DerOttomotor ist einVerbrennungsmotor, also eineWärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung. Kennzeichen des Ottomotors ist die Kompression eines Gemisches ausKraftstoff undLuft und die anschließende Fremdzündung durchZündkerzen. Ottomotoren mit Hubkolben gibt es alsZweitaktmotoren oder alsViertaktmotoren, bei Zweitaktmotoren braucht ein Arbeitsspiel zwei Takte (Hübe des Kolbens), also eine Umdrehung der Kurbelwelle, bei Viertaktmotoren vier Kolbenhübe, entsprechend zwei Kurbelwellenumdrehungen. Der Viertaktmotor ist die gebräuchlichere Bauart.

Das vom Ottomotor abgegebeneDrehmoment wird traditionell durchDrosseln des angesaugten Gemisches mit einerDrosselklappe eingestellt. Die früher übliche Zuordnung nach „äußerer Gemischbildung“ mitVergaser oderSaugrohreinspritzung für Ottomotoren und „innerer Gemischbildung“ beiDieselmotoren (Kraftstoff und Luft werden erst imBrennraum gemischt) ist seit der Einführung derBenzindirekteinspritzung bei Ottomotoren nicht mehr in jedem Fall eindeutig.

Der Name „Ottomotor“ geht auf eine Anregung desVDI aus dem Jahre 1936 zurück und wurde erstmals im Jahre 1946 in derDIN Nr. 1940 verwendet. Namensgeber istNicolaus August Otto, dem die Erfindung desViertaktverfahrens zugeschrieben wurde. Der von Otto auf derWeltausstellung Paris 1867 gezeigteFlugkolbenmotor ist jedoch kein Ottomotor, sondern ein atmosphärischer Gasmotor, dessen Funktionsprinzip sich von dem des Ottomotors unterscheidet.

1864 warNicolaus August Otto zusammen mitEugen Langen Mitbegründer der weltweit ersten MotorenfabrikN. A. Otto & Cie. inKöln, aus der 1872 dieGasmotoren-Fabrik DEUTZ AG hervorging, die als technischen DirektorGottlieb Daimler undWilhelm Maybach als Leiter der Motorenkonstruktion engagierte. Otto entwickelte bis 1876 im Anschluss an einen 1860 patentiertenZweitakt-Gasmotor vonLenoir einenFlugkolbenmotor, auch atmosphärischer Motor genannt. Bei diesem Motor schleudert der Druck des Arbeitsgases den Kolben frei im Zylinder nach oben. Auf dem Rückweg, sobald der Gasdruck auf denAtmosphärendruck gesunken ist, verrichtet er über eine Zahnstange und einen Freilauf Arbeit. In der Endstellung des Kolbens wird das Abgas ausgestoßen und frisches Gas-Luft-Gemisch eingelassen.

Zu dieser Zeit wurde auch der Viertaktmotor erfunden, für denChristian Reithmann am 26. Oktober 1860 mehrere Patente erhielt und unabhängig davon auchAlphonse Beau de Rochas 1862 inFrankreich. Die wesentliche Neuerung war der Verdichtungstakt und die dafür nötige Ventilsteuerung.

Auch Otto erwarb 1877, dem Gründungsjahr des „Kaiserlichen Patentamts“, ein deutsches Patent auf einen Viertaktmotor. Dieser mitLeuchtgas betriebeneViertakt-Motor leistete 3 PS (etwa 2200 W) bei einerDrehzahl von 180 min⁻¹. Er wurde ab 1877 produziert und als „Ottos neuer Motor“ vertrieben. Der LizenznehmerCrossley Brothers inManchester bewarb ihn alsOtto engine.^[1] Von Deutz und seinen Lizenznehmern wurden rund 5000 Exemplare gebaut.^[1]

Dugald Clerk erfand 1878 einen Zweitaktmotor und erhielt am 11. Februar 1879 in Deutschland darauf ein Patent.

Wegen der älteren Patent-Ansprüche und der vorherigen Erfindungen des Viertaktmotors wurde das sogenannte Otto-Patent (Patent 532 vonDeutz) am 30. Januar 1886^[2] und 1889 in Deutschland per Gericht wieder aufgehoben. Gottlieb Daimler undCarl Benz konnten somit 1886 ohne Bedenken Viertaktmotoren bauen und verkaufen. Unabhängig davon hat 1888 bis 1889 auchSiegfried Marcus in Wien einKraftfahrzeug mit einem Ottomotor gebaut. Die weltweiten Patente außerhalb Deutschlands blieben bei Crossley.^[1] Von diesem Motorenbau-Unternehmen blieb der Name erhalten in Form einer Produktlinie von Schiffsmotoren des TriebwerkherstellersRolls-Royce. Der historische Standort in Openshaw (Manchester) wurde allerdings 2010 geschlossen.^[3]

Allen Ottomotoren gemeinsam ist ein Ablauf, der sich in vier Phasen gliedert (siehe nebenstehendes Bild):

1–2 Verdichtungstakt: Der Kolben fährt im Zylinder nach oben und drückt das Kraftstoff-Luftgemisch auf etwa 10 % seines Ausgangsvolumens zusammen, es entsteht ein Druck von ca. 20 bar.
2–3 Zünden und Verbrennen: Entzündet wird das Gemisch kurz vor dem oberenTotpunkt (OT) durch Funkenüberschlag an der Zündkerze. Die Flammfront breitet sich konzentrisch aus und erlischt an der kalten Brennraumwand. Das brennende Gas erhitzt sich auf über 2000 °C, der Druck im Zylinder steigt stark an, er kann 80…100 bar erreichen. Zwischen dem Zünden und Erreichen des maximalen Drucks verstreicht eine gewisse Zeit. Daher liegt der beste Zündzeitpunkt bei höherer Drehzahl früher (bis ca. 40° vor OT).
3–4 Arbeitstakt: Der zurückweichende Kolben entspannt das heiße Gas. Der Druck fällt dabei auf etwa 2 bar und die Temperatur auf etwa 1000 °C. Da das Gas während der Expansion wärmer ist, als es vorher beim Verdichten war, hat es bei der Expansion auch einen höheren Druck und verrichtet nutzbare Arbeit. Der Mittelwert des Druckunterschieds beim Verdichten und Arbeiten heißt mittlerer Arbeitsdruck oder kurzMitteldruck.
4–1 Gaswechsel (Spülen): Nach dem Arbeitstakt wird das Abgas aus dem Arbeitsraum entfernt und frisches Gas eingelassen.

• Beim Viertaktmotor läuft der Motor eine Umdrehung (zwei Takte) als Spülpumpe: Ein gesteuertes Auslassventil öffnet sich zu Beginn des Auspufftaktes und der hoch fahrende Kolben drückt das Abgas in den Auspuff. Hat der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, schließt der Auslass, das Einlassventil wird geöffnet und der herunterfahrende Kolben saugt frisches Gas in den Zylinder. Gegen Ende des Ansaugtaktes schließt der Einlass; im unteren Totpunkt beginnt wieder ein Verdichtungstakt.
• Beim schlitzgesteuerten Zweitaktmotor gibt der zurückfahrende Kolben kurz vor dem unteren Totpunkt erst Auslass- und dann Einlassschlitze frei. Das Abgas entweicht, frisches Gas strömt nach. Um das Gas in den Zylinder zu drücken, ist eine eigene Spülpumpe notwendig, im einfachsten Fall ist das das Kurbelgehäuse mit der Kolbenunterseite.

Als Kraftstoffe für Ottomotoren können außerMotorenbenzin auchFlüssiggas (Propan und Butan), Methan (Erdgas,Biogas,Klärgas,Deponiegas,Grubengas),Gichtgas sowieEthanol/Methanol,Wasserstoff und theoretisch alle anderen brennbaren Gase verwendet werden. Motoreinstellungen wie Zündzeitpunkt/Zündstärke, geometrisches Verdichtungsverhältnis und Luft-/Kraftstoffverhältnis müssen auf den Treibstoff abgestimmt sein. Mischbetrieb ist gleichzeitig oder alternativ (begrenzt) möglich, verlangt dann aber meist entsprechende Anpassungen.

FlüssigerKraftstoff – in der Regel Motorenbenzin – wird in der angesaugten Frischluft zerstäubt; entwedervor dem Ansaugen mit einemVergaser oder durchSaugrohreinspritzung, oder aber seit etwa der Jahrtausendwendenach dem Ansaugen beiBenzindirekteinspritzung. Bei PKW-Motoren ist die Einspritzung seit Ende der 1980er meist elektronisch gesteuert.

Gezündet wird das Gemisch kurz vor dem oberen Totpunkt.

In der Anfangszeit des Motormanagements wurden manuell oder über Fliehgewichte und Unterdruckdosen betätigte Verstellmechanismen verbaut.

Bei modernen Motoren wird der Zündzeitpunkt von einer elektronischen Motorsteuerung je nach Last, Drehzahl, Klopfneigung oder Temperaturwerten berechnet und ggf. korrigiert.

Beim Zweitaktmotor werden am Ende des Arbeitstaktes und am Beginn des Verdichtungstakts gleichzeitig die Verbrennungsgase ausgestoßen und das Frischgemisch eingeleitet, meistens indem das Frischgemisch die Verbrennungsgase verdrängt. Bei kleinen Motoren, etwa in Gartengeräten oder Straßenfahrzeugen, steuert meist der Kolben Ein- und Auslasszeitpunkt, indem er bei entsprechender Stellung Gaskanäle frei gibt oder verdeckt. Bei Vergasermotoren oder Saugrohreinspritzung sind Spülverluste unvermeidlich, was den Verbrauch erhöht und zu drastischen Kohlenwasserstoffemissionen^[4] führt. Bei Direkteinspritzung können die Spülverluste reduziert werden. Eine weitere Methode zur Reduzierung der Spülverluste in einem begrenzten Drehzahlbereich ist die Verwendung einesResonanzauspuffs. Dabei wird die Druckwelle, mit der der Abgasstrom beim Öffnen der Auslasskanäle in den Auspuff schießt, reflektiert. Die zurückeilende Druckwelle schiebt dann das Frischgemisch, das zum Ende des Spülvorgangs bereits in den Auspuff geströmt ist, teilweise wieder in den Zylinder zurück.

Weiterhin ist der nutzbare Kolbenhub für Verdichtung und Arbeitstakt kürzer als der Gesamthub zwischen den beidenTotpunkten, da er erst mit dem Schließen der Überström- und Auslasskanäle beginnt und mit dem Öffnen der Kanäle endet. Deshalb wird beim Zweitaktverfahren eine geringereArbeit pro Arbeitstakt geleistet. Das wird teilweise durch die doppelte Anzahl von Arbeitstakten bei gleicher Drehzahl (jede Umdrehung ist ein Arbeitstakt statt nur jede zweite) ausgeglichen. Mit Zweitaktmotoren ist im Vergleich zu Viertaktmotoren, leichter ein niedrigesLeistungsgewicht zu erreichen. Ein Nachteil beim spezifischenKraftstoffverbrauch bleibt jedoch erhalten. Bei einfachen, kleinen Zweitaktmotoren wird die Ansaugluft im Kurbelgehäuse vorkomprimiert, weshalb sich dort kein Schmierölvorrat befindet: Solche Zweitakter tanken zur Motorschmierung ein Öl-Benzin-Gemisch. Größere und aufwendiger gebaute Zweitaktmotoren können einen geschlossenen Schmierölkreis haben, brauchen dann aber für die Zylinderfüllung eine externeSpülpumpe oder -gebläse. Bei Zweitaktmotoren ist die Resonanzschwingung der Gassäule im Ansaug- und Abgastrakt für den Füllungsgrad im Zylinder entscheidend, eine gute Zylinderfüllung und damit gute Leistung und gutes Drehmoment ist daher nur in einem relativ schmalen Drehzahlbereich, dem Resonanzbereich der Ansaug- und Auspuffanlage möglich.

Zweitakt-Ottomotoren werden in der Regel verwendet, wenn es, statt um Kraftstoffkosten, um geringe Anschaffungskosten (wie beiMofas,Mopeds,Generatoren,Rasenmähern) oder ein niedrigesMasse-Leistungs-Verhältnis (etwa beiLeichtflugzeugen,Modellflugzeugen oderJet-Ski) oder bei tragbaren Arbeitsgeräten (Motorsägen) und bei speziellen Sportgeräten (Moto-Cross- undTrial-Motorräder) geht.

Beim Viertaktmotor sind dagegen Ein- und Auslasstakt getrennt und in jedem Zylinder gibt es nur alle zwei Umdrehungen einen Arbeitstakt. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eineVentilsteuerung notwendig, die meist überNockenwellen realisiert wird, die mit halber Motordrehzahl laufen. Das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als bei Zweitaktmotoren – was aber meist durch den niedrigerenKraftstoffverbrauch gerechtfertigt wird. Weiterhin lassen sich Viertakter durch die Ventilsteuerung besser auf ein breiteresDrehzahlband abstimmen.

Die wichtigsten Merkmale des Ottomotors sind:

• Fremdzündung: Das Gemisch wird zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Funken mindestens einerZündkerze gezündet.
• Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden schon vor der Verdichtung gemischt (Ausnahme Benzindirekteinspritzung siehe unten in diesem Abschnitt).
• Quantitative Regelung: Das Motormoment wird über die Menge des (stöchiometrischen) Kraftstoff-Luftgemisches gesteuert. Dazu dient dieDrosselklappe oder Öffnungszeit und Hub der Einlassventile sind variabel.
• Verbrennungsflamme: Die Verbrennungsflamme ist eineVormischflamme.

Quelle:^[5]

Ottomotoren mitBenzindirekteinspritzung entsprechen diesen Merkmalen nicht mehr ganz: Die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum ist nicht an die Einlasssteuerzeiten der Ventile gebunden und kann so auch erst später in der Verdichtungsphase erfolgen. Damit werden Schichtladungen, also Zonen im Zylinder mit unterschiedlicher Gemischzusammensetzung möglich, etwa beimMagermotor: Zündfreudiges, fettes oderstöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (das heißt 14,7 Teile Luft : 1 Teil Kraftstoff) ist im Bereich der Zündkerze und mageres Gemisch im restlichen Brennraum.

Auch Motoren mithomogener Kompressionszündung (HCCI), die je nach Drehzahl und Last selbstzündend oder fremdzündend arbeiten, entsprechen nicht den Merkmalen eines klassische Ottomotors, werden aber im Allgemeinen als Ottomotoren bezeichnet, wenn sie für den Betrieb mit Benzin ausgelegt sind.

Die Größe desHubraums ist ein wichtiges Merkmal für das erreichbare Drehmoment des Motors. Der Hubraum bezeichnet das Volumen, das vom Kolben zwischen unterem und oberemTotpunkt verdrängt wird. Bei Mehrzylindermotoren werden die Hubräume aller Zylinder addiert. Die Minimalabmessungen eines Motors sind durch den Hubraum definiert, liegen in der Praxis aber deutlich darüber, aufgrund von Anbauteilen, Motorsteuerung oder Kühlsystem. Besonders luftgekühlte Motoren benötigen aufgrund ihrer Kühlrippen deutlich mehr Platz als wassergekühlte.

Bei Kraftfahrzeugen waren/sind Hubräume ab ca. 0,4 Litern üblich, kleinste Motoren fürModellflugzeuge inGlühzünder-Bauweise haben nur 0,16 cm³ Hubraum. Mit 13,5 Litern markierte derPierce Arrow von 1912 eine obere Marke, der in den 1940er Jahren entwickelte FlugmotorBMW 803 hatte einen Gesamthubraum von 84 Litern.

Der maximaleWirkungsgrad liegt bei etwa 40 % und wird heute von Motoren erreicht, die im sogenanntenAtkinson-Zyklus laufen. Bei ihnen ist das Expansionsverhältnis größer als die Verdichtung. In Teillast wie bei gleichmäßig 100 km/h wird lediglich 10 % erreicht.^[6]

• Otto-Kreisprozess
• Seiliger-Kreisprozess
• Wankelmotor (Kreiskolbenmotor)
• Homogene Kompressionszündung (HCCI), auchDiesotto-Motor (CCS), eine Kombination aus Diesel und Ottomotor
• Leanen
• Split Engine (neuartiges 2+2 Takt Prinzip für höheren Wirkungsgrad)
• Kritischer Punkt (Thermodynamik) Einspritzung überkritischen Benzins
• Motoreninstandsetzung

Commons: Ottomotor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Franz Winter:Massenausgleich von Hubkolbenmotoren (animiert) (animiertesGIF)
• Blog-Artikel von Bartosz Ciechanowski mit vielen animierten 3D-Ansichten (engl.)

1. ↑^abcMotor des Fortschritts. 28. Oktober 2019, abgerufen am 23. Dezember 2019. 
2. ↑Entscheidungen im Nichtigkeitsverfahren gegen die Patente der Deutz'er Gasmotorenfabrik Nummer 532, 14254, 2735. In:Patentblatt und Auszüge aus den Patentschriften. 30. Januar 1886, abgerufen am 6. April 2014.
3. ↑Jobs axed at Rolls Royce. In:Manchester Evening News. 18. April 2010, abgerufen am 7. März 2016.
4. ↑Mit 10...20 g/km etwa um den Faktor 10 bis 20 höher als bei Viertaktern ohne Katalysator (< 1 g/km), etwa um den Faktor 100 bis 200 höher als bei aktuelle Euro-6-Kraftfahrzeugen (< 0,1 g/km). Bezogen auf gleiche Kilometerleistung, nicht berücksichtigt, das aktuelle Autos durch höhere Masse mehr Leistung benötigen.
5. ↑Stefan Pischinger, Ulrich Seiffert (Hrsg.):Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 8. Auflage. Springer, Wiesbaden 2016,ISBN 978-3-658-09528-4, S. 348.
6. ↑Kfz energetisch betrachtet. (kirste.userpage.fu-berlin.de (Memento vom 31. Oktober 2020 imInternet Archive), abgerufen am 12. Februar 2018)

• Verbrennungsmotor