Ottomotor und Dieselmotor: Aufbau, Funktion und Vergleich

Ottomotor: Aufbau, Funktionsweise und Kreisprozess

Grundlagen des Ottomotors

Ottomotoren sind Verbrennungsmotoren, die ein Gemisch aus Benzin und Luft verbrennen. Sie verfügen über eine elektrische Zündung (Zündkerze) und arbeiten in einem 4-Takt-Zyklus.

Aufbau des Ottomotors

Ein Ottomotor besteht im Wesentlichen aus:

• Hubkolben
• Pleuel
• Kurbelwelle
• Zylinder mit Ein- und Auslassventilen

Der Kolben bewegt sich im Zylinder zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT). Die Strecke zwischen OT und UT ist der Hub. Das Zylindervolumen (Hubraum) wird berechnet als:

Hubraum = π · (Bohrung)² / 4 · Hub

Das Verdichtungsverhältnis ist ein wichtiger Kennwert und wird berechnet als:

Verdichtungsverhältnis = (Hubraum + Kompressionsraum) / Kompressionsraum

Der theoretische Otto-Kreisprozess (4-Takt-Motor)

1. 1. Takt: Ansaugen

   Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT). Das Einlassventil öffnet, und der Zylinder füllt sich mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch. Am unteren Totpunkt schließt das Einlassventil.

2. 2. Takt: Verdichten

   Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT und komprimiert das Gemisch im Brennraum. Die Kurbelwelle dreht sich weiter.

3. 3. Takt: Arbeiten (Expansion und Verbrennung)

   Kurz vor dem oberen Totpunkt wird das komprimierte Gemisch durch die Zündkerze entzündet. Die Verbrennung führt zu einem schnellen Druckanstieg, der den Kolben vom OT zum UT drückt. Dabei wird die chemische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt.

4. 4. Takt: Ausstoßen

   Das Auslassventil öffnet sich. Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT und drückt die verbrannten Abgase aus dem Zylinder.

Ventilsteuerzeiten und Ventilüberschneidung

Die Ventilsteuerzeiten beschreiben die genauen Zeitpunkte, zu denen die Ventile öffnen und schließen, um den Gaswechsel zu optimieren.

• EVA (Auslassventil öffnet): Das Auslassventil öffnet sich bereits kurz vor dem unteren Totpunkt (UT). Der Restdruck im Zylinder (ca. 3-4 bar) sorgt dafür, dass die Abgase schnell entweichen, wodurch der Druck im Zylinder rasch abfällt.
• AVA (Einlassventil öffnet): Das Einlassventil öffnet sich bereits kurz vor dem oberen Totpunkt (OT), während das Auslassventil noch geöffnet ist (Ventilüberschneidung). Dies nutzt die Strömungsenergie der entweichenden Abgase, um das Ansaugen von Frischgas zu unterstützen und den Zylinder besser zu füllen.
• EVS (Auslassventil schließt): Das Auslassventil schließt erst kurz nach dem oberen Totpunkt (OT). Durch die Trägheit der Abgase wird der Zylinder noch besser von Restgasen befreit.
• EVS (Einlassventil schließt): Das Einlassventil schließt erst kurz nach dem unteren Totpunkt (UT). Die Trägheit der einströmenden Frischgase wird genutzt, um den Zylinder optimal zu füllen (Nachladeeffekt).

Dieselmotor: Aufbau, Funktionsweise und Merkmale

Grundlagen des Dieselmotors

Der Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, der reine Luft ansaugt. Der Kraftstoff wird über ein Einspritzsystem direkt in den Zylinder eingespritzt. Die Zündung erfolgt durch Selbstzündung des Kraftstoffs, der sich beim Kontakt mit der stark komprimierten und dadurch erhitzten Luft entzündet. Auch der Dieselmotor ist ein 4-Takt-Motor.

Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt, nicht vorgemischt. Die Zündung erfolgt durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft (ca. 500 °C), die den eingespritzten Kraftstoff zur Selbstentzündung bringt. Die Zylinderfüllung sollte maximal sein.

Der theoretische Diesel-Kreisprozess (4-Takt-Motor)

1. 1. Takt: Ansaugen

   Der Kolben bewegt sich vom OT zum UT. Das Einlassventil öffnet, und reine Luft strömt in den Zylinder.

2. 2. Takt: Verdichten

   Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT und komprimiert die Luft stark, wodurch deren Temperatur erheblich ansteigt.

3. 3. Takt: Arbeiten (Einspritzung, Verbrennung und Expansion)

   Kurz vor dem OT wird der Kraftstoff über eine Einspritzdüse in den Zylinder gesprüht. Durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft entzündet sich der Kraftstoff selbstständig. Die Verbrennung und Expansion des Gases drücken den Kolben vom OT zum UT.

4. 4. Takt: Ausstoßen

   Das Auslassventil öffnet sich, wenn der Kolben am UT ist. Der Kolben bewegt sich vom UT zum OT und drückt die Abgase aus dem Zylinder.

Vergleich: Ottomotor vs. Dieselmotor

• Dieselmotor:
  • Ansaugen von reiner Luft.
  • Hohe Temperaturen am Ende der Kompression (ca. 500-700 °C).
  • Selbstzündung des Kraftstoffs.
  • Verbrennungsdruck von 70 bis 90 bar.
• Ottomotor:
  • Ansaugen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs.
  • Fremdzündung durch Zündkerze.
  • Schnelle Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen.
  • Maximaler Verbrennungsdruck von 30 bis 40 bar.

Motorkomponenten und Zündfolgen

Ventilsteuerung (Distribution)

Die Ventilsteuerung umfasst alle Komponenten, die das Öffnen und Schließen der Ventile regeln. Dazu gehören:

• Nockenwelle
• Steuerkette oder Zahnriemen
• Zahnräder
• Ventilfedern
• Ventilführungen
• Ventilsitze
• Kipphebel und Stößel

Anordnung der Nockenwelle

• OHV (Overhead Valve): Nockenwelle im Motorblock (seitlich).
• OHC (Overhead Camshaft) und DOHC (Double Overhead Camshaft): Nockenwelle im Zylinderkopf.

Kurbelwellenformen und Zündfolgen

Die Zündfolge beschreibt die Reihenfolge, in der die Zylinder eines Motors zünden.

• 4-Zylinder-Reihenmotor: Zündfolge: 1-3-4-2 oder 1-2-4-3.
• 4-Zylinder-Boxermotor: Zündfolge: 1-4-3-2.
• 5-Zylinder-Reihenmotor: Zündfolge: 1-2-4-5-3 (Zündabstand 144°).
• 6-Zylinder-Reihenmotor: Zündfolge: 1-5-3-6-2-4 oder 1-2-4-6-5-3 (Zündabstand 120°).
• 6-Zylinder-V-Motor: Zündfolge: 1-3-6-5-4-2.
• 8-Zylinder-V-Motor: Zündfolge: 1-5-4-8-6-3-7-2 (Zündabstand 90°).
• 12-Zylinder-W-Motor: Zündfolge: 1-12-5-8-3-10-6-7-2-11-4-9 (Zündabstand 60°).