Ottomotor

Lexikon

Der Ottomotor

15 Jan , 2016  

Star Wars. Die siebte Folge – „Das Erwachen der Macht“ – hat Millionen Besucher fasziniert. Vielleicht halten wir die Lichtschwerter oder die schnelle Reise durch die Galaxie für wundersame Magie. Unmögliche Fiktion. Dabei handelt dieser Spielfilm über etwas, dass der Mensch schon seit Jahrtausende macht: die Verwandlung von Energie um Fortschritt zu erwirken. Zuerst haben wir diese „Magie“ entdeckt, indem wir Holz verbrannten um Nahrung zu kochen und uns in kalten Nächten warm zu halten. Der Mensch hat sehr früh gelernt die Sonnenenergie, die in einem einfachen Holzscheit „gefangen“ war, freizusetzen. Warum erwähnen wir das im Zusammenhang mit der Funktionsweise des Ottomotors?

 

Weil hier das gleiche Prinzip funktioniert. Die kontrollierte Freisetzung von Energie und die Umwandlung derselben in Bewegung. Jedes Mal wenn wir uns in ein Fahrzeug setzen, den Zündschlüssel umdrehen, um den Motor zu starten, geschieht in Wirklichkeit ein kleines Wunder, dass fast so faszinierend ist wie Lichtschwerter und Raumschiffe. Vor ein paar hundert Jahren wäre ein Ottomotor genauso faszinierend. Wir wollen uns in diesem Artikel mit der Funktionsweise des Ottomotors beschäftigen. Warum? Vielleicht hast Du, lieber Leser, kein Interesse den Motor auseinander zu nehmen (wir können nicht dafür garantieren, dass der eine oder andere Leser, nach diesem Artikel nicht doch seinen Motor auseinander nimmt!) oder als Ingenieur für Motorenbau zu arbeiten, aber es gibt doch einen Grund sich dafür zu interessieren. Ein indisches Sprichwort sagt: „Faszination für die Dinge im Leben, hilft die Frustration über diese Dinge zu vermeiden.“ Anstatt frustriert zu sein, weil der Motor nicht anspringt, ist es viel besser fasziniert darüber zu sein, dass „richtige Magie“ unter der Motorhaube wirkt.

 

Was ist ein Ottomotor?

 

Als Ottomotor bezeichnen wir ein Verbrennungsmotor. Er verwandelt die Energie, die im Benzin oder in Gas steckt und wandelt diese in Bewegungsenergie um. Dabei geschieht dies nach einem genialen Prinzip, der von einem Ingenieur erfunden wurde der Nicolaus August Otto hieß. Dazu kommen wir noch. Wichtig ist zu wissen, dass mit einem Ottomotor die chemische Energie, die im Treibstoff „gefangen“ ist (eigentlich Sonnenenergie, die überall in fossilen Brennstoffen steckt) durch eine Kompression (also Druck) in mechanische Energie umgewandelt wird (der Motor bringt das Fahrzeug in Bewegung). In einem Ottomotor kommen viele chemische, physische und mechanische Gesetze zum Einsatz. Ein Ottomotor hat bestimmte Merkmale: die Gemischmildung (Kraftstoff wird mit Sauerstoff gemischt), die Fremdzündung (der Funke der Zündkerze), die Kompression (das Kraft- und Sauerstoffgemisch wird unter extremen Druck gesetzt) und der Gleichraumverbrennung (die „Explosion“ muss kontrolliert werden und es muss ein perfektes Gleichgewicht hergestellt werden).

 

Was steckt alles in einem Ottomotor?

 

Ein Ottomotor ist nicht nur ein Verbrennungsmotor alleine. Es geht auch nicht darum, dass es nach dem Viertakt- oder Zweitaktprinzip funktioniert. Es ist das Ganze. Zu einem Ottomotor gehören immer gewisse Motorteile: Kolben, Ventile, Zündkerzen, Anlasser, Kurbelwelle, Nockenwelle, Pleuelstange, Steuerräder, Zahnriemen. Diese Bauteile, die mindestens existieren müssen, setzen wieder andere Bauteile voraus: ein Motorgehäuse (Motorblock), eine Zylinderkopfhaube, ein Kurbelgehäuse, eine Einspritzanlage, eine Auspuffanlage. Diese Bauteile wiederum verlangen nach Kühlung (Wasser) und Ölleitungen. Wie Du siehst, fängt es im Zentrum des Motors an: in der Verbrennungskammer oder auch Brennraum genannt und hört beim Auspuffendrohr wieder auf.

 

Die Viertakt-Bewegung

Die am häufigsten verwendeten Verbrennungsmotoren sind die Kolben-Benzinmotoren, die in den meisten Autos verwendet werden. In einem Motor ist der Zylinder in einem Motorblock stark genug, um den Explosionen von Kraftstoff standzuhalten. Im Zylinder befindet sich ein Kolben, der perfekt zu diesem Zylinder passen muss. Kolben sind in der Regel oben leicht kuppelförmig und unten hohl. In einem Viertakt-Motor, macht der Kolben einen kompletten Zyklus von vier Arbeitsschritten (Takte): Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen.

Der erste Takt beginnt (das Ansaugen), wenn der Kolben ganz oben steht. Das Einlassventil öffnet sich und das Kraftstoffgemisch wird mit Luft angesaugt. Bei modernen Motoren, wird nur Luft eingesaugt und der Kraftstoff wird durch einen anderen Vorgang in den Brennraum eingespritzt. Bei der Abwärtsbewegung entsteht ein Vakuum im Zylinder, da beide einen luftdichten Raum bilden. Diese physische Gegebenheit saugt das Kraftstoffgemisch in die Kammer. Sobald der Kolben ganz unten am Boden des Zylinders steht, wird dieses Einlassventil wieder geschlossen. Damit ist der erste Arbeitsschritt abgeschlossen. Der erste Takt.

Der zweite Takt, komprimiert diese Mischung. Der Kolben geht in einer Aufwärtsbewegung in den oberen Teil der Kammer, die jetzt mit diesem Kraftstoff-Luftgemisch gefüllt ist. Dabei wird dieses Gemisch mit einem extremen Druck „gequetscht“ (komprimiert oder verdichtet). Das geschieht in Sekundenschnelle und erreicht einen Druck von 20 Bar! Die Reibung erwärmt die Luft im Gemisch und diese wiederum den Kraftstoff. Damit will man das Gemisch so gut wie möglich auf die Zündung vorbereiten. Der Kraftstoff soll möglichst komplett verbrannt werden und die Explosion die gleich darauf folgt ist stärker. Die Gase werden so stark gedrückt, dass diese schnell entfliehen wollen und damit stärker auf den Kolben drücken, um zu entkommen. Hier kommen physikalische und chemische Gesetzmäßigkeiten zum Einsatz. Eine optimale Verbrennung, die gleichmäßig von statten geht, ist sehr wichtig für den Prozess.

Der dritte Takt ist die eigentliche Explosion. Jetzt kommt die Zündkerze(n) zum Einsatz. Ein kleiner Funke – der in Wirklichkeit zwischen 10.000 und 30.000 Volt hat – genügt um dieses hoch-verdichtete Gemisch zum Explodieren zu bringen. Die Detonation erzeugt ein heißes Gas (über 2.500 Grad Celsius!) und expandiert mit einer Geschwindigkeit von teilweise 60 Meter pro Sekunde! Diese Energie wird auf den Kolben übertragen und dieser wiederum überträgt diese auf die mechanischen Bauteile. So wird die Energie immer weiter getragen und erzeugt die Bewegung. Ein Verbrennungsmotor funktioniert nach dem Prinzip viele kleine und kontrollierte Explosionen zu erzeugen und diese Energie „einzufangen“ und auszunutzen um daraus Bewegung zu erzeugen. Ein typischer Ottomotor erzeugt hunderte solcher Explosionen pro Minute! Der dritte Takt ist vorbei.

Beim vierten Takt und auch letzten Arbeitsschritt, müssen die verbrannten Gase wieder ausgestoßen werden (Ausstoß) und es muss ein frisches Gemisch her um den Prozess wieder von vorne zu beginnen. Dabei fährt der Kolben hoch und diesmal öffnet sich ein anderes Ventil – das Auslassventil. Der Kolben – der wie man sieht eigentlich viele Funktionen übernimmt und damit dieses Verfahren so genial macht – drückt die über Tausend Grad heißen Gase raus aus der Verbrennungskammer. An diesem Punkt fängt der gesamte Prozess wieder an.

Eine geniale Erfindung

Der Verbrennungsmotor mit dem dazugehörenden Viertakt-Verfahren werden Nicolaus August Otto (1832 – 1891) zugeschrieben, aber in Wirklichkeit basiert die gesamte Errungenschaft auf viele andere Erfindungen vor und nach ihm. Die Verbindung einer Kurbel mit einer Pleuelstange, um mechanische Arbeit zu verrichten wurde zum ersten Mal im 3. Jahrhundert nach Christus von den Römern eingesetzt um eine Sägemühle zu betreiben! Danach waren es immer mehr Erfindungen, die eines Tages August Otto inspiriert haben um diese Gesetzmäßigkeiten zu einer Einheit zu bauen.

Wenn man die Funktionsweise des Ottomotors bedenkt, wer will da noch was von Lichtschwerter wissen? Der Mensch hat eine unglaublich faszinierende Methode entdeckt, um Sonnenenergie, die in Erdöl steckt zu befreien und diese zu Nutzen. Ohne diese Energie und den Verbrennungsmotor wäre unsere moderne Welt überhaupt nicht vorstellbar. Unser gesamtes Transportwesen und große Teile der Weltwirtschaft basieren darauf, das ein kleiner Funke ein Kohlenstoffatom zersetzt und dessen Energie – die vielleicht Millionen von Jahre darin gefangen war – wieder freisetzt.

Es ist tatsächlich wie Vladimir Vernadsky, einer der berühmtesten russischen Geochemiker, gesagt hat: „…am Ende sind wir alle Kinder der Sonne…“.

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