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Grundwissen

Viertakt-Ottomotor

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die 4 Takte sind: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Auspuffen
  • Mehrere Zylinder eines Motors laufen versetzt. Ziel ist, dass immer ein Zylinder gerade im Arbeitstakt ist.
  • Der Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt im Idealfall bei \(\eta=35\,\%\\), meist jedoch deutlich darunter.
Aufgaben Aufgaben

Ottomotoren die nach dem sogenanntem Viertakt-Prinzip arbeiten, sind weit verbreitet. Nahezu jeder Verbrennungsmotor in einem Lkw, Pkw oder Motorrad funktioniert nach diesem Prinzip. Besonders anschaulich kann dieses Prinzip am häufig genutzten Hubkolbenmotor gezeigt werden.

Typischer Aufbau

Über das Einlassventil kann Brennstoff von oben in den Brennraum des Zylinders gelangen.

Daneben befindet sich, mit der Spitze im Brennraum, die Zündkerze (nur beim Bezinmotor nötig). Diese entzündet den Brennstoff im Brennraum.

Nach unten ist der Brennraum von einem Kolben (Zylinderkolben) luftdicht abgeschlossen. Der Kolben ist über die Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden. Jedoch liegt die Verbindung von Pleuelstange und Kurbelwelle nicht mittig auf der Drehachse der Kurbelwelle, sondern versetzt. Dies führt dazu, dass die Kurbelwelle gedreht wird, wenn der Kolben nach unten gedrückt wird bzw. die Kurbelwelle durch ihre Drehung den Zylinder nach oben drücken kann.

Über das Auslassventil können die Abgase aus dem Brennraum ausgestoßen werden.

Vier Takte

Abb. 2 Aufbau und Funktionsweise eines Viertakt-Ottomotors mit einem Zylinder. Quelle: Zephyris [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons; Spiegelung: Stefan Richtberg

Jede einzelne Hub- oder Senkbewegung des Kolbens wird als Takt bezeichnet. Im Viertakt-Ottomotor finden also vier solche Bewegungen statt, bevor die Prozesse sich wiederholen.

1.Ansaugtakt

Ansaugen des Benzin-Luftgemisches des Vergasers durch das Einlassventil bei geschlossenem Auslassventil. Der Kolben bewegt sich nach unten.

2.Verdichtungstakt

Der sich nach oben bewegende Kolben verdichtet bei geschlossenen Ventilen den Brennstoff und erwärmt ihn hierbei.

3.Arbeitstakt

Beide Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung wird das Benzin-Luft-Gemisch durch die Zündkerze gezündet. Durch die explosionsartige Verbrennung wird der Kolben nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet.

4.Auspufftakt

Das Auslassventil wird geöffnet und die verbrannten Abgase werden durch den sich nach oben bewegenden Kolben ausgestoßen.

Mehrere Zylinder

Abb. 3 Aufbau und Funktionsweise eines Viertakt-Ottomotors mit vier Zylindern. Quelle: MichaelFrey (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Ein nach dem Viertakt-Prinzip arbeitender Motor verrichtet nur in einem seiner vier Takte Arbeit. Im Arbeitstakt drückt der Kolben die Pleuelstange nach unten und beschleunigt so die Kurbelwelle. In der Regel möchte man jedoch möglichst gleichmäßig Arbeit verrichten. Daher verbindet man mehrere Zylinder, häufig vier Stück, miteinander und regelt diese so, dass sich immer genau ein Zylinder im Arbeitstakt befindet. Ein Zylinder sorgt daher immer für eine Kraft auf die Kurbelwelle, sodass mit ihrer Hilfe relativ gleichmäßig Arbeit verrichtet werden kann. In der folgenden Animation zünden nacheinander die Zylinder 1-2-4-3.

Wirkungsgrad

Der heute erreichte Wirkungsgrad von Ottomotoren liegt im Idealfall bei etwa \(\eta=35\,\%\). Unter Volllast bzw. bei höherer Drehzahl ist der Wirkungsgrad etwas niedriger. Im Stadtverkehr kann der effektive Wirkungsgrad jedoch auch schnell unter \(10\,\%\) fallen.

Geschichtliche Entwicklung

Als Erfinder des Viertakt-Prinzips gilt offiziell Nicolaus August OTTO. Er wurde am 14. Juni 1831 in Holzhausen an der Haide (Taunus) geboren und starb am 26. Januar 1891 in Köln. Aber auch Christian REITHMANN entwickelte unabhägig von OTTO das Viertakt-Prinzip. OTTO beschäftigte sich lange Jahre mit der Entwicklung und Optimierung von Verbrennungsmotoren:

  • 1862 begann OTTO erste Experimente mit Viertaktmotoren.
  • 1863 baute er seine erste Gaskraftmaschine.
  • 1864 gründete er zusammen mit Eugen LANGEN die Firma "N.A.Otto & Cie" - die erste Motorenfabrik der Welt.
  • Er entwickelte diesen Vorläufermotor weiter und gelangte bald zu einer verbesserten Version.
  • 1866 erhielten OTTO und Langen ein Preußisches Patent für diese atmosphärische Gasmaschine;
  • 1867 erhielt OTTO eine Goldmedaille auf der Pariser Weltausstellung.
  • 1872 entsteht die Gasmotoren-Fabrik Deutz AG
4-takt-otto_horizontal_gas_engine_new_catechism_of_the_steam_engine_1904.jpg Joachim Herz Stiftung
Horizontaler Gasmotor von Otto