5.2 Verbrennungsmotoren Wir betrachten die Vorgänge in einem Verbrennungsmotor am Beispiel des Benzin- Viertaktmotors, auch Ottomotor nach seinem Erfinder Nicolaus Otto (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 (141.1). Um einen ruhigen Lauf zu erreichen, besteht der Motor aus mehreren Zylindern, 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 Arbeitsgänge verlaufen im Zylinder in vier Takten: Ansaugen des Kraftstof-Luft-Gemisches, Verdichten, Zünden bzw. Arbeiten und schließlich Ausstoß der verbrannten Gase (141.2). 1. Takt (Ansaugtakt): Der Kolben geht hinunter. Das Einlassventil öffnet sich, das Benzin-Luft-Gemisch wird angesaugt. Der Druck im Zylinder liegt dabei etwas unter 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 dabei 500 °C nicht überschreiten, da es sonst zur vorzeitigen 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 erhöht den Druck auf etwa 30 bar. 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 Temperatur 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, gemischt mit 7 % 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 von selbst entzündet. Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem Ottomotor sind der bessere Wirkungsgrad und der dadurch geringere Kraftstoffverbrauch sowie billigere und ungefährlichere Kraftstoffe. Dieselmotoren benötigen bei gleicher Leistung mehr Hubraum als Ottomotoren. Mit einem Turbolader lässt sich dieser Nachteil vermeiden: Eine kleine Turbine wird von den Abgasen angetrieben, ein daran gekoppelter Verdichter erhöht den Druck der Luft, so dass im Ansaugtakt mehr Luft (mehr Sauerstoff) den Zylinder füllt und mehr Kraftstoff verbrannt werden kann (141.3). Verbrennungsmotoren haben Auswirkungen auf die Umwelt: Das entstehende Kohlenstoffdioxid (CO2) 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 (Teilchengröße <10 µm) gelangt er in die Lunge und kann sie schädigen. Daher müssen Diesel-PKW Rußfilter besitzen. Bei der Verbrennung bildet Luftstickstoff (N2) mit Sauerstoff Stickoxide. Diese reizen und schädigen einerseits die Atmungsorgane, andererseits fördern sie die Bildung von bodennahem Ozon. Bei modernen Motoren wandeln Katalysatoren einen Großteil der Schadstoffe und des nichtverbrannten Treibstoffs im Abgas in H2O, N2 und CO2 um. Untersuche, überlege, forsche: Wirkungsgrad von Viertaktern 141.1 Die Verbrennung im Zylinder erfolgt bei 2 000 °C. Die Abgastemperaturen erreichen bei Diesel- und Ottomotoren ca. 500 °C (Diesel) bzw. ca. 900 °C (Benzin) bei Volllast. S1 a) Vergleiche die thermodynamischen Wirkungsgrade und beurteile, welche Motorenart den Kraftstoff effizienter nützt. W4 b) Erkläre, warum die realen Wirkungsgrade schlechter als die idealen sind. 141.1 Ein Zylinder eines Viertakt-Ottomotors (schematisch) Einlassventil Auslassventil Pleuel Kurbelwelle Zylinder Kolben Zündkerze 141.2 Die 4 Takte eines Ottomotors. PKW-Motoren haben meist 3, 4 oder 6 Zylinder. Damit soll ein ruhiger Lauf des Motors erreicht werden. 1. Takt 2. Takt 3. Takt 4. Takt Ansaugtakt Verdichtungstakt Arbeitstakt Auspufftakt E Z A E Z A E Z A E Z A 141.3 Dieselmotoren haben keine Zündkerzen: Der Kraftstoff wird eingespritzt und zündet durch die hohe Temperatur der komprimierten Luft von selbst. Das Schema zeigt einen Dieselmotor mit Turbolader (Turbo-Diesel). Ladeluftkühler Lufteintritt Motorzylinder Abgasstrom Verdichterrad Abgasaustritt Turbinenrad Einspritzdüse 141 Thermodynamik 5 Wärme- und Kältetechnik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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