Der Motor des alten Otto

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94. Folge - Unsere Serie für den Nachwuchs erläutert das wichtigste GaLaBau-Grundlagenwissen vom Abstecken bis zum Zaunbau: Diesmal geht es um das Thema Otto-Motor.

Nun stellen wir uns mal ganz dumm": Älteren Kalibern von Landschaftsgärtner wird das Zitat aus dem Heinz-Rühmann-Film "Die Feuerzangenbowle" noch bekannt vorkommen. War es doch über Generationen das Synonym für: Jetzt kommt der etwas ungelenke Lehrer und versucht unwilligen Schülern die Mechanik der Dampfmaschine zu erklären, von der er selbst nur mäßig Ahnung besitzt.

Die Zeiten haben sich geändert. Die Dampfmaschine beherrscht nicht mehr die Mechanik. Die Schüler sind nicht mehr unwillig und der Lehrer nicht mehr so ahnungslos, wie er tut. Unsere Arbeits- und Freizeitwelt ist geprägt von schnellen Datenautobahnen, schnellen Fortbewegungsmitteln und schnellem Vergessen.

Motorisierung ist eine relativ konstante Größe, bei der jedermann (die in erster Linie) und jedefrau glaubt mitreden zu können. In meiner Praxis als Ausbilder fiel mir immer wieder auf, dass bei Maschinenthemen sofort alle Bescheid wussten und sofort ein oder mehrere Kumpel hatten, die das Gerät wie kein Zweiter beherrschten. Bei der Frage nach dem "Zeug", was man in den Tank rein kippen muss, damit es sich bewegt, waren die ersten Wissenslücken zu bemerken. Deshalb habe ich mir gedacht, dem geneigten Auszubildenden in zwei Artikel zur Wiederholung die beiden wichtigsten Motorentypen und ihre Erfinder wieder näher ins Gedächtnis zu rufen.

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Warum heißt der Otto-Motor "Otto-Motor"?

Weil der ErfinderOtto hieß. Nächste Frage: Mit Vor- oder Nachnamen? Nun mal Schluss mit dem Rätselraten. Ich bin mir fast sicher, dass die wenigsten Leser aus dem Stand wissen, wie der Erfinder oder besser einer der Erfinder des Otto-Motors mit vollständigem Namen hieß. Bis zu diesem Artikel gehörte auch ich zu den Wissensverdrängern.

Zur Geschichte

Im Jahre 1864 war es ein gewisser Nicolaus August Otto, der gemeinsam mit seinem Kollegen Eugen Langen die erste Motorenfabrik in Köln gründete. Aus dieser ersten "Motorenschmiede" ging dann im Jahr 1872 die Gasmotorenfabrik Deutz AG, in der unter anderem Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach als leitende Ingenieure angestellt waren.

Otto war es dann, der aus dem 1876 entwickelten 2-Takt-Gasmotor des Herrn Jean-Joseph Étienne Lenoir einen Viertakt-Motor konstruierte, dessen wesentliche Neuerung die Einführung eines separaten Verdichtungstaktes und die dafür nötige Ventilsteuerung war. Otto hatte nur kurzzeitig ein kaiserliches Patent auf seinen Motor. Da er nicht der alleinige Erfinder dieser technischen Innovation war, sondern schon im Jahre 1860 Christian Reithmann und 1862 Alphonse Beau de Rochas Patente auf Viertakt-Motoren erhalten hatten, wurde das Patent 1889 gerichtlich aufgehoben. Somit konnten Gottlieb Daimler und Carl Benz 1886 ohne Bedenken Viertaktmotoren in Deutschland bauen, verkaufen und damit den Grundstein für ein Weltimperium legen.

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Was kennzeichnet den Otto-Motor?

Diese zu Ehren von Nicolaus August Otto benannte "Verbrennungskraftmaschine" kann nach dem Vier- oder Zweitaktprinzip arbeiten. Ottomotoren, bei denen der Viertaktmotor die heute gebräuchlichere Bauart ist, haben Fremdzündung durch Zündkerzen. Im Unterschied dazu arbeitet der Dieselmotor durch Selbstzündung. Vor nicht allzu langer Zeit gab es noch die Unterscheidung zwischen äußerer Gemischbildung, bei der Kraftstoff und Luft mittels Vergaser oder Saugrohreinspritzung für Otto-Motoren vor dem Brennraum gemischt werden, und innerer Gemischbildung bei Dieselmotoren, bei der Kraftstoff und Luft erst im Brennraum gemischt werden. Diese Unterscheidung trifft nicht mehr bei allen Motorentypen der heutigen Zeit zu, da sich die Arbeitsverfahren seit der Verbreitung der Benzindirekteinspritzung bei Pkw-Otto-Motoren verändert haben.

Die Leistung wird mit der zugeführten Menge des Kraftstoff-Luftgemisches durch die Drosselklappe oder mit gesteuerten Einlassventilen geregelt. Höchsttemperatur und Höchstdruck limitieren das Verdichtungsverhältnis. Ist es zu hoch, führt das zu der beim Otto-Motor unerwünschten Selbstzündung, dem so genannten "Klopfen".

Technischer Kurztrip durch den Otto-Motor

Vielen ist sicher aus dem Physikunterricht noch das Viertaktprinzip im Gedächtnis. Dieses, wie der Name schon sagt, aus vier Takten bestehende Funktionsprinzip des Motors hat folgende Takte zum Inhalt:

  • Takt - das Ansaugen: Über ein geöffnetes Einlassventil saugt der Kolben im Zylinder das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder.
  • Takt - das Verdichten: Einlass- und Auslassventil werden geschlossen und der Kolben presst das Gasgemisch zusammen.
  • Takt - das Arbeiten: Ein Funke, der von einer Zündkerze erzeugt wird, entzündet das hochexplosive Gasgemisch, das dabei explosionsartig verbrennt. Durch die Explosion wird der Kolben mit hoher Kraft nach unten gedrückt und setzt die Energie über die Kurbelwelle "Arbeit", eine Drehbewegung, um.
  • Takt - das Ausstoßen: Das Auslassventil wird geöffnet und die entstandenen Verbrennungsgase werden mit Hilfe des Kolbens aus dem Zylinder gedrückt.
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Das Wirkungsprinzip der Zwei- und Viertakter

Beim Zweitaktmotor erfolgen am Ende des Arbeitstakts und am Beginn des Verdichtungstakts der Ausstoß der Verbrennungsgase und das Einleiten des Frischgemisches gleichzeitig, häufig indem das Frischgemisch die Verbrennungsgase verdrängt.

Die Steuerung des Ein- beziehungsweise Auslasszeitpunkts erfolgt, besonders bei Zweitaktmotoren für Gartengeräte und Straßenfahrzeuge, meist durch den Kolben, der bei entsprechender Hubstellung Gaskanäle öffnet oder schließt.

Bei Vergasermotoren oder Saugrohreinspritzung sind Spülverluste unvermeidlich, was sich nachteilig auf den Verbrauch auswirkt. Bei Direkteinspritzung können die Spülverluste deutlich reduziert werden. Eine weitere Methode zur Reduzierung der Spülverluste in einem begrenzten Drehzahlbereich ist die Verwendung eines Resonanzauspuffs. Dabei wird die Druckwelle, mit der der Abgasstrom beim Öffnen der Auslasskanäle in den Auspuff schießt, reflektiert. Die zurückeilende Druckwelle schiebt dann das Frischgas, das zum Ende des Spülvorgangs bereits in den Auspuff geströmt ist, wieder in den Zylinder zurück.

Weiterhin ist der nutzbare Kolbenhub für Verdichtung und Arbeitstakt kürzer als der Gesamthub zwischen den beiden Totpunkten, da er erst mit dem Schließen der Überström- und Auslasskanäle beginnt beziehungsweise mit dem Öffnen der Kanäle endet.

Deshalb wird im Arbeitstakt bei gleicher Drehzahl eine geringere Leistung als beim Viertaktverfahren erreicht. Das wird teilweise dadurch kompensiert, dass der Zweitakter alle 360° Kurbelwinkel einen Arbeitstakt hat, anstatt alle 720° wie beim Viertakter. Mit Zweitaktmotoren ist dadurch im Vergleich zu Viertaktmotoren ein besseres Leistungsgewicht möglich.

Ein Nachteil beim spezifischen Kraftstoffverbrauch bleibt jedoch erhalten. Bei einfachen, kleinen Zweitaktmotoren wird die Ansaugluft im Kurbelgehäuse vorkomprimiert, weshalb sich dort kein Schmieröl befindet.

Solche Zweitakter tanken zur Motorschmierung ein Öl-Benzin-Gemisch. Größere und aufwendiger gebaute Zweitaktmotoren können über einen geschlossenen Schmierölkreis verfügen, benötigen dann jedoch für die Zylinderfüllung eine Ladepumpe oder -gebläse.

Otto-Motor-Zweitakter werden bei Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf ein niedriges Masse-Leistungs-Verhältnis ankommt und nicht auf Kraftstoffkosten, so bei tragbaren Arbeitsgeräten wie Motorsägen, Generatoren und Rasenmähern und im Freizeitbereich bei Mofa, Moped, Leichtflugzeug, Modellflugzeug, Moto-Cross- und Trial-Motorräder oder Jet-Ski.

Beim Viertaktmotor sind Ein- und Auslasstakt getrennt und in jedem Zylinder gibt es nur bei jeder zweiten Umdrehung einen Arbeitstakt. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eine Ventilsteuerung notwendig, die meist über Nockenwellen realisiert wird, die mit halber Motordrehzahl laufen. Das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als beim Zweitakter - was aber meist durch den niedrigeren Kraftstoffverbrauch gerechtfertigt wird. Weiterhin lassen sich Viertakter durch die Ventilsteuerung besser auf ein breiteres Drehzahlband abstimmen.

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Was gehört noch zum Motor?

Der Kolben, die Pleuelstange, Kurbelwelle und diverse andere Teile benötigen eine Schmierung. Hierfür wird bei Viertaktmotoren meistens eine Druckumlaufschmierung mit geschlossenem Kreislauf verwendet. Bei anderen Motoren, vor allem bei Zweitaktmotoren, wird Schmieröl dem Kraftstoff zugegeben (Gemischschmierung).

Ein Verbrennungsmotor braucht eine Vielzahl von zusätzlichen Aggregaten, um funktionieren zu können. Dazu gehören unter anderem:

  • eine Kühlung, die häufig mit einem Wasserkreislauf realisiert wird, in einfacheren Fällen aber auch mithilfe von Luft, die an Kühlrippen vorbeistreicht. Häufig verstärkt ein direkt vom Motor oder von einem Elektromotor angetriebener Ventilator den Luftstrom. Das Kühlwasser wird von einer Kühlwasserpumpe umgewälzt, die über einen Keilriemen vom Motor angetrieben wird.
  • eine Zündanlage, die zu den richtigen Zeitpunkten Hochspannungspulse mit etlichen Kilovolt liefert. Hierzu dient im einfachsten Fall eine Zündspule in Verbindung mit einem Unterbrecherkontakt. Moderne Motoren enthalten für diesen Zweck neben der Zündspule meist eine Elektronik, die die Aufgabe präziser und flexibler erledigt und auch eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweist.
  • die Einlass- und Auslassventile, die meist über eine Nockenwelle betätigt werden, teils auch unter Verwendung von Stößeln und Kipphebeln.
  • das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in einfachen Ottomotoren mithilfe eines Vergasers hergestellt wird. Bei modernen Motoren wird jedoch meistens eine Kraftstoffeinspritzung verwendet.
  • ein Abgaskrümmer, mit dem meist das Abgas von den verschiedenen Zylindern gesammelt und im einfachsten Fall direkt in die Auspuffanlage geleitet wird. Bei modernen Motoren erfolgt jedoch meist eine mehr oder weniger aufwendige Abgasreinigung.
  • ein Generator, der meist zur Versorgung mit elektrischer Energie dient, für den oft noch die alte Bezeichnung "Lichtmaschine" gewählt wird..

Was hinten raus kommt, muss vorne rein

Die meisten Otto-Motoren werden mit Benzin betrieben, das auch als "Ottokraftstoff" bezeichnet wird. Das Benzin muss eine gewisse Klopffestigkeit aufweisen, die durch die Oktanzahl ausgedrückt wird - besonders für Motoren mit höherem Verdichtungsverhältnis, die tendenziell effizienter sind. Die Oktanzahl kann durch diverse Beimischungen erhöht werden. Gleichzeitig muss der Kraftstoff aber ausreichend zündfähig sein.

Manche Ottokraftstoffe enthalten weitere Zusätze für die Optimierung weiterer Eigenschaften, beispielsweise der Flammengeschwindigkeit oder für die Vermeidung von Ablagerungen an den Ventilen. Mit relativ einfacher Umrüstung ist der Betrieb von Otto-Motoren auch mit anderen Kraftstoffen wie Bioethanol, Flüssiggas, Erdgas oder Wasserstoff möglich, häufig auch im Wechsel mit Benzin.

Was vorne rein kommt, muss hinten raus

Die Abgase von Ottomotoren enthalten eine Fülle giftiger Schadstoffe:

  • Kohlenmonoxid und diverse unverbrannte Kohlenwasserstoffe
  • Stickoxide
  • Feinstaub (bei Direkteinspritzern)

Die Schadstoffkonzentrationen hängen allerdings sehr stark von den Betriebsbedingungen ab, etwa von der Art des Kraftstoffs, der Konzentration des Kraftstoffs im verwendeten Gemisch, der Menge des Gemisches, der Drehzahl und der Betriebstemperatur.

Mit Hilfe eines geregelten Drei-Wege-Katalysators können die drei oben aufgezählten Gruppen von Schadstoffen recht effizient reduziert werden. Beim geregelten Katalysator geschieht das automatisch über die Messung des restlichen Sauerstoffgehalts im Abgas mit einer Lambdasonde. Auch der geregelte Katalysator ist erst ab Erreichen einer ausreichend hohen Betriebstemperatur wirksam.

Quellen: Wikipedia, www.energie-lexikon.info, Schlauzubi-Heft "Maschinen und Geräte 1"

 Uwe Bienert
Autor

Landschaftsgärtner-Meister und Ausbilder

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