V I E R T A K T
O T T O M O T O R

Grundlagen


V 1.0d (21.08.1998)

(1) N. A. Otto

N. A. Otto
Bild 1: Nicolaus August Otto
Der Erfinder (? vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Nikolaus_Otto ) des Viertakt - Prinzips Nicolaus August Otto (Bild 1) wurde am 10. Juni 1831 in Holzhausen an der Haide (Taunus) geboren.
Bereits 1862 begann er erste Experimente mit Viertaktmotoren. 1863 baute er seine erste Gaskraftmaschine. Nachdem er 1864 zusammen mit Eugen Langen die Firma "N.A.Otto & Cie" gründete, entwickelte er diesen Vorläufermotor weiter und gelangte bald zu einer verbesserten Version (Bild 2). 1866 erhielten Otto und Langen ein Preußisches Patent für diese atmosphärische Gasmaschine; 1867 eine Goldmedaille auf der Pariser Weltausstellung. Bild 3 zeigt eine Version des Viertakt-Otto-Versuchsmotors um 1875/76. Am 9. Mai 1876 nahm Otto an seinem Versuchsmotor ein Arbeitsdiagramm auf (Bild 4), das weitestgehend dem heutigen entspricht.
Otto starb am 26. Januar 1891 in Köln.
1866/1867
Bild 2: atmosphärische Gasmaschine um 1866/67
Versuchsmotor von 1876
Bild 3: Versuchsmotor von 1876
Arbeitsdiagramm vom 9. Mai 1876
Bild 4: Arbeitsdiagramm vom 9. Mai 1876

(2) Prinzipieller Aufbau eines Viertakt Ottomotors

Aus der nebenstehenden Abbildung ist der prinzipielle Aufbau eines Viertakt-Ottomotors ersichtlich. Die hauptsächlichen Teile sind Einlassventil (EV), Auslassventil (AV), Kolben (K), Verbrennungsraum (VR), Pleuelstange (P), Kurbelwelle (KW) und Zündkerze (Z).
Bild 5: prinzipieller Aufbau

(3) Arbeitsweise - Einführung

Ein Viertakt Ottomotor führt während seines Arbeitsspiels 4 Takte aus - Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausschieben. Im ersten Takt (Ansaugen) ist das Einlassventil geöffnet und der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle. Durch den im Verbrennungsraum herrschenden Unterdruck wird ein Luft-Kraftstoffgemisch angesogen und füllt zum Ende des Taktes den Verbrennungsraum ganz aus. Das Einlassventil schließt sich und der Kolben bewegt sich von der Kurbelwelle weg (Takt 2: Verdichten). Dabei wird das Luft-Kraftstoffgemisch stark verdichtet. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes (OT) wird das Gemisch durch einen Funken an der Zündkerze gezündet (Zündzeitpunkt). Temperatur und Druck im Verbrennungsraum steigen sprunghaft an. Durch den hohen Druck wird der Kolben wieder in Richtung Kurbelwelle gepresst (Takt 3: Arbeiten). Am unteren Totpunkt (UT) öffnet das Auslassventil und die Verbrennungsgase werden aus dem Verbrennungsraum ausgeschoben (Takt 4: Ausschieben). Insgesamt hat sich die Kurbelwelle nach den 4 Takten um 720° gedreht (2 vollständige Umdrehungen).

(4) Arbeitsweise - Die Takte

Die Menge aller möglichen Zustandspunkte einer Wärmekraftmaschine lässt sich in einem p-V-Zustandsdiagramm darstellen. Das entsprechende Diagramm für einen idealisierten Viertakt-Ottomotor ist in Bild 6 dargestellt.
Die nebenstehende Abbildung sowie die nachfolgenden Abbildungen des Arbeitszustandes eines Viertakt Ottomotors und des zugehörigen p-V-Zustandsdiagramms entstammen der Online-Animation zum Ottomotor. Der einzelne Punkt im p-V-Zustandsdiagramm bezeichnet den aktuellen Zustand. Die Farbe des Verbrennungsraumes symbolisiert die dort herrschenden Temperatur (blau: kalt; rot: heiß). p-V-Zustandsdiagramm
Bild 6: p-V-Zustandsdiagramm

1. Takt: Ansaugen

Takt 1: Ansaugen
Bild 7: Ansaugen
Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle. Das Einlassventil ist geöffnet. Der Druck des im Zylinder befindlichen Restgases vermindert sich anfangs, da das Produkt aus p*V nahezu konstant ist. Das Luft-Kraftstoffgemisch wird durch den gebildeten Unterdruck angesaugt.

2. Takt: Verdichten

Takt 2: Verdichten
Bild 8: Verdichten
Das Einlassventil wird geschlossen und der Kolben bewegt sich in Richtung OT. Da sich dabei das Volumen vermindert, steigt der Druck des Gemisches an. Die zum Verdichten notwendige Arbeit erhöht die innere Energie des Gemisches - die Temperatur steigt. Da die Verdichtung sehr schnell erfolgt, wird nur ein geringer Teil der Wärme an die Umgebung abgegeben.

Takt2: Zuenden
Bild 9: Zünden
Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird das Gemisch durch einen Funken an der Zündkerze gezündet (Zündzeitpunkt: ZZ). Das Gemisch verbrennt und setzt dabei Wärme frei. Diese Wärmemenge erhöht die innere Energie des Gemisches und damit die Temperatur. Die Temperatur steigt sprunghaft an. Da die Verbrennung in sehr kurzer Zeit erfolgt, verändert sich das Volumen dabei kaum (V=konstant). Für V=konst. gilt aber p1/p2 = T1/T2 - der Druck im Verbrennungsraum steigt sprunghaft an. Die auf den Kolben wirkende große Kraft (F= p * A) treibt den Kolben wieder in Richtung Kurbelwelle (Übergang zum 3.Takt).

3. Takt: Arbeiten

Takt 3: Arbeitstakt
Bild 10: Arbeiten
Der Kolben bewegt sich bei geschlossenen Ventilen in Richtung Kurbelwelle. Das Volumen vergrößert sich und der Druck nimmt ab. Die sich ausdehnenden Gase verrichten eine Arbeit. Da keine neue Wärmemenge hinzukommt, vermindert sich die innere Energie und die Temperatur nimmt ab.

4. Takt: Ausschieben

Takt 4: Ausschieben
Bild 11: Ausschieben
Bei Erreichen des unteren Totpunktes (UT) öffnet das Auslassventil. Der Kolben bewegt sich in Richtung oberer Totpunkt (OT). Durch das Öffnen des Auslassventils sinkt der Druck auf einen Wert nahe dem äußeren Luftdruck.
Am Ende des 4. Taktes schließt sich das Auslassventil und das Einlassventil öffnet sich. Ein neuer Zyklus beginnt!

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© 1998 Ralf Moros Onlinesimulation : http://techni.chemie.uni-leipzig.de/otto/index.html

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