Ottomotor

1. Zweitakter und Viertakter im Wandel der Zeit 1.1 Der Lenoirmotor Das Automobil. Für uns ein alltäglicher Anblick. Dem Einen dient es zur geschäftlichen und beruflichen Fortbewegung, dem Anderen als Freizeitspaß. Unsere Welt, in der Mobilität und Flexibilität zum normalen Leben gehören, ist ohne das Auto nicht mehr vorstellbar. Vor nicht einmal 150 Jahren sahen die Reisemöglichkeiten der Menschen jedoch noch ganz anders aus. Auf Straßen, die heute kaum noch diese Bezeichnung verdienen, quälten sich in schaukelnden Kutschen und in elend langsamer Zeit, die Reisenden von Ort zu Ort. Eine Kutschfahrt von Potsdam nach Hamburg dauerte – ohne Pausen – nicht weniger als 42 Stunden – also fast 2 Tage! Doch diese Tage waren bereits gezählt. So machten sich seit geraumer Zeit einige erfindungsreiche Köpfe in Europa Gedanken zu einer neuen Antriebstechnik – den Motoren. Einer von ihnen war der Belgier Joseph Étienne Lenoir. Er entwickelte im Jahre 1noirmotor. Dieser Gasmotor wurde mit einem Leuchtgas-Luftgemisch betrieben und arbeitete nach dem verdichtungslosen Zweitaktprinzip. Beim Lenoirmotor handelte es sich um den ersten Motor, der in Serie hergestellt wurde. Insgesamt wurden etwa 400 davon gebaut. Aber wie funktionierten diese Motoren? Im Vergleich zu denen in der Industrie eingesetzten Dampfmaschinen wurde ein Explosionsgemisch jetzt innerhalb eines Zylinders erzeugt. Die Verbrennung des Gases fand einmal auf der linken und einmal auf der rechten Seite des Kolbens statt. Der Kolben bewegte sich dadurch in horizontaler Richtung hin und her. Während der ersten Hälfte des Kolbenweges saugt der Motor ein Gas-Luftgemisch an. Nachdem das Gemisch elektrisch gezündet wurde, treibt es den Kolben explosionsartig vor sich her. Sobald sich der Kolben wieder zurückbewegt, werden die Verbrennungsgase auf dieser Seite nach außen geschoben. Gleichzeitig wiederholt sich auf der anderen Kolbenseite der Ansaug- und Arbeitsvorgang. Mit dieser Erfindung begann die Geschichte der Verbrennungskraftmaschinen. An einen Antrieb für Fortbewegungsmittel war aber noch lange nicht zu denken, da der Gasmotor von Lenoir noch zu viele Nachteile hatte. So war der Gas- und Schmiermittelverbrauch extrem hoch: Pro PS und Stunde brauchte man etwa 3 Kubikmeter Gas. Der Wirkungsgrad betrug gerade einmal 3%. Außerdem war man über eine Leitung an die städtische Gasversorgung gebunden und somit nicht mobil. 1.2 Wie alles begann Nikolaus August Otto, der Erfinder des Ottomotors, wurde am 14.Juni 1832 im Taunus als Sohn eines Gastwirts geboren. Da sein Vater und damit auch der Ernährer der Familie bereits kurz nach der Geburt seines Sohnes starb, wuchs dieser in eher bescheidenen Verhältnissen auf. Trotz guter Noten musste er die Realschule verlassen und begann eine Kaufmannslehre. Nach seiner Ausbildung arbeitete er in einer Kolonialwaren-Großhandlung. Eigentlich deutete nichts darauf hin, dass gerade von diesem jungen Mann eine entscheidende Erfindung ausgehen sollte, .... wäre da nicht seine Leidenschaft für den Bau von Maschinen gewesen. Gemeinsam mit einem Mechaniker versucht er anfänglich, den Gasmotor von Lenoir nachzubauen. Die beiden experimentieren in ihrer Werkstatt mit dem Kolben und Schwungrad – bis daraus langsam die Idee für einen Viertakt-Motor entsteht. Diese Arbeiten nehmen aber immer mehr Zeit in Anspruch, sodass sich der junge Otto zwischen seiner Handelstätigkeit und dem Erfindertum entscheiden muss. Er wählt die Laufbahn zum Konstrukteur und damit eine unsichere Zukunft – ohne finanziellen Rückhalt. 1.3 Die Nutzung des atmosphärischen Prinzips Sehr früh erkennt Otto in seinen Experimenten, dass die Entzündung eines verdichteten Gas-Luftgemisches zum richtigen Zeitpunkt enorme Energien freisetzt. In seinem Kopf entsteht die Idee einer Vierzylindermaschine, bei dem die Kolben boxerartig angeordnet sind. In Form eines Boxermotors wurde erstmals mit vier Arbeitstakten experimentiert. Ein Mechaniker setzt seine Ideen in die Tat um. Der erste vierzylindrige Boxermotor entsteht. „Boxer“ deshalb, weil sich jeweils zwei Zylinder mit ihren Triebwerken wie Boxer in einem Ring gegenüberstehen und deren Kolben abwechselnd nach vorne bzw. hinten schieben. Bei den ersten Tests zeigt sich jedoch sehr schnell, dass die Zündungen zu wuchtig sind. Über kurz oder lang wird jedes Triebwerk zerstört. Dieses Problem erscheint den beiden Konstrukteuren nicht lösbar. So entscheidet Otto, andere Wege bei der Motorentwicklung zu gehen. Wenn also die Explosionen aufgrund ihrer Heftigkeit jedes Triebwerk zerstören, war der Gedanke nahe liegend, dass man den Kolben vom Triebwerk trennen musste. Beim Experimentieren entdeckt Otto zufällig das „atmosphärische Prinzip“ – was ihn bei der Entwicklung eines Motors einen entscheidenden Schritt weiterbringen sollte. Dieses Prinzip beruht auf dem Druckunterschied zwischen einem erzeugten Unterdruck und dem – auf jeden Körper wirkenden – atmosphärischen Außendruck. Neu dabei ist, dass der Kolben erst in der Abwärtsbewegung durch eine Zahnstange – dem Schaltwerk – an die Motorwelle und das Schwungrad gekoppelt ist. Der atmosphärische Luftdruck, die Gewichte des Kolben und der Zahnstange unterstützen diese Abwärtsbewegung zusätzlich. Otto nutzt dieses Prinzip und es entsteht ein atmosphärischer Gasmotor mit einem frei fliegenden Kolben in einem stehenden Zylinder. Die bahnbrechende Neuerung Ottos war die Einführung eines Verdichtungstaktes. Diese Konstruktion hatte jedoch mit den heutzutage verwendeten Motoren nur wenig gemein. 1.4 Die erste Gasmotorenfabrik Otto befindet sich in ständiger Geldnot – und steht kurz davor, seine Arbeiten an Motoren aufzugeben, als ihn der Industrielle und Polytechniker Eugen Langen in seiner Werkstatt in Köln besucht. Die beiden werden sich schnell einig und gründen 1864 die erste Motorenbau-Firma der Welt. Sie heißt „N.A. Otto & Cie.“ – nach dem Namen des Erfinders. Nach zwei Jahren erhalten die beiden Fabrikbesitzer in Preußen das Patent auf ihren Motor. 1867 ist der Motor so weit entwickelt, dass ihn die beiden auf der Weltausstellung in Paris als „atmosphärische Gaskraftmaschine“ der Weltöffentlichkeit präsentieren können. Die Weltausstellung ist für sie ein durchschlagender Erfolg. Die Maschine von Otto und Langen benötigt für ihren Antrieb nur 1/3 des Gasverbrauchs im Vergleich zur Konkurrenzmaschine von Lenoir. Dieser Erfolg bleibt nicht ohne Auswirkung. Die ehemalige Werkstatt in Köln platzt auf Grund der großen Nachfrage aus allen Nähten. Im Jahre 1869 wird in neue und größere Gebäude an der Grenze von Mühlheim und Deutz umgezogen. 1 872 entsteht aus der Firma eine Aktiengesellschaft mit dem Namen „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“. Gottlieb Daimler wird als technischer Direktor und Wilhelm Maybach als Chefkonstrukteur engagiert. 1.5 Die Geburtsstunde des Ottomotors Zum Teil durch die Konkurrenz gezwungen und zum Teil aus eigenem Antrieb, beginnen Ottos Gedanken wieder um den Viertaktantrieb mit vorverdichteter Ladung zu kreisen. Im Jahre 1862 scheiterte er jäh bei dem Versuch, die Zündexplosionen unter Kontrolle zu bekommen. Ziel war es, die Zündkräfte so zu reduzieren, dass sie von einem Kurbeltrieb aufgenommen werden können. 1876 beginnt Otto mit ersten Versuchen zu einem – wie er es nennt – „Hochdruckmotor“. Das Versuchsdiagramm zu einem Motorversuch am 09.Mai 1876 gilt als Geburtsstunde des Ottomotors. Und so sah der dazugehörige Versuchsmotor aus. 2. Ottomotor – Aufbau und Funktionsweise 2.1 Grundaufbau des Ottomotors Kernstück eines Fahrzeuges ist der Motor. Er macht es erst möglich, dass das Auto auch fährt. Und das mit Geschwindigkeiten, mit denen zu Beginn der Automobilgeschichte niemand gerechnet hätte. Was ist das Geheimnis an modernen Motoren, das sie so zu wahren Kraftpaketen macht? Sehen wir uns den Aufbau eines Motors einmal genauer an. Die hauptsächlichen Bauteile eines Ottomotors sind die Zylinder mit beweglichen Kolben, die sich auf und ab bewegen. Die Kolben sind über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden. Weitere wichtige Komponenten sind die Ein- und Auslassventile und die Zündkerzen. Moderne Motoren verfügen überdies über eine Vielzahl an elektronischen Komponenten. Über das Motorsteuergerät werden beispielsweise alle Faktoren, die für die Arbeit des Motors von Bedeutung sind, geregelt, wie z.B. die Kraftstoffzufuhr. 2.2 Der Verbrennungsvorgang im Ottomotor Was passiert im Inneren des Motors? Ein Gemisch aus Luft und Benzin gelangt über das Einlassventil in den Brennraum. Dort wird das Benzin-Luft-Gemisch stark zusammengepresst, also verdichtet. Mit Hilfe der Zündkerze wird es elektrisch gezündet. Das Gemisch verbrennt und dehnt sich durch die entstandene Wärme aus. Durch die Ausdehnungskraft wird der Kolben nach unten bewegt. Da er über die Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist, dreht sich die Kurbelwelle, wenn sich der Kolben bewegt. Mit diesem Prinzip werden die Räder angetrieben und das Auto fährt. Das im Brennraum entstandene Verbrennungsgas wird über die Auslassventile aus dem Brennraum ausgestoßen. Bevor es über den Auspuff in die Umwelt gelangt, wird es weiter gereinigt. 2.3 Die vier Arbeitsstufen des Ottomotors Der nach seinem Erfinder benannte Ottomotor ist eine so genannte Verbrennungskraftmaschine. Durch Verbrennung wird chemische Energie, also Kraftstoff, in mechanische Energie umgewandelt. Ein Arbeitsgang oder auch „Arbeitsspiel“ genannt, umfasst vier Takte: Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen. Die Takte im Einzelnen. Takt 1: Ansaugen. Beim Ansaugtakt bewegt sich der Kolben in Richtung Kurbelwelle. Durch das geöffnete Einlassventil wird Luft durch Unterdruck in den Brennraum eingesaugt. Damit ein Verbrennungsvorgang stattfinden kann, muss zusätzlich auch Kraftstoff in den Brennraum gelangen. Beim so genannten Saugrohreinspritzer wird der Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt und gelangt so mit der Luft in den Brennraum. Bei den so genannten Direkteinspritzern wird der Kraftstoff nicht in das Saugrohr, sondern mit hohem Druck direkt in den Brennraum eingespritzt. Takt 2: Verdichten Im zweiten Takt schließt sich das Einlassventil und der Kolben bewegt sich von der Kurbelwelle weg. Dabei wird das Gemisch aus Luft und Kraftstoff im Brennraum stark verdichtet. Durch einen Funken der Zündkerze wird das Gemisch gezündet. Takt 3: Verbrennen/Arbeiten Durch die explosionsartige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches steigen die Temperatur und der Druck im Brennraum stark an. Der Kolben wird dadurch in Richtung Kurbelwelle bewegt. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird durch die Verbindung zur Pleuelstange und der Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt. Ist der Kolben am Tiefpunkt angekommen, wird das Auslassventil geöffnet. Takt 4: Ausstoßen Im vierten Takt bewegt sich der Kolben wieder nach oben. Durch diese Bewegung drückt er die Verbrennungsgase durch das geöffnete Auslassventil und somit aus dem Brennraum heraus. Anschließend beginnt das Arbeitsspiel wieder beim ersten Takt. Der Hubraum: Oft wird beim Autokauf auch vom Hubraum des Fahrzeugs gesprochen. Der Hubraum bezieht sich auf den Motor eines Autos und gibt so auch Auskunft über die Leistung des Fahrzeugs. Doch was ist mit Hubraum genau gemeint? Der höchste Punkt im Zylinder, den der Kolben erreicht, wird als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet. Der untere Totpunkt (UT) ist der niedrigste Punkt, den der Kolben erreicht. Der Hubraum eines Motors entspricht dem Zylindervolumen zwischen diesen beiden Punkten multipliziert mit der Anzahl der Zylinder 3. Der Ottomotor als Energiewandler 3.1 Umwandlung von chemischer in mechanische Energie Der Motor ist nichts anderes als ein Energiewandler. Dabei wird chemische Energie in kinetische – sprich Bewegungsenergie – umgewandelt. Für uns sichtbar, indem das Auto fährt. Aber was passiert dabei aus energetischer Sicht genau? Ein Kraftstoff-SauerstoffLuftgemisch wird bei diesem Vorgang auf ca. 20 bis 30 bar verdichtet. Dadurch erhitzt sich das Gemisch. Es hat in dieser Phase eine Temperatur zwischen 400 und 500 °C. Beim Zünden des Gemischs durch einen Zündfunken, verdampft der Kraftstoff. Das Ergebnis ist zum einen mechanische Leistung und zum anderen bilden sich Verbrennungsgase. Letztere sind vor allem für den Menschen und seine Umwelt schädlich. Durch den Verbrennungsvorgang entstehen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide. Kohlenwasserstoffe stehen unter dem Verdacht, für Krebserkrankungen beim Menschen verantwortlich zu sein. Kohlenmonoxid, ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, verbindet sich im menschlichen Blut mit Hämoglobin und verhindert dadurch den Sauerstofftransport im Körper. Das kann von ersten Schwindelanfällen bis hin zum Erstickungstod führen. Auch Stickoxide sind nicht ungefährlich, da sie in Verbindung mit Feuchtigkeit beim Einatmen zu stark ätzenden Substanzen werden können. 3.2 Leistung und Wirkungsgrad Von größtem Interesse beim Energieumwandlungsprozess im Motor ist die Menge der entstehenden kinetischen Energie. Man spricht dabei auch von mechanischer Leistung. In der Physik berechnet sich die mechanische Leistung (P = Power) als Arbeit pro Zeit und wurde in PS (Pferdestärke) gemessen. Heute wird für die Leistung in der Physik die SI-Einheit Watt (W) benutzt. 1 PS entspricht dabei ca. 736 Watt. Carl Benz gab für eines seiner ersten Autos, den Motorwagen, eine PS-Zahl zwischen 2 und 3 PS bei 250 Umdrehungen pro Minute an. In Wahrheit lag der Wert aber nur bei 0,9 PS. Vergleicht man dies mit heutigen Kraftfahrzeugen, so haben bereits Kleinfahrzeuge um die 60 PS. Sie bringen damit 60 Mal so viel Leistung wie ihre Urahnen auf die Straße. PS ist seit über 30 Jahren keine gesetzliche Messeinheit mehr in Deutschland, hat sich aber im Sprachgebrauch bis heute gehalten. Ab 2010 ist in der EU – auch in der TV-Werbung – nur noch die Angabe in kW ( = Kilowatt) erlaubt. Um wirklich festzustellen, wie leistungsfähig und effizient ein Motor arbeitet, sollte man den Wirkungsgrad des Motors genauer unter die Lupe nehmen. Dieser berechnet sich aus dem Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung und wird in Prozent ausgedrückt. Bei dieser Rechnung schneidet der Ottomotor nicht besonders gut ab. An der Grafik ist zu erkennen, dass die tatsächliche Nutzleistung des Motors bei nicht einmal 30 Prozent dessen liegt, was als Energie im Kraftstoff enthalten ist. Die größten Verluste – ca. 60 Prozent – ergeben sich aus der entstehenden Wärmeenergie. Und die restlichen 10 % werden für die Bewegung von Motorteilen, wie z.B. der Kurbelwelle und der Kolbenringe gebraucht. Auch in einem Motor kann Energie nicht erzeugt werden, sondern lediglich in unterschiedliche Erscheinungsformen umgewandelt werden. Dabei gilt für die Energieumwandlung in einem geschlossenen System der Grundsatz der Energieerhaltung. D.h. es kann auch keine Energie vernichtet werden, sondern sie geht als nicht genutzte Energie verloren. 3.3 Vom Erdöl zum Kraftstoff Damit herkömmliche Motoren überhaupt erst zum Laufen gebracht werden können, benötigen sie Kraftstoff. Dieser ist für uns ganz selbstverständlich, an jeder Tankstelle zu erhalten. Der Grundstoff zur Benzinherstellung ist Erdöl. Es entstand vor mehr als 300 Millionen Jahren aus urzeitlichen Meeresorganismen (Plankton). Dann dauerte es weitere Jahrmillionen bis sich durch komplizierte chemische und biologische Prozesse daraus Erdöl bildete. 2/3 der heute bekannten Erdölreserven liegen in arabischen Ländern. Erdöl ist ein begrenzter Rohstoff. Man schätzt, dass diese Ressource Mitte des 21. Jahrhunderts zur Neige gehen werden. Erdöl zählt neben Erdgas und Kohle zu den wichtigsten Energieträgern und wird teilweise rund um die halbe Welt transportiert. Vom Bohrturm gelangt es meistens über eine Pipeline zur Raffinerie oder zum nächsten Erdölhafen. Hat das Öl als Ziel Europa, so ist dafür der wichtigste Umschlaghafen Rotterdam, in den Niederlanden. Dort erfolgt der Weitertransport zu den Raffinerien über Pipelines oder Binnenschiffen. Die verschiedenen Formen des raffinierten Öls werden dann über die Straße zum Endverbraucher gebracht. An der Tankstelle wird ein Kraftstoff ausgegeben, der sowohl motortechnischen als auch umweltpolitischen Vorgaben entsprechen muss. Damit sich der Kraftstoff für den Einsatz beim Ottomotor eignet, darf er nur wenig entzündlich sein. Erst durch den Zündfunken darf eine kontrollierte schlagartige Verbrennung ablaufen. Man spricht dann von Klopffestigkeit. Die Klopffestigkeit wird an den Tankstellen über die Oktanzahl (ROZ) angegeben. 4. Motoren der Zukunft 4.1 Hybridmotor Das Hybridfahrzeug. Der Begriff „Hybrid“ kommt ursprünglich aus dem Griechischen und bedeutet „gemischt“. Der Hybridmotor ist demnach ein gemischter Antrieb aus zwei Komponenten. Ein Verbrennungsmotor wird durch einen Elektromotor ergänzt. Ein hybrid getriebenes Fahrzeug kann also zwischen einem Verbrennungs- oder Elektromotor umschalten. Die Vorteile des Elektromotors liegen klar auf der Hand: Er fährt sehr leise und produziert keine Abgase. Nachteil ist bislang seine geringe Reichweite. Sind Schnelligkeit, Kraft und Ausdauer erwünscht – wie beim Fahren von Langstrecken – dann kommt der Verbrennungsmotor zum Einsatz. Sobald der Verbrennungsmotor arbeitet, entstehen überschüssige Energien. Diese gehen nach dem Energieerhaltungssatz nicht verloren. Sie werden vom Elektromotor genutzt, um sich wieder aufzuladen. 4.2 Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge - Brennstoffzelle Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge. Bei wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen wirkt die Brennstoffzelle als Antriebsmittel. Dabei reagiert Wasserstoff mit Luftsauerstoff. Bei dieser so genannten stillen Verbrennung wird - neben Wasser - Energie frei, die zum Antrieb eines Elektromotors genutzt wird. Das Brennstoffzellenauto der Zukunft ist umweltfreundlich und seine Antriebsenergie – nämlich Wasserstoff – steht in unbegrenzter Menge zur Verfügung. Der chemische Stoff „H“ ist das auf der Erde am häufigsten vorkommende Element. Allerdings muss der Wasserstoff, um als Antriebsenergie eingesetzt zu werden, vorher aufbereitet werden. Und darin steckt auch die Problematik. Bei der Gewinnung von Wasserstoff entsteht das umweltschädliche Gas Kohlendioxid. Die Forschung sucht nach Wegen, diese Aufbereitung mit „sauberer“ Energie zu erreichen. 4.3 Erdgasbetriebene Fahrzeuge Ergasbetriebene Fahrzeuge. Eine interessantere Alternative zu Benzin- und Dieselantrieb ist der Gasantrieb. Ein großer Vorteil dieser Fahrzeuge liegt in ihrer Umweltverträglichkeit. Weil das Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis bei Gas günstiger ist als bei Benzin, entweichen weniger Schadstoffe. Der Ausstoß an Kohlenmonoxid ist um 1/4 geringer als bei benzinbetriebenen Fahrzeugen. Erdgasfahrzeuge sind von herkömmlichen Autos nicht zu unterscheiden. Entweder handelt es sich bei den gasbetriebenen Fahrzeugen um einen so genannten bivalenten oder monovalenten Antrieb. Ähnlich den Hybridmotoren, können bivalente Fahrzeuge sowohl mit Erdgas als auch mit Benzin fahren. Ist der Gasvorrat ausgeschöpft, schaltet der Motor während der Fahrt automatisch auf Benzinantrieb um – ohne dass der Fahrer etwas davon merkt. Beim bivalenten Antrieb ist das Fahrzeug also mit zwei Tanks ausgestattet, einer für Benzin und der andere für Erdgas. Dies wirkt sich positiv auf die Reichweite aus. Monovalente Fahrzeuge hingegen werden nur mit Erdgas betrieben. Der Vorteil liegt hierbei bei der exakteren Abstimmung des Motors auf nur einen Antrieb, nämlich den Erdgasbetrieb. Es ist derzeit noch völlig offen, welche Fahrzeugantriebe die Zukunft bestimmen werden. Die zunehmende Verknappung der Erdölreserven und das in der Bevölkerung gestiegene Umweltbewusstsein werden die Verantwortlichen der Konzerne aber auch jeden Einzelnen von uns zu einem Umdenken zwingen. Doch wie auch immer die neuen Konzepte aussehen werden, es ist Pionieren wie Nikolaus August Otto mit ihren Visionen zu verdanken, dass der Traum vom motorisierten Fahren zur Wirklichkeit wurde.