Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Einlass- ventil Auslass- ventil Pleuel Kurbelwelle Zylinder Kolben Zünd- kerze 123.1 Ein Zylinder eines 4-Takt-Ottomotors (schematisch) 1. Takt 2. Takt 3. Takt 4. Takt Ansaug- takt Verdichtungs- takt Arbeits- takt Auspuff- takt E Z A E Z A E Z A E Z A 123.2 Die 4 Takte eines Ottomotors. PKW-Motoren haben meist 4 oder 6 Zylinder. Damit soll ein runder Lauf des Motors erreicht werden. Ladeluftkühler Lufteintritt Motor- zylinder Abgasstrom Verdichterrad Abgasaustritt Turbinen- rad Einspritzdüse 123.3 Dieselmotoren haben keine Zünd- kerzen: Der Kraftstoff wird eingespritzt und zündet durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft von selbst. Das Schema zeigt einen Dieselmotor mit Turbolader (Turbo-Diesel). 5.2 Verbrennungsmotoren Wir betrachten die Vorgänge in einem Verbrennungsmotor am Beispiel des Benzin- Viertaktmotors , auch Ottomotor nach seinem Erfinder N ICOLAUS O TTO (1832–1891) genannt. Die wichtigsten Teile sind der Zylinder mit dem beweglichen Kolben, der über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle wirkt, und mindestens je ein Einlass- und ein Auslassventil sowie eine Zündkerze ( 123.1 ). Um einen ruhigen Lauf zu erreichen, besteht der Motor aus mehreren Zylindern – bei PKWs meist vier –, in denen der Energieträger, ein Benzin-Luftgemisch, verbrannt wird. Der Motor soll die im Gemisch enthaltene chemische Energie mit möglichst wenig Wärmeverlust und geringem Schadstoffausstoß in mechanische Energie umwandeln. Die Arbeits- gänge verlaufen im Zylinder in vier Takten: Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemi- sches, Verdichten, Zünden und schließlich Ausstoß der verbrannten Gase ( 123.2 ). 1. Takt (Ansaugtakt) : Der Kolben geht hinunter. Das Einlassventil öffnet sich, das Benzin-Luft-Gemisch wird angesaugt. Der Druck im Zylinder liegt dabei etwas un- ter dem äußeren Luftdruck. Daher wird zum Ansaugen kaum Arbeit benötigt. 2. Takt (Kompressionstakt): Alle Ventile sind geschlossen. Der Kolben geht hinauf und komprimiert das Gemisch, der Druck steigt. Die Kompressionsarbeit erhöht die innere Energie und damit auch die Temperatur des Gases. Die Temperatur darf da- bei 500 °C nicht überschreiten, da es sonst zu vorzeitiger Entzündung des Gemischs und zur Beschädigung des Motors kommt. 3. Takt (Arbeitstakt): Das Gemisch wird durch einen elektrischen Funken an der Zündkerze gezündet. Der plötzliche große Temperaturanstieg auf ca. 2 000 °C er- höht den Druck auf etwa 30bar . Der Kolben wird von den Verbrennungsgasen nach unten getrieben. 4. Takt (Auspufftakt): Die Verbrennungsgase werden bei geöffnetem Auslassventil durch den Kolben mit geringem Arbeitsaufwand nach außen geschoben. Ihre Tem- peratur beträgt immer noch bis zu 900 °C . Beim Dieselmotor wird im Gegensatz zum Ottomotor nur Luft angesaugt. Als Kraftstoff dient das Erdölprodukt Dieselöl, kurz Diesel genannt, oder zunehmend Biodiesel aus Pflanzenölen. Am Ende des Verdichtungsvorgangs wird Kraftstoff in die hoch verdichtete Luft im Verbrennungsraum eingespritzt. Die verdichtete Luft ist so heiß, dass der eingespritzte Kraftstoff sich selbst entzündet. Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem Ottomotor sind der bessere Wirkungs- grad und der dadurch geringere Kraftstoffverbrauch sowie billigere und ungefähr- lichere Kraftstoffe. Dieselmotoren benötigen allerdings bei gleicher Leistung mehr Hubraum als Ottomotoren. Mit einem Turbolader lässt sich dieser Nachteil vermei- den: Eine kleine Turbine wird von den Abgasen angetrieben, ein daran gekoppelter Verdichter erhöht den Druck der Luft, so dass im Ansaugtakt mehr Luft (mehr Sau- erstoff) den Zylinder füllt und mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. ( 123.3 ) Verbrennungsmotoren haben Auswirkungen auf die Umwelt : Das entstehende Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) verstärkt den Treibhauseffekt in der Atmosphäre und trägt zur Klimaerwärmung bei. Durch unvollständige Verbrennung von Kraftstoff im Motor entsteht Ruß, der mit dem Abgas abgegeben wird; als Feinstaub (Teilchen- größe <10µm ) gelangt er in die Lunge und kann sie schädigen. Daher müssen neue Diesel-PKW Rußfilter besitzen. Bei der Verbrennung bildet Luftstickstoff ( N 2 ) mit Sauerstoff Stickoxide . Diese reizen und schädigen die Atmungsorgane, auch för- dern sie die Bildung von bodennahem Ozon. Bei modernen Motoren wandeln Kata- lysatoren einen Großteil der Schadstoffe und des nichtverbrannten Treibstoffs im Abgas in H 2 O , N 2 , CO 2 um. Untersuche, überlege, forsche: Wirkungsgrad von Viertaktmotoren 123.1 Die Verbrennung im Zylinder erfolgt bei 2 000 °C. Die Abgastemperaturen errei- chen bei Diesel- und Ottomotoren ca. 500 °C (Diesel) bzw. ca. 900 °C (Benzin) bei Volllast. W 1 a) Wie groß sind die thermodynamischen Wirkungsgrade. W 2 b) Warum sind die realen Wirkungsgrade wesentlich schlechter? 123 | ENERGIE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv