HD-Animation: Thermodynamik des Viertakt-Ottomotors

Erläuterungen

Der aktuelle Zustand wird in einem PV-Diagramm markiert. Ein PV-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) wird verwendet, um den Zustand eines Gases, in diesem Fall des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Zylinder eines Verbrennungsmotors, zu visualisieren. Die vier Takte sind farblich im PV-Diagramm markiert.

Auch der Zündzeitpunkt ist eingezeichnet. Der Zündzeitpunkt ist der Moment, in dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder gezündet wird.

Verändert man die Drehzahl des Motors (durch Gasgeben), erfolgt die Zündung früher. Dies hängt damit zusammen, dass die Geschwindigkeit der Verbrennung immer konstant ist. Durch das Verschieben des Zündzeitpunkts wird sichergestellt, dass die Flammfront genau im richtigen Moment auf den Kolben trifft.

Dieser Zusammenhang zwischen Drehzahl, Zündzeitpunkt und Flammfrontposition gewährleistet die optimale Leistung des Motors.

Die Flammfront breitet sich im Zylinder mit nahezu konstanter Geschwindigkeit aus. Damit der maximale Druck im optimalen Moment auf den Kolben wirkt, muss der Zündzeitpunkt je nach Drehzahl angepasst werden. Bei niedrigen Drehzahlen wird später gezündet, bei hohen früher. Schon wenige Grad Abweichung können dazu führen, dass der Motor weniger Leistung hat oder ineffizient verbrennt. Moderne Motorsteuergeräte korrigieren den Zündzeitpunkt bis zu hundertmal pro Sekunde.

Die vier Takte im Detail

Jeder Arbeitszyklus des Viertakt-Ottomotors besteht aus vier aufeinanderfolgenden Takten. Während eines vollständigen Zyklus dreht sich die Kurbelwelle zweimal (720°).

1. Takt: Ansaugen

Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT). Das Einlassventil ist geöffnet, das Auslassventil geschlossen. Durch die Abwärtsbewegung entsteht ein Unterdruck im Zylinder, der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch ansaugt. Im PV-Diagramm zeigt dieser Takt eine Volumenzunahme bei annähernd konstantem (atmosphärischem) Druck.

2. Takt: Verdichten

Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT und komprimiert das Gemisch. Das Volumen nimmt ab, Druck und Temperatur steigen stark an. Das typische Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors liegt bei 8:1 bis 12:1. Im PV-Diagramm verläuft dieser Takt als ansteigende Kurve von rechts nach links.

3. Takt: Arbeiten

Kurz vor dem oberen Totpunkt zündet die Zündkerze das verdichtete Gemisch. Die Verbrennung erzeugt hohen Druck und hohe Temperatur. Die expandierenden Gase drücken den Kolben nach unten – dies ist der einzige Takt, in dem mechanische Arbeit gewonnen wird. Im PV-Diagramm zeigt sich zuerst ein steiler Druckanstieg (Verbrennung), gefolgt von einer abfallenden Expansionskurve.

4. Takt: Ausstoßen

Das Auslassventil öffnet sich. Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT und schiebt die verbrannten Gase aus dem Zylinder. Im PV-Diagramm verläuft dieser Takt bei geringem Überdruck von rechts nach links, bis das Restgas ausgestoßen ist und ein neuer Zyklus beginnt.

Der ideale Otto-Kreisprozess

Der idealisierte Otto-Kreisprozess beschreibt den thermodynamischen Ablauf in einem Ottomotor unter vereinfachten Annahmen. Er besteht aus vier Zustandsänderungen:

1. Isentrope Kompression (1→2): Das Gas wird ohne Wärmeaustausch verdichtet. Druck und Temperatur steigen.
2. Isochore Wärmezufuhr (2→3): Bei konstantem Volumen wird Wärme zugeführt (modelliert die Verbrennung). Der Druck steigt sprunghaft an.
3. Isentrope Expansion (3→4): Das heiße Gas expandiert ohne Wärmeaustausch und verrichtet Arbeit.
4. Isochore Wärmeabfuhr (4→1): Bei konstantem Volumen wird Wärme abgeführt (modelliert den Gaswechsel). Der Druck fällt.

Der thermische Wirkungsgrad des idealen Otto-Prozesses hängt nur vom Verdichtungsverhältnis \( \varepsilon \) und dem Isentropenexponenten \( \kappa \) ab:

\[ \eta_{\text{th}} = 1 – \frac{1}{\varepsilon^{\kappa – 1}} \]

Für ein Verdichtungsverhältnis von \( \varepsilon = 10 \) und \( \kappa = 1{,}4 \) (zweiatomiges Gas) ergibt sich ein idealer Wirkungsgrad von etwa 60 %. In der Praxis liegt der tatsächliche Wirkungsgrad deutlich niedriger – warum das so ist, zeigt der Abschnitt Energiebilanz und Wirkungsgrad.

Ideal vs. real: Der reale Kreisprozess – wie er in der Animation dargestellt wird – weicht vom idealen ab: Die Verbrennung findet nicht instantan statt, es gibt Wärmeverluste an die Zylinderwand, und der Ladungswechsel (Ansaugen/Ausstoßen) erzeugt Strömungsverluste. Das PV-Diagramm in der Animation zeigt daher abgerundete Kurven statt der scharfen Ecken des idealisierten Prozesses.

Zündzeitpunkt und klopfende Verbrennung

Wie die Animation zeigt, muss der Zündzeitpunkt an die Drehzahl angepasst werden. Doch was passiert, wenn der Zündzeitpunkt nicht optimal eingestellt ist?

Zu frühe Zündung

Wird das Gemisch zu früh gezündet, erreicht der maximale Verbrennungsdruck den Kolben, bevor dieser den oberen Totpunkt passiert hat. Der Kolben wird gegen seine Bewegungsrichtung belastet – das kostet Leistung und kann zu mechanischen Schäden führen.

Zu späte Zündung

Bei zu später Zündung hat der Kolben den OT bereits überschritten und bewegt sich nach unten, bevor die Verbrennung ihren Höhepunkt erreicht. Der Druckanstieg kommt zu spät, die gewonnene Arbeit ist geringer, und ein Teil der Wärme geht ungenutzt mit dem Abgas verloren.

Klopfende Verbrennung

Besonders kritisch ist das sogenannte Klopfen (auch Detonation genannt). Dabei entzündet sich das noch unverbrannte Restgemisch vor dem Eintreffen der regulären Flammfront spontan – ausgelöst durch den hohen Druck und die hohe Temperatur. Es entstehen Druckwellen, die hörbar an den Zylinderwänden reflektieren (das typische „Klopfen“). Dauerhaftes Klopfen kann Kolben, Lager und Zylinderkopf schwer beschädigen.

Moderne Motorsteuergeräte verwenden Klopfsensoren, die auf die charakteristischen Schwingungen reagieren und den Zündzeitpunkt sofort zurücknehmen, wenn Klopfen erkannt wird.

Otto- vs. Dieselmotor im Vergleich

Beide Motortypen sind Viertakt-Verbrennungsmotoren, unterscheiden sich aber in wesentlichen Punkten:

Der Dieselmotor erreicht seinen höheren Wirkungsgrad durch das deutlich größere Verdichtungsverhältnis. Allerdings ist er schwerer und erzeugt mehr Stickoxide, weshalb er in der Abgasnachbehandlung aufwendiger ist.

Geschichte und Alltagsbezug

Die Geschichte des Viertakt-Ottomotors reicht bis ins 19. Jahrhundert zurück und ist eng mit der Industrialisierung und der Entwicklung des Automobils verknüpft.

• 1862: Der französische Ingenieur Alphonse Beau de Rochas beschreibt das Viertaktprinzip erstmals theoretisch.
• 1876: Nicolaus August Otto baut in Köln den ersten praxistauglichen Viertaktmotor – den „Ottomotor“. Er gilt als Meilenstein der Technikgeschichte.
• 1886: Carl Benz und Gottlieb Daimler nutzen den Ottomotor für die ersten Automobile.
• 20. Jahrhundert: Weiterentwicklung durch Einspritzung, elektronische Zündung und Katalysatortechnik. Der Ottomotor wird zum meistproduzierten Motor der Welt.

Wo begegnet uns der Ottomotor heute? In Pkw und Motorrädern, in Rasenmähern und Motorsägen, in Notstromaggregaten und Booten. Weltweit sind schätzungsweise über eine Milliarde Ottomotoren im Einsatz. Auch wenn Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung gewinnen, wird der Ottomotor in vielen Anwendungsbereichen noch über Jahrzehnte relevant bleiben – vor allem dort, wo hohe Energiedichte auf kleinem Raum gefragt ist.

Energiebilanz und Wirkungsgrad

Nicht alle Energie, die im Kraftstoff steckt, wird in mechanische Arbeit umgewandelt. Ein typischer Ottomotor hat einen effektiven Wirkungsgrad von 25 bis 35 %. Der Rest der Energie geht als Wärme verloren:

• Abgaswärme (~30–35 %): Die heißen Verbrennungsgase verlassen den Zylinder mit Temperaturen von 600–900 °C und tragen einen erheblichen Teil der Energie mit sich fort.
• Kühlungsverluste (~25–30 %): Wärme wird über die Zylinderwände und den Zylinderkopf an das Kühlsystem abgegeben.
• Reibungsverluste (~5–10 %): Mechanische Reibung zwischen Kolben, Lagern und Ventiltrieb verbraucht Energie.
• Sonstige Verluste (~5 %): Antrieb von Nebenverbrauchern (Lichtmaschine, Wasserpumpe, Ölpumpe) und unvollständige Verbrennung.

Der Wirkungsgrad lässt sich durch verschiedene Maßnahmen verbessern: höheres Verdichtungsverhältnis, Direkteinspritzung, variable Ventilsteuerung, Turboaufladung und Downsizing. Moderne Ottomotoren mit Turboaufladung und Direkteinspritzung erreichen effektive Wirkungsgrade von bis zu 40 % – deutlich mehr als noch vor wenigen Jahrzehnten.

Glossar

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Viertakt-Ottomotor

Zustandsänderungen des idealen Gases

Überblick und Download

Mitwirkende

C. Hein, S. Rikowski

Quellangaben

• Idee und erstes Konzept: Tamara Riehle
• Technische Zeichnung des Motors: in Anlehnung an Ulrich Rapp (http://www.ulrich-rapp.de/stoff/fahrzeug/motor/index.htm)
• Autorenwerkzeug (Steuerungselemente mitgeliefert): Adobe Animate