Der Otto-Kreislauf, Zweitakt- & Dieselmotoren: Funktionsweise erklärt

Der Otto-Kreislauf: Funktionsweise und Merkmale

Der Otto-Kreislauf beschreibt die Funktionsweise von Viertakt-Verbrennungsmotoren, wie sie in den meisten Pkw zum Einsatz kommen. Er besteht aus vier aufeinanderfolgenden Takten, die den Prozess der Energieumwandlung von Kraftstoff in mechanische Arbeit ermöglichen.

Die vier Takte des Otto-Kreislaufs

• 1. Ansaugtakt (0-1)

  Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) nach unten. Dabei öffnet sich das Einlassventil, und ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft (Frischgas) strömt durch den Unterdruck in den Zylinder.

• 2. Verdichtungstakt (1-2)

  Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt (UT) nach oben. Beide Ventile sind geschlossen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dabei adiabatisch komprimiert, wodurch Druck und Temperatur stark ansteigen.

• 3. Arbeitstakt (2-3 und 3-4)

  Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts zündet die Zündkerze das hochkomprimierte Gemisch. Die explosionsartige Verbrennung führt zu einem rapiden Druck- und Temperaturanstieg, der den Kolben mit großer Kraft nach unten drückt. Dies ist der einzige Takt, der mechanische Arbeit leistet. Beide Ventile bleiben währenddessen geschlossen.

• 4. Ausstoßtakt (4-1 und 1-0)

  Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt (UT) nach oben. Das Auslassventil öffnet sich, und die verbrannten Abgase werden aus dem Zylinder in den Auspufftrakt gedrückt. Im Idealfall kommt es nach dem Arbeitstakt zu einem plötzlichen Druckabfall bei konstantem Volumen, bevor der Ausstoßtakt beginnt.

Wichtige Begriffe im Otto-Motor

• Totpunkte (OT & UT)

  Die Totpunkte sind die Umkehrpunkte des Kolbens in seiner Bewegung: der obere Totpunkt (OT), die höchste Position des Kolbens, und der untere Totpunkt (UT), die tiefste Position des Kolbens.

• Verdichtungsverhältnis

  Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des gesamten Zylindervolumens bei unterem Totpunkt (V₁) zum Restvolumen bei oberem Totpunkt (V₂). Es ist ein entscheidender Faktor für den Wirkungsgrad des Motors.

• Hubraum

  Der Hubraum ist das Volumen, das der Kolben zwischen dem oberen und unteren Totpunkt verdrängt. Er berechnet sich aus der Differenz des Zylindervolumens bei UT und OT.

• Hub

  Der Hub ist der vertikale Abstand, den der Kolben zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) zurücklegt.

Zweitaktmotoren: Aufbau und Funktionsweise

Um die Leistung pro Zylinder zu erhöhen, wurden Motoren entwickelt, die den gesamten Zyklus in nur zwei Kolbenhüben absolvieren. Diese Motoren sind wesentlich einfacher aufgebaut als Viertaktmotoren, da sie keine Ventile, Einlass- oder Auslassnockenwellen benötigen. Stattdessen erfolgen Ein- und Auslass über sogenannte Schlitzkanäle (oder Überströmkanäle), die sich als Öffnungen in der Zylinderwand befinden und vom Kolben während seiner Bewegung geöffnet und geschlossen werden.

Der Zweitaktmotor kombiniert die vier Takte des Otto-Kreislaufs in zwei Hüben:

• 1. Takt: Abwärtsbewegung des Kolbens

  Wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, erfolgt die Zündung des Gemisches. Die Verbrennungsgase expandieren und drücken den Kolben nach unten. Sobald der Kolben den Auslasskanal freigibt, strömen die Abgase aufgrund des Überdrucks aus. Während der Kolben weiter nach unten sinkt, komprimiert er gleichzeitig das frische Gemisch im Kurbelgehäuse. Sobald der Überströmkanal freigegeben wird, strömt dieses frische Gemisch in den Zylinder und spült dabei die restlichen Abgase aus (Spülvorgang).

• 2. Takt: Aufwärtsbewegung des Kolbens

  Der Kolben beginnt seine Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt. Dabei werden zunächst der Spülvorgang und die Frischgaszufuhr abgeschlossen. Sobald die Ein- und Auslasskanäle geschlossen sind, beginnt die Verdichtung des Gases, die abgeschlossen ist, wenn der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kraftstoff gezündet.

Zweitaktmotoren werden häufig in kleinen Motorrädern, Booten und großen Schiffen eingesetzt. Allerdings benötigen sie oft einen Kompressor für die Frischgaszufuhr, um zu verhindern, dass ein Teil des frischen Gemisches direkt in den Auspuff gelangt oder Verbrennungsprodukte im Zylinder verbleiben. Die maximale Leistung ist oft nicht so hoch wie erwartet. Die mechanische Leistung dieser Motoren ist geringer als die von Viertaktmotoren, und sie weisen im Betrieb größere Schwankungen auf.

Dieselmotoren: Effizienz und Unterschiede

Im Gegensatz zum Ottomotor, bei dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, basiert der Dieselmotor auf dem Prinzip der Selbstzündung. Hierbei wird reine Luft stark komprimiert, wodurch ihre Temperatur so stark ansteigt, dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet. Dies ermöglicht höhere Wirkungsgrade.

Dies ist die Grundlage von Dieselmotoren, bei denen die Verdichtung so hoch ist, dass die Selbstzündung des Kraftstoffs stattfindet, was zu einer kontrollierten, fortschreitenden Verbrennung anstelle einer explosionsartigen Zündung führt. Dieselmotoren sind heute aufgrund ihrer hohen Effizienz und der Verwendung von günstigeren Kraftstoffen weit verbreitet.

Ein Nachteil kann die Gefahr des Dieselklopfens sein, wenn der Kraftstoff nicht im richtigen Moment in den Zylinder eingespritzt wird. Eine zu schnelle Verbrennung würde einen abrupten Druckanstieg verursachen, der sich als lautes Klopfen bemerkbar macht.