Ottomotor: Geschichte, Funktion & Merkmale

Der Ottomotor ist eine der zentralen Erfindungen, die die moderne Mobilität ermöglichten. Er ist ein Verbrennungsmotor, genauer gesagt eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Sein Name ist untrennbar mit Nicolaus August Otto verbunden, obwohl die Geschichte seiner Entwicklung komplexer ist und andere wichtige Erfinder einschließt. Das Viertaktverfahren, das heute die gebräuchlichere Bauart darstellt, bildet das Herzstück vieler dieser Motoren.

Die offizielle Benennung als „Ottomotor“ geht auf eine Anregung des VDI im Jahr 1936 zurück und wurde 1946 erstmals in der DIN Nr. 1940 formalisiert. Nicolaus August Otto wurde die Erfindung des Viertaktverfahrens zugeschrieben. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass der Motor, den Otto 1867 auf der Weltausstellung in Paris zeigte, ein Flugkolbenmotor war – ein atmosphärischer Gasmotor, dessen Funktionsprinzip sich vom eigentlichen Ottomotor unterscheidet.

Geschichte und Erfindung

Die Geschichte des Ottomotors und insbesondere des Viertaktverfahrens ist von mehreren parallelen Entwicklungen und Patentstreitigkeiten geprägt. Während Nicolaus August Otto eine zentrale Figur ist, gab es auch andere Erfinder, die unabhängig voneinander wesentliche Beiträge leisteten.

Bereits vor Otto, nämlich am 26. Oktober 1860, erhielt Christian Reithmann mehrere Patente für einen Viertaktmotor. Unabhängig davon entwickelte auch Alphonse Beau de Rochas 1862 in Frankreich das Viertaktverfahren. Die entscheidende Neuerung bei diesen frühen Entwicklungen war der Verdichtungstakt und die dafür notwendige Ventilsteuerung.

Nicolaus August Otto war 1864 zusammen mit Eugen Langen Mitbegründer der ersten Motorenfabrik weltweit: N. A. Otto & Cie. in Köln. Aus dieser ging 1872 die Gasmotoren-Fabrik DEUTZ AG hervor. Hier waren später auch Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach tätig, Daimler als technischer Direktor und Maybach als Leiter der Motorenkonstruktion.

Otto selbst entwickelte bis 1876 den atmosphärischen Flugkolbenmotor, basierend auf einem älteren Zweitakt-Gasmotor von Lenoir (patentiert 1860). Dieser Motor nutzte den atmosphärischen Druck, um Arbeit zu verrichten, nachdem der Kolben durch die Gasexpansion nach oben geschleudert wurde.

Otto erwarb 1877, im Gründungsjahr des Kaiserlichen Patentamts, ein deutsches Patent auf einen Viertaktmotor. Dieser Motor, der mit Leuchtgas betrieben wurde, leistete 3 PS (etwa 2200 W) bei einer Drehzahl von 180 min−1. Er wurde ab 1877 als „Ottos neuer Motor“ vertrieben. Der Lizenznehmer Crossley Brothers in Manchester bewarb ihn als Otto engine. Von Deutz und seinen Lizenznehmern wurden rund 5000 Exemplare dieses Motors gebaut.

Wegen älterer Patentansprüche und der vorherigen Erfindungen des Viertaktmotors wurde das sogenannte Otto-Patent (Patent 532 von Deutz) am 30. Januar 1886 und 1889 in Deutschland gerichtlich aufgehoben. Dies ermöglichte es Gottlieb Daimler und Carl Benz, ab 1886 ebenfalls Viertaktmotoren zu bauen und zu verkaufen. Außerhalb Deutschlands blieben die weltweiten Patente jedoch bei Crossley. Das Motorenbau-Unternehmen Crossley existiert heute noch in Form einer Produktlinie von Schiffsmotoren des Herstellers Rolls-Royce, auch wenn der historische Standort in Manchester 2010 geschlossen wurde.

Arbeitsverfahren des Ottomotors

Allen Ottomotoren gemeinsam ist das grundlegende Arbeitsverfahren, das sich in mehreren Phasen abspielt. Die gebräuchlichste Form ist der Viertaktmotor, der ein Arbeitsspiel über vier Takte oder Kolbenhübe und zwei Kurbelwellenumdrehungen durchläuft.

Das Viertaktverfahren

Das Arbeitsspiel eines Viertaktmotors gliedert sich in vier Takte:

1. Ansaugtakt: Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT). Das Einlassventil ist geöffnet, das Auslassventil geschlossen. Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Unterdruck im Zylinder erzeugt, der frisches Kraftstoff-Luftgemisch in den Brennraum saugt. Gegen Ende des Taktes schließt das Einlassventil.
2. Verdichtungstakt: Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT. Beide Ventile sind geschlossen. Das angesaugte Gemisch wird auf etwa 10 % seines Ausgangsvolumens komprimiert. Dabei entsteht ein Druck von ca. 20 bar.
3. Arbeitstakt: Kurz vor dem oberen Totpunkt wird das verdichtete Gemisch durch den Funken der Zündkerze gezündet. Die Verbrennungsflamme breitet sich schnell aus, und das Gas erhitzt sich auf über 2000 °C. Der Druck im Zylinder steigt stark an, er kann 80 bis 100 bar erreichen. Dieser hohe Druck drückt den Kolben vom OT zum UT und verrichtet dabei nutzbare Arbeit, die über die Kurbelwelle abgenommen wird. Während der Expansion kühlt das Gas ab und der Druck sinkt auf etwa 2 bar, die Temperatur auf etwa 1000 °C.
4. Auspufftakt (Gaswechsel): Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT. Das Auslassventil öffnet sich zu Beginn dieses Taktes, während das Einlassventil geschlossen bleibt. Der aufwärtsfahrende Kolben drückt die verbrannten Abgase aus dem Zylinder in den Auspuff. Am oberen Totpunkt schließt das Auslassventil.

Danach beginnt der Zyklus erneut mit dem Ansaugtakt. Ein komplettes Arbeitsspiel (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) benötigt zwei Kurbelwellenumdrehungen.

Das Zweitaktverfahren

Beim Zweitaktmotor braucht ein Arbeitsspiel nur zwei Takte (Hübe des Kolbens) und eine Umdrehung der Kurbelwelle. Die Takte sind Ansaugen/Spülen/Ausstoßen und Verdichten/Arbeiten.

Am Ende des Arbeitstaktes gibt der zurückfahrende Kolben kurz vor dem unteren Totpunkt erst Auslass- und dann Einlass- oder Überströmkanäle frei. Die verbrannten Abgase entweichen durch den Auslasskanal, während gleichzeitig frisches Gemisch durch die Überströmkanäle in den Zylinder strömt und die restlichen Abgase verdrängt (Spülvorgang).

Wenn der Kolben sich wieder nach oben bewegt, verschließt er zuerst die Einlass-/Überströmkanäle und dann den Auslasskanal. Das im Zylinder befindliche Gemisch wird verdichtet. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird es gezündet, und der Kolben wird nach unten gedrückt (Arbeitstakt). Während der Abwärtsbewegung gibt der Kolben wieder die Kanäle frei, und der Zyklus beginnt von neuem.

Bei einfachen Zweitaktmotoren erfolgt die Vorkompression des Frischgemisches im Kurbelgehäuse durch die Abwärtsbewegung des Kolbens. Daher können solche Motoren keinen Schmierölvorrat im Kurbelgehäuse haben und benötigen ein Öl-Benzin-Gemisch als Kraftstoff zur Schmierung. Größere Zweitaktmotoren können einen geschlossenen Schmierölkreislauf haben, benötigen dann aber eine externe Spülpumpe oder ein Gebläse.

Vergleich: Zwei- und Viertaktmotor

Basierend auf den bereitgestellten Informationen können wir die beiden Bauarten vergleichen:

Zweitaktmotoren werden in der Regel verwendet, wenn es statt um Kraftstoffkosten um geringe Anschaffungskosten oder ein niedriges Masse-Leistungs-Verhältnis geht. Viertaktmotoren sind durch ihre Ventilsteuerung besser über ein breiteres Drehzahlband abstimmbar und haben meist einen niedrigeren spezifischen Kraftstoffverbrauch, was den höheren konstruktiven Aufwand und das höhere Gewicht oft rechtfertigt.

Merkmale des Ottomotors

Einige grundlegende Merkmale definieren den klassischen Ottomotor:

• Fremdzündung: Das Gemisch wird zu einem bestimmten Zeitpunkt durch einen Funken einer oder mehrerer Zündkerzen gezündet.
• Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden typischerweise schon vor der Verdichtung gemischt (z. B. im Vergaser oder Saugrohr).
• Quantitative Regelung: Die Leistung des Motors wird durch die Menge des angesaugten Kraftstoff-Luftgemisches gesteuert. Dies geschieht traditionell durch eine Drosselklappe, die den Luftstrom begrenzt. Bei modernen Motoren kann dies auch über variable Öffnungszeiten und Hübe der Einlassventile erfolgen.
• Verbrennungsflamme: Die Verbrennungsflamme ist eine Vormischflamme.

Es gibt jedoch Entwicklungen, die von diesen klassischen Merkmalen abweichen. Insbesondere die Benzindirekteinspritzung, bei der der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird, widerspricht dem Merkmal der äußeren Gemischbildung. Dies ermöglicht beispielsweise Schichtladungen, bei denen das Gemisch im Zylinder unterschiedlich zusammengesetzt ist (z. B. fettes, zündfreudiges Gemisch an der Zündkerze und mageres Gemisch im Rest des Brennraums bei Magermotoren).

Auch Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI), die je nach Betriebszustand selbstzündend oder fremdzündend arbeiten können, entsprechen nicht vollständig den Merkmalen eines klassischen Ottomotors, werden aber oft als Ottomotoren bezeichnet, wenn sie für den Benzinbetrieb ausgelegt sind.

Kraftstoffe

Ottomotoren sind flexibel in Bezug auf die verwendeten Kraftstoffe. Neben dem gebräuchlichsten Motorenbenzin können auch andere brennbare Gase oder Flüssigkeiten verwendet werden. Dazu gehören:

• Flüssiggas (Propan und Butan)
• Methan (Erdgas, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas)
• Gichtgas
• Ethanol/Methanol
• Wasserstoff

Theoretisch sind alle brennbaren Gase verwendbar. Wichtig ist, dass die Motoreinstellungen wie Zündzeitpunkt, Zündstärke, geometrisches Verdichtungsverhältnis und Luft-/Kraftstoffverhältnis auf den jeweiligen Treibstoff abgestimmt sein müssen. Ein Mischbetrieb ist begrenzt möglich, erfordert aber meist entsprechende Anpassungen.

Gemischbildung und Zündung

Die Art und Weise, wie Kraftstoff und Luft gemischt werden, hat sich beim Ottomotor entwickelt. Früher war der Vergaser üblich, bei dem der flüssige Kraftstoff in der angesaugten Luft zerstäubt wurde. Später setzte sich die Saugrohreinspritzung durch, bei der der Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt wird, kurz bevor er in den Zylinder gelangt. Seit etwa der Jahrtausendwende hat sich zunehmend die Benzindirekteinspritzung etabliert, bei der der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird, oft während des Verdichtungstaktes.

Die Zündung des Gemisches erfolgt durch eine Zündkerze. Der Zündzeitpunkt ist entscheidend für den effizienten Betrieb. In der Anfangszeit wurde der Zündzeitpunkt manuell oder mechanisch über Fliehgewichte und Unterdruckdosen eingestellt. Bei modernen Motoren wird der Zündzeitpunkt elektronisch vom Motorsteuergerät berechnet. Dabei werden verschiedene Parameter berücksichtigt, wie Last, Drehzahl, Klopfneigung des Kraftstoffs und Temperaturwerte, um den optimalen Zündzeitpunkt zu finden und gegebenenfalls zu korrigieren. Der beste Zündzeitpunkt liegt oft kurz vor dem oberen Totpunkt, verschiebt sich aber bei höherer Drehzahl weiter in Richtung früh (bis ca. 40° vor OT), um der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme Rechnung zu tragen.

Hubraum

Der Hubraum ist ein wichtiges Merkmal eines Motors und korreliert stark mit dem potenziell erreichbaren Drehmoment. Der Hubraum eines Zylinders ist das Volumen, das der Kolben auf seinem Weg vom unteren zum oberen Totpunkt verdrängt. Bei Mehrzylindermotoren wird der Gesamthubraum durch die Addition der Hubräume aller Zylinder ermittelt.

Die physikalischen Abmessungen eines Motors hängen stark vom Hubraum ab, sind aber in der Praxis deutlich größer als das reine Hubvolumen, bedingt durch Anbauteile, das Kühlsystem und die Motorsteuerung. Luftgekühlte Motoren benötigen aufgrund ihrer Kühlrippen oft mehr Platz als wassergekühlte.

Die Bandbreite des Hubraums bei Ottomotoren ist enorm. Bei Kraftfahrzeugen sind Hubräume ab ca. 0,4 Litern üblich. Kleinste Motoren, wie sie in Modellflugzeugen verwendet werden (Glühzünder-Bauweise), können nur 0,16 cm³ Hubraum haben. Am anderen Ende der Skala gab es historische Beispiele wie den Pierce Arrow von 1912 mit 13,5 Litern oder den Flugmotor BMW 803 aus den 1940er Jahren mit einem Gesamthubraum von beeindruckenden 84 Litern.

Wirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad eines Ottomotors gibt an, wie viel Prozent der im Kraftstoff enthaltenen Energie tatsächlich in nutzbare mechanische Arbeit umgewandelt wird. Ein erheblicher Teil der Energie geht als Wärme verloren (über den Auspuff und die Kühlung) oder wird durch Reibung verbraucht.

Der maximale Wirkungsgrad moderner Ottomotoren liegt bei etwa 40 %. Dieser Wert wird oft von Motoren erreicht, die nach dem sogenannten Atkinson-Zyklus oder Miller-Zyklus arbeiten. Bei diesen Verfahren ist das Expansionsverhältnis größer als das Verdichtungsverhältnis, was die Energieausnutzung verbessert. Allerdings wird dieser maximale Wirkungsgrad nur unter optimalen Betriebsbedingungen erreicht, typischerweise bei hoher Last und mittlerer Drehzahl.

Im Teillastbetrieb, wie er beispielsweise bei konstanter Fahrt auf der Autobahn mit 100 km/h vorkommt, ist der Wirkungsgrad deutlich geringer. Hier können Werte von lediglich 10 % erreicht werden. Dies liegt unter anderem an den Drosselverlusten (bei Motoren mit Drosselklappe) und ungünstigeren Verbrennungsbedingungen. Die Verbesserung des Wirkungsgrads, insbesondere im Teillastbereich, ist ein wichtiges Ziel bei der Weiterentwicklung von Ottomotoren.

Häufig gestellte Fragen zum Ottomotor

Hier beantworten wir einige häufige Fragen basierend auf den bereitgestellten Informationen.

Wer gilt als Erfinder des Viertaktverfahrens?
Obwohl Nicolaus August Otto die Erfindung des Viertaktverfahrens zugeschrieben wurde und sein Name für den Motor steht, erhielten Christian Reithmann (1860) und Alphonse Beau de Rochas (1862) bereits vorher Patente auf das Viertaktverfahren.

Was ist der Unterschied zwischen Ottos Flugkolbenmotor und dem Ottomotor?
Ottos Flugkolbenmotor von 1867 war ein atmosphärischer Gasmotor, der nach einem anderen Prinzip arbeitete. Er nutzte den atmosphärischen Druck zur Arbeitsleistung, nachdem der Kolben durch Gasexpansion nach oben geschleudert wurde. Der moderne Ottomotor basiert auf der Kompression eines Gemisches und der anschließenden Fremdzündung.

Was sind die Hauptmerkmale eines klassischen Ottomotors?
Die Hauptmerkmale sind Fremdzündung (durch Zündkerze), äußere Gemischbildung (Mischung vor der Verdichtung, mit Ausnahme der Direkteinspritzung) und quantitative Regelung (Leistungssteuerung über die Menge des Gemisches).

Welche Kraftstoffe kann ein Ottomotor verwenden?
Neben Benzin kann ein Ottomotor auch Flüssiggas, Methan (Erdgas, Biogas etc.), Gichtgas, Ethanol/Methanol, Wasserstoff und theoretisch alle anderen brennbaren Gase verwenden, wenn die Motoreinstellungen angepasst sind.

Wie hoch ist der maximale Wirkungsgrad eines Ottomotors?
Der maximale Wirkungsgrad moderner Ottomotoren liegt bei etwa 40 %, insbesondere bei Motoren, die im Atkinson-Zyklus arbeiten. Im Teillastbetrieb ist der Wirkungsgrad jedoch deutlich geringer.

Warum ist der Viertaktmotor die gebräuchlichere Bauart?
Obwohl konstruktiv aufwendiger, bietet der Viertaktmotor Vorteile wie geringeren Kraftstoffverbrauch, bessere Abstimmbarkeit über ein breiteres Drehzahlband und geringere Emissionen (insbesondere bei Kohlenwasserstoffen im Vergleich zu einfachen Zweitaktern ohne Direkteinspritzung), was ihn für die meisten Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugen, besser geeignet macht.

Fazit

Der Ottomotor, benannt nach Nicolaus August Otto, ist eine bahnbrechende Erfindung, deren Entwicklung jedoch von mehreren Akteuren vorangetrieben wurde. Das Viertaktverfahren ist heute die dominierende Bauart und zeichnet sich durch einen strukturierten Arbeitsablauf aus vier Takten aus. Während klassische Merkmale wie Fremdzündung, äußere Gemischbildung und quantitative Regelung den Ottomotor definieren, zeigen moderne Entwicklungen wie die Benzindirekteinspritzung die fortlaufende Evolution dieser Technologie. Die Fähigkeit, verschiedene Kraftstoffe zu nutzen, und die stetige Verbesserung des Wirkungsgrad machen den Ottomotor auch weiterhin zu einer relevanten Antriebsquelle in vielen Bereichen.

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