Verbrennungsmotoren – der Ottoprozess

Einführung

Mit den nunmehr verfügbaren Kenntnissen über Kreisprozesse können jetzt konkrete Wärmekraftmaschinen untersucht und verglichen werden. Trotz der Vielzahl möglicher Kreisprozesse haben sich nur zwei Konzepte, nämlich der Otto- und der Dieselkreisprozess, im mobilen Bereich weitestgehend durchgesetzt. Otto- oder Dieselmotoren sind nicht nur in Fahrzeugen aller Art zu finden, sondern auch in Schiffen oder Flugzeugen. Beide sind in Deutschland erfunden worden und haben sich weltweit verbreitet. Ihre Abgase verursachen allerdings auch große Umweltprobleme.  Beide gewinnen die erforderliche Wärme aus Verbrennungsprozessen, weshalb sie zu der Kategorie der Verbrennungsmotoren gehören. Heutzutage werden Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung Ottomotoren genannt. Diese Motoren gehen zurück auf den deutschen Erfinder Nicolaus August Otto.

Der Ottomotor

Am weitesten verbreitet sind Vier-Takt-Ottomotoren, die den Kreisprozess in vier unterscheidbaren Abschnitten durchlaufen. Es sind dies der Ansaugtakt, der Verdichtungstakt, der eigentliche Arbeitstakt und der Ausschubtakt. Der schematische Aufbau, die Funktionsweise und das zugehörige p(V)-Diagramm sind in der unten dargestellten Animation zu sehen. Im Zylinder bewegt sich der Kolben zwischen oberem und unterem Totpunkt (OT und UT).

Der Otto-Vergleichsprozess

Will man den jeweiligen realen Kreisprozess (hier den Otto-Prozess) thermodynamisch genauer beurteilen, so ersetzt man den realen Prozess durch einen idealen Vergleichsprozess . Dazu nähert man den realen Prozess durch bekannte thermodynamische Prozesse an. Zusätzlich wird statt des realen Arbeitsmittels (z.B. Benzin-Luft-Gemisch) ein ideales Gas zugrunde gelegt. Der Vergleichsprozess hat den Vorteil, dass er rechnerisch erfassbar ist. Den daraus errechneten Wirkungsgrad vergleicht man mit dem gemessenen Wirkungsgrad, daraus erkennt man, wie nahe ein bestimmter realer Energiewandler der mit dem betrachteten Kreisprozess bestmöglichen Energiewandlung kommt.

Wirkungsgrad

In die Formel für den Wirkungsgrad des Otto-Vergleichprozesses geht das Verdichtungsverhältnis ein. Während normale Ottomotoren ein Verdichtungsverhältnis im Bereich von e = 8 haben, erreichen hochverdichtete Ottomotoren e = 12 und mehr. Dadurch erreicht man einen höheren Wirkungsgrad und damit eine höhere Leistung des Motors. Allerdings wächst mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis die Gefahr der Selbstentzündung des Benzin-Luft-Gemisches. Durch die hohe Kompression des Gemisches steigt seine Temperatur ebenfalls an. Die Motoren benötigen Kraftstoffe mit hohen Selbstentzündungstemperaturen.