Otto-Zyklus

Der Otto-Zyklus beschreibt, wie Wärmekraftmaschinen Benzin in Bewegung umsetzen. Wie andere thermodynamische Zyklen wandelt dieser Zyklus chemische Energie in Wärmeenergie und dann in Bewegung um. Der Otto-Zyklus beschreibt, wie Verbrennungsmotoren (die mit Benzin betrieben werden) wie Autos und Rasenmäher funktionieren.

Anwendung

Der Otto-Zyklus liefert die Energie für die meisten Verkehrsmittel und war für die moderne Welt von entscheidender Bedeutung. Die meisten Autos, die heute auf den Straßen unterwegs sind, nutzen den Otto-Zyklus, um Benzin in Bewegung umzuwandeln. Jede Maschine (die Liste ließe sich endlos fortsetzen), die mit Benzin betrieben wird, wird in zwei Kategorien von Motoren unterteilt, wie unten dargestellt.

• Typen von Motoren, die den Otto-Zyklus verwenden
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  Abbildung 1. Ein Zweitaktmotor

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  Abbildung 2. Ein Viertaktmotor

Die Seiten der Motoren enthalten Einzelheiten über ihre einzigartigen Mechanismen und eine Erklärung, wie sie den Otto-Zyklus verwenden, der leicht modifiziert ist.

Der ideale Otto-Zyklus

Abbildung 3. Das Druck-Volumen-Diagramm eines idealen Otto-Zyklus-Prozesses. Er besteht aus zwei isochoren, zwei adiabaten und zwei isobaren Prozessen (für Einlass und Auslass)

Das PV-Diagramm (Druck-Volumen-Diagramm) des idealen Otto-Zyklus ist in Abbildung 3 dargestellt. Dieses Diagramm zeigt, wie sich Druck und Volumen des Arbeitsmediums (Benzin und Luft als Kraftstoff) durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen ändern, die die Bewegungen eines Kolbens antreiben und Wärme erzeugen, um ein Fahrzeug in Bewegung zu setzen. Es gibt Expansionsbewegungen des Kolbens (Vergrößerung des Volumens der Kammer), die entstehen, wenn die Wärmeenergie aus der Verbrennung freigesetzt wird, wodurch das Gas und der Kolben Arbeit verrichten. Im Gegensatz dazu wird der Motorraum komprimiert (Volumenverringerung), wenn der Kolben Arbeit am Gas verrichtet.

Es ist wichtig zu beachten, dass Abbildung 3 einen idealen Prozess für jeden Motor darstellt, der den Otto-Zyklus verwendet. Sie beschreibt die grundlegenden Arbeitsschritte in einem Ottomotor. Die leichte Modifikation, die eine realistischere Situation des PV-Diagramms des Otto-Zyklus für einen Zweitakt- und Viertaktmotor darstellt, wird auf den entsprechenden Seiten erläutert. Die vom Motor geleistete Arbeit kann durch Lösen der Fläche des geschlossenen Kreislaufs berechnet werden.

Im Folgenden wird beschrieben, was während der einzelnen Schritte im PV-Diagramm geschieht, in denen die Verbrennung der Arbeitsflüssigkeit – Benzin und Luft (Sauerstoff) – die Bewegung im Kolben verändert:

Grüne Linie: In der so genannten Ansaugphase wird der Kolben nach unten gezogen, damit sich das Volumen in der Kammer vergrößert und er ein Kraftstoff-Luft-Gemisch „ansaugen“ kann. In der Thermodynamik wird dies als isobarer Prozess bezeichnet.

Prozess 1 bis 2: In dieser Phase wird der Kolben nach oben gezogen, damit er das in die Kammer eingetretene Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichten kann. Durch die Verdichtung steigt der Druck und die Temperatur des Gemisches leicht an – es findet jedoch kein Wärmeaustausch statt. In der Thermodynamik wird dies als adiabatischer Prozess bezeichnet. Wenn der Zyklus den Punkt 2 erreicht, trifft der Kraftstoff auf die Zündkerze und wird gezündet.

Prozess 2 bis 3: Hier erfolgt die Verbrennung durch die Zündung des Kraftstoffs durch die Zündkerze. Die Verbrennung des Gases ist an Punkt 3 abgeschlossen, was zu einer Kammer mit hohem Druck und viel Wärme (thermischer Energie) führt. In der Thermodynamik spricht man hier von einem isochoren Prozess.

Prozess 3 bis 4: Die thermische Energie in der Kammer als Ergebnis der Verbrennung wird genutzt, um Arbeit am Kolben zu verrichten, wodurch der Kolben nach unten gedrückt wird und sich das Volumen der Kammer vergrößert. Dieser Vorgang wird auch als „Powerstoke“ bezeichnet, da hier die Wärmeenergie in Bewegung umgesetzt wird, um die Maschine oder das Fahrzeug anzutreiben.

Violette Linie (Prozess 4 bis 1 und Abgasphase): In den Prozessen 4 bis 1 wird die gesamte Abwärme aus dem Motorraum abgeführt. Wenn die Wärme das Gas verlässt, verlieren die Moleküle an kinetischer Energie, was zu einem Druckabfall führt. Die Auslassphase tritt dann ein, wenn das verbleibende Gemisch in der Kammer durch den Kolben komprimiert wird, um ohne Druckveränderung „ausgestoßen“ zu werden.

Für weitere Lektüre

• Zweitaktmotor und Viertaktmotor
• Wärmemotor
• PV-Diagramm
• Verbrennung
• Benzin
• Diesel- vs. Ottomotor

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