Der Verbrennungsmotor

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Der Verbrennungsmotor

Das Prinzip

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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.

Versuch A: Volumenänderung von Luft

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Selbstversuch
§ Cc4BYNCSA

Versuchsmaterial:

1 leere Flasche (in Zimmertemperatur), 1 Schüssel, 1 Luftballon,
Wasser (kaltes und warmes)

Versuchsdurchführung:

  • Stülpe den Luftballon über die Flaschenöffnung.
  • Fülle warmes Wasser in die Schüssel und tauche die Flasche hinein. Schreibe auf, was du beobachtest.
  • Lass die Luft aus dem Luftballon und ziehe diesen erneut über die noch immer warme Flasche.
  • Nun fülle kaltes Wasser in die Schüssel und tauche die Flasche ein. Schreibe wieder auf, was du beobachtest.

Erstelle ein Versuchsprotokoll zu deinem Experiment! Dazu nutzt du am besten die Vorlage unten.

Falls du gerade keine Möglichkeit hast, dieses Experiment selbst durchzuführen, kannst du dir auch das Video im nächsten Tab ansehen. 

Ergänzender Versuch:
Ziehe den Luftballon bei Zimmertemperatur über die Flasche. Stelle die Flasche daraufhin in ein Gefrierfach oder in einen Gefrierschrank.

Quelle: LEIFIphysik https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung/versuche/heimversuche-zur-ausdehnung-bei-erwaermung

Video-Experiment

Wenn du den Selbstversuch nicht machen konntest, kannst du dir das Experiment-Video ansehen. Fertige dabei das Versuchsprotokoll an!

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© Leifi Physik

https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung/versuche/volumenaenderung-von-luft

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Auswertung

Bringe deine Beobachtungen in die richtige Reihenfolge.

Vergleiche jetzt das Ergebnis mit deinen Aufzeichnungen.

Versuche den Versuch in deinen eigenen Worten zu beschreiben und erkläre, was du dabei beobachtet hast.

Versuch B: Das Explosionsrohr

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Intro

Eine größere und schnellere Ausdehnung des Gases kann man erreichen, indem man ein Benzin-Luft-Gemisch kontrolliert zur Explosion bringt. Diesen Vorgang kannst du gleich in einem Modellexperiment beobachten, in dem Benzin in einer Kartonröhre mit Luft gemischt und anschließend mit einem Streichholz entzündet wird.

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Bereit, es knallen zu lassen? Dann los!

Video-Experiment

Sieh dir zunächst das Video aufmerksam an. Dann erledige die Aufgabe zur Auswertung im dritten Tab!

Explosion eines Benzin-Luft-Gemisches
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© Ulrich Schütz, Leiter mobiLLab

https://www.phsg.ch/de/team/prof-ulrich-schuetz

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Auswertung

Vervollständige, was du im Versuchsvideo beobachten konntest!

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Aufgabe

Teste dein in den Versuchen erworbenes Wissen!

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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.

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Merkwissen für deine Notizen

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Klassische Verbrennungsmotoren: Entwicklung

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Die Entwicklung klassischer Verbrennungsmotoren
§ Cc4BYNCSA

Der Viertakt-Otto-Motor: Aufbau und Wirkungsweise

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Funktionsweise des 4-Takt-Ottomotors
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© Schwenke-Übersetzungen

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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.

Arbeitsblatt: Modell von Kolben und Kurbelwelle

Download

Das Viertakt-Prinzip des Ottomotors

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Animation eines Viertakt-Verbrennungsmotors, Ottomotor: Ansaugen - Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser in den Zylinder. Verdichten - Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen. Arbeiten - Der Funke einer Zündkerze entzündet das Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig. Der Kolben wird nach unten gedrückt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit. Ausstoßen - Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.
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Urheber: Zephyris (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:4StrokeEngine_Ortho_3D.gif), „4StrokeEngine Ortho 3D“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

https://en.wikipedia.org/wiki/File:4StrokeEngine_Ortho_3D.gif

Cc3BYNCSA

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.
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Verbrennungsmotor: Aufbau
Funktion der Bauteile
Aufgabe

Merkwissen für deine Notizen

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Der Ottomotor

Wirkungsweise:

1. Takt: Ansaugtakt
Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt das Benzin-Luft-Gemisch durch das Einlassventil in den Zylinder. Das Auslassventil ist geschlossen.

2. Takt: Verdichtungstakt
Beide Ventile sind geschlossen, während die Kurbelwelle den Kolben nach oben drückt. Das Gasgemisch wird zusammengepresst, wodurch es sich erwärmt.

3. Takt: Arbeitstakt

Im Moment der größten Verdichtung des Gasgemisches wird es vom Funken einer Zündkerze entzündet. Es verbrennt explosionsartig. Dadurch wird der Kolben wird nach unten gedrückt, das Gas verrichtet also am Kolben Arbeit.

4. Takt: Ausstoßtakt
Das Auslassventil wird geöffnet. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt dadurch die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

Der Ottomotor: Wirkungsgrad

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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 Ezu in die gewünschte Energieform Enutz umgewandelt werden. Die Effizienz beschreibt man mit dem Wirkungsgrad η (griech.: eta):

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Urheber: Lars Reitze

Cc4BYSA

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.

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Aufgabe

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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.

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© Südwestrundfunk, freier Zugang über Mundo

https://mundo.schule/details/SODIX-0001011877

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Text der Audiodatei: Was ist der Unterschied zwischen Diesel und Benzin?

Download

Der Dieselmotor: Aufbau und Wirkungsweise

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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.

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Aufgabe

Die vier Takte des Dieselmotors

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Vertiefung

Aufgabe

Der Kreisprozess im Dieselmotor

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Merkwissen für deine Notizen

Der Dieselmotor

Der Ottomotor und der Dieselmotor arbeiten auf ähnliche Weise. Der wichtigste Unterschied liegt darin, dass der Dieselmotor keine Zündkerze verwendet. Im ersten Takt saugt er Luft an und fügt im dritten Takt den Kraftstoff hinzu, der sich in der heißen Luft selbst entzündet.

Der Dieselmotor: Wirkungsgrad

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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.

Zusammenfassung

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Aufgabe

Überprüfe nun dein Wissen. Kontrolliere dabei deine Notizen!

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Vertiefung

Weitere Wärmekraftmaschinen

Möchtest du tiefer in das Thema „Wärmekraftmaschinen“ einsteigen? Dann bist du hier richtig!

Teilbereich der sich im Werdauer Heimatmuseum befindlichen Dampfmaschine.
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Urheber: Vwpolonia75 (Jens K. Müller, Hamburg)

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dampfmaschine_Werdau.JPG

Cc3BY

Schon vor der Erfindung des Ottomotors und des Dieselmotors existierten frühe Wärmekraftmaschinen. Eine der bekanntesten von ihnen ist zweifellos die Dampfmaschine. Darüber hinaus wurden und werden auch andere Motortypen teilweise immer noch für den Antrieb von Fahrzeugen genutzt. Einige Beispiele hierfür sind der Stirlingmotor, der Wankelmotor und der Zweitakt-Motor.

Aufgabe:

  • Führe eine Recherche zu einer weiteren Wärmekraftmaschine durch.
  • Suche dazu nach verschiedenen Quellen (Bücher, Videos, Webseiten, Interviews mit Fachleuten etc.).
  • Erstelle mithilfe dieser Quellen eine Präsentation, ein Plakat, einen Aufsatz oder etwas völlig anderes (Erklärvideo, Hörspiel etc.), das die Wärmekraftmaschine vorstellt.
  • Stelle dein Ergebnis vor!

Wie recherchiert man eigentlich richtig? Das kann im ersten Moment ganz schön kompliziert erscheinen. Hier sind ein paar Tipps, mit denen es dir leichter fallen wird:

  • Zuerst überlegst du, wonach du suchst.
  • Beginne deine Recherche mit deinem Schulbuch, einem Lexikonartikel oder einem Übersichtsbuch. So kannst du dein Wissen erweitern und tiefer in die Materie einsteigen.
  • Wenn du einen guten Überblick zum Thema hast, kannst du die Ideen und Begriffe ordnen, Relevantes auswählen und deine weitere Suche strukturieren.
  • Im Internet gilt: Die Ergebnisse sind nur so gut wie die Begriffe, nach denen du suchst.
  • Denke während der Recherche daran, deine Quellen zu sichern: Kopiere die URL der Internetseiten bspw. in ein Dokument und mache Stichpunkte dazu. Fertige bei Büchern oder Zeitschriften ebenfalls Notizen an oder mache Fotos.
  • Lies deine Quellen immer sorgfältig und prüfe die Aussagen auch. Gehe sicher, dass sie vertrauenswürdig sind. 

Noch mehr Tipps zum guten und richtigen Recherchieren findest du hier:

Quelle: Andreas Kalt, https://herr-kalt.de, CC BY-SA 4.0

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

Aufgabe

Verbrennungsmotoren: Problematik

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Verbrennungsmotoren: Problematik

Welche Alternativen zu Verbrennungsmotoren gibt es?

Elektromotor: Funktionsprinzip

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Urheber: Claus Ableiter/Digitale Lernwelten GmbH

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Elektromotor_des_Eco_Carrier_von_EcoCraft.JPG

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ein Elektromotor

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.

Versuch C: Einen Elektromotor selbst bauen

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

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Versuch C

Versuchsmaterial:

1 Schere, 1 Batterie (z. B. Typ AA), 1 oder mehrere Neodym-Magnete, ca. 15 cm Kupferdraht (alternativ: 1 Schraube)

Versuchsdurchführung:

  • Befestige den oder die Magneten an einem Pol der Batterie.
  • Platziere die Batterie mit den Magneten nach unten auf einem Tisch.
  • Schneide etwa 15 cm des Kupferdrahtes ab und biege ihn gerade.
  • Wickle den Draht um die Batterie und die Magneten. So entsteht eine Drahtspirale.
  • Biege in das obere Ende des Drahts einen kleinen Haken. Damit kann der Draht auf dem Pol aufliegen.
  • Passe die Drahtspirale so an, dass sie gleichzeitig den oberen Pol und die Magnete berührt.

Jetzt sollte sich die Spirale um die Batterie drehen.

Quelle: LEIFIphysik, https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor/versuche/eigenbau-von-elektromotoren → Modell 2 Ein schöner Elektromotor

Video C

In diesem Video kannst du sehen, wie ein Elektromotor gebaut wird.

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© LEIFIphysik

LEIFIphysik https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor/versuche/eigenbau-von-elektromotoren → Modell 2 Ein schöner Elektromotor

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Auswertung C

Nun kannst du bestimmt die folgenden Fragen zum Bau eines Elektromotors beantworten!

Der Elektromotor: Wirkungsgrad

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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.

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Aufgabe