubes, die Dauer der Ventilüberschneidung anpasst.

• Diese gezielte Verstellung erlaubt eine Effizientsteigerung des Motors, da eine verlängerte Ventilüberschneidung bei hohen Drehzahlen die Leistung steigert.

Hinweis: Eine Ventilüberschneidung meint eine Überschneidung der Öffnungszeiten von Einlassventil und Auslassventil.

Klopfsensor

• Der Klopfsensor ist ein Körperschallsensor und erkennt ein Klopfen in einzelnen Zylindern, also eine unkontrollierte Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
• Bei Detektion von Klopfgeräuschen können die Zündzeitpunkte verstellt werden, um das Klopfen zu verhindern.

Gemischbildungsanlage

Die Baugruppe Gemischbildungsanlage umfasst Bauteile, die an der Gemischbildung, also der Bildung des zu verbrennenden Kraftstoff-Luft-Gemisches beteiltigt sind.

Dazu gehören neben der Drosselklappe das Ansaugmodul, mit Ansaugkanal, Drosselklappe und Ansauglufttemperatursensor, aber auch die Einspritzventile und die Lambdasonde.

Ansaugmodul

• Im Ansaugmodul wird Luft über den Ansaugkanal in den Zylinder geleitet.

• Die Luftmenge, welche über das Ansaugmodul dem Zylinder zugeführt wird, kann über die Drosselklappe gesteuert und dadurch die Drehzahl und Leistungsabgabe des Motors reguliert werden.

• Die Regulation des Kraftstoff-Luft-Gemisches entsprechend der Stellung der Drosselklappe (auch Lastzustand) wird Quantitätsregelung genannt.

• Dabei wird die Temperatur vom Ansauglufttemperaturfühler überwacht um gegebenenfalls die Gemischbildung und den Zündzeitpunkt an die vorliegenden Temperatur anzupassen.

Einspritzventil

• Das Einspritzventil ist für das Einspritzen einer gezielten Kraftstoffmenge verantwortlich.

Hinweis: Je nach Art der Gemischbildung wird der Kraftstoff im Ansaugtrakt (bei äußerer Gemischbildung) oder als Direkteinspritzung in den Verbrennungsraum im Zylinder eingespritzt (bei innerer Gemischbildung).

Lambdasonde

• Die Lambdasonde überwacht die Gemischzusammensetzung anhand des Restsauerstoffgehalts der abgeführten Abgase.

• Anhand der Messwerte der Lambdasonde wird die eingespritze Kraftstoffmenge angepasst.

Anhand dieser Regulation wird die Gemischzusammensetzung optimiert, um eine effektive Abgasreinigung im Katalysator zu gewährleisten.

Zusätzliche Hilfseinrichtungen

Neben den vier Baugruppen werden außerdem zusätzliche Hilfseinrichtungen im Ottomotor verwendet, um dessen Effizienz zu steigern oder dessen Funktion zu gewährleisten.

Dazu zählen beispielsweise das Zündmodul und die Zündkerze, aber auch, je nach Bauart, ein Abgasturbolader.

Zündmodul und Zündkerze

• Das Zündmodul ist zusammen mit der Zündkerze für die Erzeugung des Zündfunkens zum richtigen Zeitpunkt verantwortlich.

• Zum einen wird im Zündmodul die Bordspannung im Kraftfahrzeug auf die für den Zündfunken erforderliche Hochspannung transformiert und zum anderen über einen Transistor gesteuert an die Elektroden der Zündkerze angelegt.

• Die anliegende Spannung ist dabei so hoch, dass diese den Luftspalt zwischen den Elektroden der Zündkerze überwinden kann und dabei einen Zündfunken erzeugt, welcher im Ottomotor das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet.

• Die Verbrennung im Ottomotor wird Gleichraum-Verbrennung genannt, da die schlagartige Verbrennung in einem nahezu gleichbleibenden Raum stattfindet.

Abgasturbolader

Der Abgasturbolader ist ein Bauteil, dass die Luft verdichtet, die dem Zylinder zugeführt wird. Durch eine solche Aufladung kann die Leistung und Effizienz des Motors gesteigert werden.

• Der Abgasturbolader besteht aus zwei Seiten, die Turbinenseite und dich Verdichterseite.
• Auf der Turbinenseite wird eine Abgasturbine von den aus dem Motor strömenden Abgasen angetrieben.
• Die Turbine treibt wiederum den Verdichter an, welcher dann die Luft verdichtet, die dem Zylinder zugeführt wird.

Dadurch wird die Ansaugarbeit der Kolben vermindert und ein hoher Sauerstoffgehalt der zugeführten Luft gewährleistet.

Aufbau & Merkmale des Ottomotors Zylinderanordnung

Der Aufbau und die Merkmale zweier Ottomotoren können markante Unterschiede aufweisen. Besonders wichtig ist dabei die Anordnung der Zylinder.

Im Motor kann eine Vielzahl von Zylindern unterschiedlich angeordnet und positioniert werden. Jede Anordnung kann, auch abhängig von der Zylinderzahl verschiedene Vor- und Nachteile mit sich bringen.

Die häufigsten Zylinderanordnungen sind Reihenmotoren, V-Motoren und Boxermotoren.

Reihenmotor

Bei Reihenmotoren werden alle Zylinder in einer Reihe hintereinander angeordnet. Diese einfache Anordnung ist kostengünstig zu produzieren und erfordert in der Breite nur einen geringen Bauraum

In der Länge hingegen steigt der Bauraumbedarf, je mehr Zylinder ein Motor hat, was einen Längseinbau bei mehr als vier Zylindern erschwert.

Boxermotor

Bei Boxermotoren werden die Zylinder liegend so angeordnet, dass diese sich gegenüberstehen.

Dieser Anordnung ermöglicht durch die gegenläufige Bewegung der Zylinder einen gleichmäßigen, ruhigen Lauf, da die Trägheitskräfte sich zu großen Teilen ausgleichen.

Im Vergleich zum Reihenmotor wird dadurch auch die mechanische Beanspruchung sowie die rotierenden Massen (durch eine kürzere Kurbelwelle) verringert.

Um die positiven Effekte zu erhalten, muss in dieser Bauweise allerdings eine gerade Zylinderzahl vorliegen. Außerdem schließt der Bauraumbedarf meist ein Quereinbau aus.

V-Motor

Bei V-Motoren werden mehrere Zylinder auf zwei Zylinderbänke aufgeteilt, die in einem spezifischen Winkel zueinander stehen. Dieser Winkel wird Bankwinkel genannt.

Diese Bauweise ermöglicht eine geringe Baulänge, da in dieser Zylinderanordnung die kurbelwellenseitige Pleuellagerung zweier Zylinder an der gleichen Stelle (an einem einzigen Kurbelwellenzapfen) erfolgen kann.

Die V-Anordnung erfordert allerdings auch eine komplexeres Kurbelgehäuse im Vergleich zum Reihenmotor. Außerdem müssen Bauteile wie der Zylinderkopf und teilweise die Nockenwellen in doppelter Ausführung verbaut werden.

VR-Motor

Der VR-Motor stellt eine Abwandlung des Reihenmotors dar. Die Zylinder werden hintereinander angeordnet und die Pleuelstange jedes Kolbens wird separat an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle gelagert. Dabei werden die Zylinder aber mit einem sehr geringen Bankwinkel von etwa 15 Grad zueinander angeordnet.

Diese Bauweise kann als ein Kompromiss zwischen Reihenmotor und V-Motor betrachtet werden. Es ist wie beim Reihenmotor ein geringer Bauraumbedarf in der Breite mit einem einzigen Zylinderkopf möglich, gleichzeitig aber auch ein verkürzter Bauraumbedarf in der Länge wie beim V-Motor realisierbar.

Um eine Überschneidung der Zylinder am unteren Ende zu vermeiden, welche durch den geringen Bankwinkel erforderlich wäre, liegt in dieser Bauweise eine Schränkung vor. Die Zylinderbänke werden paralle nach außen versetzt.

Der Kompromiss zwischen Reihenmotor und V-Motor hat allerdings ungleich lange Ansaug- und Abgaswege zur Folge und führt zu weiteren Herausforderungen in der Fertigung.

Aufbau & Merkmale des Ottomotors Anwendung

• Reihenmotoren werden mit unterschiedlichen Zylinderanzahlen sowohl in Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Motorrädern eingesetzt und sind aufgrund der einfachen Bauweise die am häufigsten verwendete Zylinderanordnung.

• Boxermotoren werden, immer mit gerader Zylinderanzahl, in Pkw, Lkw und Motorrädern eingesetzt, finden aber auch in Flugzeugen, im Motorsport und als Industriemotoren Anwendung.

• V-Motoren finden in vielen Bereichen Anwendung, vor allem bei hohen, meist geraden Zylinderanzahlen und begrenztem Bauraum. Im Automobilbereich werden vor allem Motoren mit sechs, acht oder zwölf Zylindern als V-Motor realisiert.

• VR-Motoren werden wie V-Motoren in vielen Bereichen eingesetzt, meist in Anwendungen mit stark begrenztem Bauraum.

Aufbau & Merkmale des Ottomotors Zusammenfassung

Der Aufbau eines Ottomotor besteht maßgeblich aus den vier Baugruppen Motorgehäuse, Kurbeltrieb, Motorsteuerung und Gemischbildungsanlage, sowie aus zusätzlichen Hilfseinrichtungen.

• Zum Motorgehäuse gehören alle Gehäuse und Gehäusedeckel, zum Beispiel Zylinderkopfhaube, Zylinderkopf und Kurbelgehäuse.

• Zum Kurbeltrieb gehören die Bauteile, die für die Umwandlung der bei der Verbrennung frei werdenden Energie in mechanische Arbeit zuständig sind, zum Beispiel Kolben, Pleuelstange und Kurbelwelle.

• Zur Motorsteuerung gehören Bauteile, die für Steuerung von Zünd- und Ventilzeiten zuständig sind, wie beispielsweise die Nockenwellen, Ventile und Nockenversteller.

• Zur Gemischbildungsanlage gehören Bauteile, die für die Bildung des Gemisches und Führung von Luft beziehungsweise Kraftstoff-Luft-Gemisch zuständig sind, wie zum Beispiel das Ansaugmodul, Einspritzanlage und Lambdasonde.

• Zu den zusätzlichen Hilfseinrichtungen gehören alle weiteren Systeme, die für den Betrieb des Ottomotors wichtig sind oder die Effizient steigern, wie beispielsweise Zündmodul, Zündkerze oder ein Abgasturbolader.

Der Ottomotor hat einige wichtige Merkmale, die diesen von anderen Verbrennungsmotoren unterscheiden.

• Im Ottomotor wird Benzin, seltener auch Gas verbrannt.

• Es sind sowohl innere als auch äußere Gemischbildung möglich.

• Die Zündung erfolgt als Fremdzündung über eine Zündkerze.

• Die Verbrennung erfolgt schlagartig als Gleichraum-Verbrennung bei nahezu gleichbleibendem Raum.

• Die Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird als Quantitätsregelung über eine Drosselklappe reguliert.

• Die Laststeuerung erfolgt über die Anpassung der zugeführten Kraftstoffmenge und der zugeführten Luftmenge.

Die Anordnung der Zylinder im Ottomotor kann auf viele verschiedene Arten realisiert werden. Zu den häufigsten Zylinderanordnungen gehören der Reihenmotor, Boxermotor, V-Motor und VR-Motor.

• Im Reihenmotor werden die Zylinder hintereinander angeordnet und separat mit der Kurbelwelle über eine Pleuelstange verbunden.

• Im Boxermotor werden die Zylinder liegend, gegenüber von einander angeordnet, was einen ruhigen Lauf ermöglicht.

• Im V-Motor werden die Zylinder in zwei Zylinderbänken mit einem Bankwinkel zueinander angeordnet, was eine geringe Motorlänge erlaubt.

• Der VR-Motor ist ein Kompromiss aus Reihenmotor und V-Motor und vereint deren Vorteile, bringt aber auch neue Nachteile mit sich.