Der Verbrennungsmotor

Die Funktionsweise von Verbrennungsmotoren beruht auf dem Prinzip, dass sich Gase bei Erwärmung ausdehnen und durch diese Ausdehnung mechanische Arbeit verrichten können, zum Beispiel den Antrieb eines Kolbens. 

Du kannst dieses Prinzip mithilfe der folgenden Versuche und Videos besser verstehen.

Durch die Experimente hast du gelernt, was im Prinzip auch in Wärmekraftmaschinen passiert. Lass uns nun genauer darauf eingehen.

In einer Wärmekraftmaschine geschieht Folgendes: Thermische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Dazu wird im Verbrennungsmotor die chemische Energie des Treibstoffs genutzt, um Verbrennungswärme zu erzeugen. Diese Verbrennungswärme bewirkt die Ausdehnung des Gases, was wiederum einen Kolben antreibt.

Mithilfe dieses Arbeitsblatts kannst du dir selbst ein Modell von Kolben und Kurbelwelle basteln, um die Umwandlung der geradlinigen Bewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Kurbelwelle besser zu verstehen.

Die Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens nennt man Takte. Im Viertakt-Ottomotor durchläuft der Motor einen Zyklus, der sich aus vier aufeinanderfolgenden Takten zusammensetzt:

1. Ansaugtakt
   Der Kolben bewegt sich nach unten. Dabei saugt erdas Benzin-Luft-Gemisch durch das Einlassventil in den Zylinder. Das Auslassventil ist geschlossen.
   
2. Verdichtungstakt
   Der Kolben bewegt sich nach oben und presst so das Gas­gemisch zusammen. Dadurch erwärmt sich das Gasgemisch.
   
3. Arbeitstakt
   Im Moment der größten Verdichtung des Gasgemisches wird es vom Funken einer Zündkerze entzündet und es verbrennt explosionsartig. Dadurch wird der Kolben wird nach unten gedrückt, das Gas verrichtet also am Kolben Arbeit.
   
4. Ausstoßtakt
   Das Auslassventil wird geöffnet. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt dadurch die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

In einem Ottomotor erfolgt zunächst die Umwandlung der chemischen Energie des Benzins in die Bewegungsenergie des Kolbens und anschließend in die Bewegungsenergie der Räder. Somit ist der Ottomotor ein Energiewandler, der die zugeführte Energie in eine andere gewünschte Form umwandelt.

Sol ein Energiewandler soll natürlich effizient sein und daher möglichst viel der zugeführten Energie E_zu in die gewünschte Energieform E_nutz umgewandelt werden. Die Effizienz beschreibt man mit dem Wirkungsgrad η (griech.: eta):

Der maximale Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt bei knapp unter 40 %. Das bedeutet, dass etwa 60 % der Energie, die im Benzin enthalten ist, durch Reibung im Motor und den Rädern sowie durch die Wärme des Motors und der Abgase verloren gehen und nicht für die Fortbewegung genutzt werden können. Im Stadtverkehr kann der Wirkungsgrad sogar unter 10 % fallen.

Der Unterschied zwischen Diesel und Benzin

Im Beitrag von Gábor Paál aus dem Südwestrundfunk wird der Unterschied zwischen Diesel und Benzin erklärt. Höre dir diesen an.

Wie du in dem Beitrag erfahren hast, besitzt Diesel-Kraftstoff eine höhere Dichte als Benzin. Bei seiner Verbrennung wird mehr Energie freigesetzt, die für den Betrieb des Motors genutzt werden kann.

Ein bedeutender Unterschied zum Ottomotor besteht darin, dass der Dieselmotor als Selbstzünder arbeitet. Das bedeutet, dass keine Zündkerze erforderlich ist, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Kolben zu entzünden.

Rudolf Diesel schrieb in seinem Werk „Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren“ von 1893, dass ein idealer Dieselmotor einen thermischen Wirkungsgrad von 73 % haben sollte, aber in der Realität dieser Wert nicht erreicht wird.

Moderne Dieselmotoren für PKWs mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung erreichen einen idealen Wirkungsgrad η von etwa 43 %. Dies liegt leicht über dem Wirkungsgrad eines Ottomotors. Unter bestimmten Bedingungen, wie im Stadtverkehr, kann der effektive Wirkungsgrad jedoch auf unter 10 % sinken. Das bedeutet, dass über 90 % der eingesetzten Energie nicht für die Fortbewegung genutzt werden. Bei normaler Fahrweise kann man von einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von etwa 20 % ausgehen.

Du hast dein Wissen zu den Verbrennungsmotoren nun deutlich erweitert. Prüfe nun, was du gelernt hast, in einem Test!

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Es gibt zahlreiche Varianten und Bauformen von Elektromotoren, jedoch beruhen sie alle auf einem gemeinsamen grundlegenden Prinzip.

Mit dieser Anleitung kannst du dir selbst einen einfachen Elektromotor bauen:

Der Wirkungsgrad von Otto- oder Dieselmotoren beträgt in typischen Fahrsituationen etwa 20 Prozent. Wenn man jedoch den gesamten Prozess von der Förderung des Kraftstoffs bis zum Betanken des Fahrzeugs einbezieht, bleiben etwa 80 Prozent der im Kraftstoff enthaltenen Energie ungenutzt.

Im Gegensatz dazu weisen Elektromotoren eine hohe Effizienz auf, da sie etwa 80 Prozent der zugeführten elektrischen Energie in mechanische Bewegung umwandeln. Selbst nach Berücksichtigung der Energieverluste bei der Stromerzeugung und beim Laden der Batterie erreicht ein Elektroauto immer noch einen Wirkungsgrad von etwa 64 Prozent. Das bedeutet, dass Elektrofahrzeuge etwa dreimal effizienter sind als Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren.

Brennstoffzellenantriebe sind derzeit weniger verbreitet. In diesem System wandelt eine Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft im Fahrzeug in elektrischen Strom um, der Elektromotoren antreibt. Der Wirkungsgrad dieses Prozesses beträgt etwa 27 Prozent, wenn man die aufwendige Herstellung und den Transport des Wasserstoffs berücksichtigt. Brennstoffzellenfahrzeuge sind besonders geeignet für Lastkraftwagen oder Flugzeuge, in denen Batterien aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts weniger praktikabel sind.