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Der Ottomotor

Erstellt am: 23.03.2010 | Stand des Wissens: 21.01.2019
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel


Grundlagen der Funktionsweise des Ottomotors

Der nach Nicolaus August Otto (1832-1891) benannte Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit aktiver elektronischer Zündvorrichtung. Otto entwickelte ab 1862 den 1876 patentierten Ottomotor auf Basis des 1860 konzipierten Leuchtgasmotors von Lenoir.

Um die harten Verbrennungsstöße, die das Triebwerk stark belasteten, zu verhindern, wendete er zum ersten Mal das Viertakt-Arbeitsverfahren an, welches durch die Kompression des Gas-Luft-Gemisches zur Minderung des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Leistungssteigerung führte. Er ist die Urform aller heutigen Viertakt-Verbrennungsmotoren [GrRu07].

Der Ottomotor wird als Hubkolben- und Kreiskolbenmaschine gebaut. Das Triebwerk einer klassischen Hubkolbenmaschine besteht aus einem Kolben, der im Zylinder geführt wird, und einer Pleuelstange, die den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet. Die Pleuelstange leitet die Kraft an die Kurbelwelle weiter, welche als Aufgabe hat, die oszillierende Bewegung des Kolbens in rotierende Bewegung umzuwandeln.

Das Viertaktverfahren erstreckt sich über vier Hübe oder zwei Kurbelwellenumdrehungen. Dabei laufen folgende Vorgänge ab:

1. Takt: Ansaugen des Luft-Gas-Gemisches
Der Kolben bewegt sich bei offenem Einlass- und geschlossenem Auslassventil in Richtung der Kurbelwelle und saugt dabei das vom Vergaser kommende Luft-Gas-Gemisch an.

2. Takt: Verdichten
Der Kolben bewegt sich nun bei geschlossenen Ventilen von der Kurbelwelle weg und verdichtet dabei die Ladung. Bei diesem Prozess ist ein Druckanstieg auf ca. 16 bar und ein Temperaturanstieg auf ca. 450 °C zu beobachten.

3. Takt: Verbrennung
Bei geschlossenen Ventilen verbrennt der Treibstoff und breitet sich aus. Das sich ausbreitende Brenngas drückt den Kolben in Richtung Kurbelwelle.

4. Takt: Ausschieben
Die verbrauchte Ladung wird vom Kolben bei geöffnetem Auslassventil aus dem Zylinder hinausgeschoben

Abb1 Ottomotor_neu.jpgAbb. 1: Arbeitstakte eines Vier-Takt Ottomotors [Stuh06]
Nur beim dritten Takt wird vom Treibstoff Energie auf den Kolben übertragen. Die anderen Takte beziehen ihre Energie aus dem Trägheitsmoment der Kurbelwelle und der angekoppelten Last [Bass07].

Verbesserung der Umweltbilanz: der modifizierte Ottomotor

In modifizierter Form können Ottomotoren mit alternativen Treibstoffen wie Ethanol, Erdgas und Wasserstoff angetrieben werden.

Ethanol kann als Kraftstoff in unterschiedlicher Form eingesetzt werden, beispielsweise als

  • Reinalkohol mit 100 Volumenprozent Ethanol (sog. E100) in dafür ausgelegten Motoren,
  • Beimischung zu konventionellen Ottokraftstoffen in Höhe von 85 bis 95 Volumenprozent (E85 bzw. E95) in sogenannten Flexible Fuel Vehicles (FFV),
  • Beimischung zu herkömmlichen Ottokraftstoffen in Höhe von 10 Volumenprozent (E10) bei Ottomotoren,
  • Beimischung in möglichen weiteren Mischungsverhältnisse (E"x") mit entsprechenden Modifikationen,

E100 hat bislang nur in Brasilien Verbreitung gefunden, und aufgrund der damit verbundenen Nachteile (schlechtere Zündeigenschaft des Alkohols; Hygroskopie) ist weder in Deutschland noch international ein flächendeckender Einsatz zu erwarten. E85 gilt demgegenüber als die weltweit am weitesten verbreitete Anwendungsform. Insbesondere in Brasilien, den USA und Schweden kommt E85 als alternativer Kraftstoff flächenhaft zum Einsatz [HiGu09]. E10 wurde in Deutschland im Januar 2011 schrittweise gemäß der EU-Richtlinie 2009/28/EG eingeführt. Im Jahr 2016 lag der E10-Marktanteil bei 12.6 Prozent und markiert damit eine leicht rückläufige Entwicklung. In einigen anderen Ländern ist die Skepsis weniger ausgeprägt. Beispielsweise lag der Marktanteil von E10 im Jahr 2012 in Frankreich bei 28,5 Prozent [RP13] und in Finnland sogar bei 55 Prozent [FPF13].

Erdgasfahrzeuge werden von leicht modifizierten Ottomotoren angetrieben. Es werden sowohl monovalente als auch bivalente Motoren gebaut. In monovalenten Motoren wird ausschließlich Erdgas verbrannt, wohingegen bivalente Motoren neben Erdgas auch mit Benzin betrieben werden können. Um ähnliche Motorleistungen wie bei Benzinmotoren zu erzielen, wird das Gas-Luft-Gemisch höher verdichtet, was aufgrund der höheren Oktanzahl möglich ist [Gerl02]. Die Speicherung von Erdgas erfolgt in Drucktanks, welche durch ihre Baugröße den Nutzraum der Fahrzeuge einschränken.

Mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotoren sind Ottomotoren mit diversen Modifikationen. Da ein Wasserstoff-Luftgemisch (sehr) leicht entzündlich ist, müssen spezielle Einblasventile verbaut werden, die eine Rückzündung außerhalb der Brennkammer verhindern. Außerdem müssen die Zylinder stärker gekühlt werden, damit heißere Zylinderwände keine zu frühe Zündung verursachen [EiSc09]. Auch darf die Verdichtung nicht zu hoch sein, weil der Motor sonst wegen der deutlich niedrigeren Oktanzahl klopfen würde.

Wasserstoff hat schlechtere Schmiereigenschaften als Benzin, weshalb bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf verschleißfestere Materialien gelegt wird [EiSc09]. Wasserstoff kann sowohl gasförmig als auch flüssig (-253 °C) getankt und gespeichert werden. Mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotoren sind nicht mit Brennstoffzellenfahrzeugen zu verwechseln (siehe Unterkarte Elektroantriebe).
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Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[Bass07] van Basshuysen, Richard Ottomotor mit Direkteinspritzung , Vieweg, 2007
[DWV03] Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband Möglichkeiten der Wasserstoffbereitstellung und das Tankstellennetz der Zukunft, 2003
[EiSc09] Eifler, Wolfgang, Schlücker, Eberhard, Spicher, Ulrich, Will, Gotthard Küttner Kolbenmaschinen: Kolbenpumpen, Kolbenverdichter, Brennkraftmaschinen, 2009, ISBN/ISSN 978-3-8348-9302-4
[FPF13] Finnish Petroleum Federation E10 petrol gained a 55 per cent market share in 2012 , 2013/02/11
[Gerl02] Gerl, Bernhard Innovative Automobilantriebe, Konzepte auf der Basis von Brennstoffzellen, Traktionsbatterien und alternativen Kraftstoffen, 2002
[GrRu07] Grohe, Heinz , Russ, Gerald Otto- und Dieselmotor, 2007
[HiGu09] A. Hira, L. Guilherme de Oliveira No substitute for oil? How Brazil developed its ethanol industry., veröffentlicht in Energy Policy, Ausgabe/Auflage 37 (6), 2009
[RP13] rp online Franzosen tanken immer mehr Super E10 , 2013/01/29
[Stuh06] Prof. F. Stuhlpfaffer Motor Treibstoffe, 2006
Glossar
Oktanzahl Die Oktanzahl ist ein Maß für den Widerstand gegen die Selbstentzündung (Klopffestigkeit) von Ottokraftstoffen. Eine hohe Oktanzahl bedeutet eine geringe Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
Hygroskopie Hygroskopie bezeichnet die Eigenschaft von Stoffen, Feuchtigkeit aus der Umgebung an sich zu binden.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
FFV Ein Flexible Fuel Vehicle (FFV) ist ein Fahrzeug, das sowohl mit reinem Benzin, als auch mit verschiedenen ähnlichen Kraftstoffen, wie beispielsweise Ethanol-, Bioethanol- oder Methanol-Benzin-Gemischen, betrieben werden kann. Das FFV besitzt eine auf den Kraftstoff ausgelegte Einspritzanlage mit zusätzlicher Sensorik zur Erkennung der verwendeten Kraftstoffmischung, als auch Modifikationen am Motor (z. B. Ventile), die dem Verbrennungsverhalten des Ethanols Rechnung tragen. Die Umrüstung vorhandener Fahrzeuge auf Ethanol (E85) ist ebenfalls möglich (Handelsnamen: Flex Tek, Flex Tune, Full Flex Gold, Totalflex, Fuelcatcommander, Fuelcatmanger oder Motromax). Fahrzeuge, die als FFV erhältlich sind: Ford Focus FFV und Ford C-MAX FFV, Saab FFV, Volvo S40, V50 und C30.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?298679

Gedruckt am Montag, 21. September 2020 21:31:15