Verbrennungsmotoren - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Ein Verbrennungsmotor wandelt die chemische Energie eines Kraftstoffs über Wärme in mechanische Energie um. Die Verbrennung findet im Motor statt. Heiße Gase erzeugen einen hohen Druck, bewegen einen Kolben und treiben über Pleuel und Kurbelwelle eine Welle an. Damit ist der Verbrennungsmotor eine Wärmekraftmaschine.

In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau, die vier Takte, die Unterschiede zwischen Ottomotor und Dieselmotor sowie wichtige physikalische Größen kennen. Du untersuchst außerdem, warum ein Motor nie die gesamte zugeführte Energie in Bewegung umwandeln kann.

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Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du den Energiefluss in einem Verbrennungsmotor beschreiben, wichtige Bauteile benennen, die vier Takte erklären, Otto- und Dieselmotor vergleichen und einfache Aufgaben zu Kraft, Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad lösen.

Grundidee: Energie wird umgewandelt

Im Kraftstoff ist chemische Energie gespeichert. Bei der Verbrennung wird ein Teil davon in innere Energie der heißen Gase umgewandelt. Der Gasdruck verrichtet am Kolben mechanische Arbeit. Die Kurbelwelle gibt diese Energie als Drehbewegung weiter.

Vereinfachte Energiekette:

$E_{\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}}\to E_{\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}}\to E_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{h}}$

Ein Teil der Energie geht als Abwärme an Kühlung und Abgas, durch Reibung sowie als Schall verloren. Deshalb ist der Wirkungsgrad kleiner als 100 Prozent.

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Aufbau eines Hubkolbenmotors

Der Zylinder führt den Kolben. Das Pleuel verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle. Dadurch wird die geradlinige Hin-und-her-Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt.

Bauteil	Aufgabe
Zylinder	Begrenzt mit Kolben und Zylinderkopf den Arbeitsraum.
Kolben	Wird durch den Gasdruck bewegt.
Pleuel	Überträgt die Kraft auf die Kurbelwelle.
Kurbelwelle	Wandelt die Kolbenbewegung in Rotation um.
Einlass- und Auslassventil	Steuern Frischgas und Abgas.
Zündkerze oder Einspritzdüse	Startet beim Ottomotor die Zündung oder spritzt beim Dieselmotor Kraftstoff ein.
Schwungrad	Speichert Bewegungsenergie und glättet die Drehbewegung.

Der Viertaktmotor

Ein Arbeitsspiel besteht aus vier Kolbenhüben. Dabei dreht sich die Kurbelwelle zweimal. Nur beim Arbeitstakt wird dem Kolben durch die Verbrennung unmittelbar Energie zugeführt.

1. Ansaugen

Der Kolben bewegt sich nach unten. Das Einlassventil ist geöffnet. Beim Ottomotor strömt meist Luft mit Kraftstoff in den Zylinder; bei modernen Direkteinspritzern kann der Kraftstoff auch erst im Zylinder eingespritzt werden.

2. Verdichten

Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben bewegt sich nach oben und verkleinert das Volumen. Druck und Temperatur steigen.

3. Arbeiten

Beim Ottomotor entzündet die Zündkerze das Gemisch. Beim Dieselmotor wird Kraftstoff in stark verdichtete, heiße Luft eingespritzt und entzündet sich selbst. Der Gasdruck drückt den Kolben nach unten und verrichtet Arbeit.

4. Ausstoßen

Das Auslassventil ist geöffnet. Der Kolben bewegt sich nach oben und schiebt die Abgase aus dem Zylinder.

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Otto- und Dieselmotor im Vergleich

Beide Motorarten können nach dem Viertaktprinzip arbeiten. Der wichtigste Unterschied liegt in der Zündung. Der Ottomotor arbeitet mit Fremdzündung durch eine Zündkerze. Der Dieselmotor arbeitet mit Selbstzündung durch hohe Verdichtung und heiße Luft.

Merkmal	Ottomotor	Dieselmotor
Zündung	Zündkerze	Selbstzündung
Vor der Zündung	Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verdichtet	Vor allem Luft wird stark verdichtet
Kraftstoffzufuhr	Gemischbildung vor oder im Zylinder	Einspritzung in die heiße Luft
Verdichtung	geringer	höher
Typischer Wirkungsgrad	im günstigen Betriebspunkt etwa 35 Prozent	im günstigen Betriebspunkt häufig etwa 40 bis 45 Prozent

Die Werte sind Richtwerte. Der tatsächliche Wirkungsgrad hängt unter anderem von Last, Drehzahl, Bauart und Temperatur ab.

Zweitaktmotor

Beim Zweitaktmotor dauert ein Arbeitsspiel nur eine Kurbelwellenumdrehung. Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen überlappen stärker als beim Viertaktmotor. Der Aufbau kann einfacher sein, der Gaswechsel ist jedoch schwieriger zu steuern.

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Physik im Motor

Druck und Kraft

Druck ist Kraft pro Fläche:

$p=\frac{F}{A}$

Daraus folgt für die Kraft auf den Kolben:

$F=p\cdot A$

Beispiel: Wirkt ein Überdruck von $5\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{r}=5\cdot 10^5\mathrm{P}\mathrm{a}$ auf eine Kolbenfläche von $40\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}=4\cdot 10^{-3}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}$, dann gilt:

$F=5\cdot 10^5\mathrm{P}\mathrm{a}\cdot 4\cdot 10^{-3}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}=2000\mathrm{N}$

Die Kraft entspricht ungefähr der Gewichtskraft einer Masse von 200 Kilogramm.

Arbeit und p-V-Diagramm

Wenn sich der Kolben unter Druck bewegt, verrichtet das Gas Arbeit. Bei annähernd konstantem Druck gilt vereinfacht:

$W=p\cdot \Delta V$

Im p-V-Diagramm steht die eingeschlossene Fläche eines Kreisprozesses für die pro Arbeitsspiel gewonnene Arbeit. Reale Motoren weichen vom idealisierten Otto-Kreisprozess oder Diesel-Kreisprozess ab.

Drehmoment und Leistung

Die Kurbelwelle erzeugt ein Drehmoment. Vereinfacht gilt:

$M=F\cdot r$

Dabei ist $r$ der wirksame Hebelarm. Die mechanische Leistung beschreibt, wie schnell Arbeit verrichtet wird:

$P=\frac{W}{t}$

Für eine Drehbewegung gilt außerdem:

$P=M\cdot \omega$

Ein Motor kann deshalb bei gleicher Leistung unterschiedliche Kombinationen aus Drehmoment und Drehzahl besitzen.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis aus nutzbarer Energie und zugeführter Energie:

$\eta =\frac{E_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}}{E_{\mathrm{z}\mathrm{u}}}$

Beispiel: Liefert ein Motor aus $100\mathrm{M}\mathrm{J}$ chemischer Energie $35\mathrm{M}\mathrm{J}$ mechanische Energie, dann beträgt der Wirkungsgrad:

$\eta =\frac{35\mathrm{M}\mathrm{J}}{100\mathrm{M}\mathrm{J}}=\mathrm{0,35}=35\mathrm{\%}$

Die übrigen 65 Prozent werden nicht vernichtet. Sie verlassen das System vor allem als Wärme, Reibungswärme, Abgasenergie und Schall.

Abgase und Umwelt

Bei vollständiger Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe entstehen vor allem Kohlendioxid und Wasser. In realen Motoren können zusätzlich Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Partikel auftreten. Stickoxide entstehen besonders bei hohen Verbrennungstemperaturen. Abgasnachbehandlung kann Schadstoffe verringern, beseitigt aber nicht den gesamten Energieverbrauch und die Kohlendioxidbildung aus fossilem Kraftstoff.

Historischer Blick

Die Entwicklung leistungsfähiger Verbrennungsmotoren prägte Verkehr, Landwirtschaft und Industrie. Der Viertaktprozess wurde im 19. Jahrhundert technisch umgesetzt und weiterentwickelt. Rudolf Diesel entwickelte einen Motor mit Selbstzündung und hoher Verdichtung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Energieform ist im Kraftstoff gespeichert? (Chemische Energie) (!Elektrische Energie) (!Lageenergie) (!Kernenergie)

Welches Bauteil wandelt die Kolbenbewegung in eine Drehbewegung um? (Kurbelwelle) (!Zündkerze) (!Auslassventil) (!Kühler)

Wie viele Kurbelwellenumdrehungen benötigt ein Viertaktmotor für ein Arbeitsspiel? (Zwei) (!Eine) (!Drei) (!Vier)

Welcher Takt folgt beim Viertaktmotor auf das Ansaugen? (Verdichten) (!Ausstoßen) (!Kühlen) (!Schmieren)

Wie wird das Gemisch im Ottomotor normalerweise gezündet? (Durch eine Zündkerze) (!Durch einen Glühdraht) (!Durch Reibung am Kolben) (!Durch das Auslassventil)

Warum entzündet sich der Kraftstoff im Dieselmotor? (Die stark verdichtete Luft ist heiß) (!Das Schwungrad erzeugt einen Funken) (!Der Kühler erwärmt den Kraftstoff) (!Das Auslassventil liefert Strom)

Welche Gleichung beschreibt die Kraft durch Druck auf eine Fläche? (F gleich p mal A) (!F gleich p geteilt durch A) (!F gleich A geteilt durch p) (!F gleich p plus A)

Was zeigt die eingeschlossene Fläche im p-V-Diagramm eines Kreisprozesses? (Die gewonnene Arbeit) (!Die Motormasse) (!Die Anzahl der Ventile) (!Die Kraftstofffarbe)

Warum liegt der Wirkungsgrad eines realen Motors unter 100 Prozent? (Energie wird als Wärme und durch Reibung abgegeben) (!Energie wird vollständig vernichtet) (!Der Kolben besitzt keine Masse) (!Die Kurbelwelle steht immer still)

Welche Größe gibt an wie schnell Arbeit verrichtet wird? (Leistung) (!Dichte) (!Temperatur) (!Volumen)

Memory

Kolben	Hin-und-her-Bewegung
Pleuel	Kraftübertragung
Kurbelwelle	Drehbewegung
Zündkerze	Fremdzündung
Einspritzdüse	Kraftstoffzufuhr
Wirkungsgrad	Nutzenergieanteil

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Ansaugen	Frischgas strömt in den Zylinder
Verdichten	Das Volumen wird verkleinert
Arbeiten	Der Gasdruck bewegt den Kolben nach unten
Ausstoßen	Abgas verlässt den Zylinder
Kurbeltrieb	Hubbewegung wird zur Drehbewegung

Kreuzworträtsel

Kolben	Welches Bauteil bewegt sich im Zylinder auf und ab?
Pleuel	Welches Bauteil verbindet Kolben und Kurbelwelle?
Diesel	Welcher Motor arbeitet mit Selbstzündung?
Ventil	Welches Bauteil steuert den Gaswechsel?
Arbeit	Welche physikalische Größe entspricht im p-V-Diagramm einer Fläche?
Leistung	Welche Größe beschreibt Arbeit pro Zeit?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein Verbrennungsmotor wandelt chemische Energie in um. Der Kolben bewegt sich im auf und ab. Das Pleuel verbindet den Kolben mit der . Beim ersten Takt wird Frischgas . Beim zweiten Takt wird das Gas . Beim Ottomotor beginnt die Verbrennung durch die . Beim Dieselmotor entzündet sich der Kraftstoff in heißer . Druck auf eine Fläche erzeugt eine . Arbeit pro Zeit heißt . Der Anteil der nutzbaren Energie wird als bezeichnet. Ein Teil der Energie verlässt den Motor als . Die Abgase werden beim vierten Takt .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Bauteile beschriften: Zeichne einen einfachen Zylinder mit Kolben, Pleuel, Kurbelwelle und Ventilen und beschrifte die Teile.
2. Energiekette: Erstelle ein Energieflussdiagramm vom Kraftstoff bis zur Drehbewegung und ergänze zwei Energieverluste.
3. Vier-Takt-Karten: Gestalte vier Bildkarten zu Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen.
4. Geräusche beobachten: Höre aus sicherer Entfernung verschiedene Motorgeräusche und beschreibe Unterschiede in Lautstärke und Tonhöhe.

Standard

1. Kurbeltrieb bauen: Baue aus Pappe, Draht oder einem Baukasten ein bewegliches Modell aus Kolben, Pleuel und Kurbel.
2. Motorvergleich: Erstelle ein Erklärplakat mit Gemeinsamkeiten und Unterschieden von Otto- und Dieselmotor.
3. Energiebilanz: Stelle für 100 Energieeinheiten eine mögliche Aufteilung in Nutzenergie, Kühlwärme, Abgaswärme und Reibung dar.
4. Kolbenkraft berechnen: Wähle drei plausible Werte für Druck und Kolbenfläche und berechne jeweils die Kraft.

Schwer

1. Diagramm deuten: Erkläre in einem kurzen Video, warum die Fläche im p-V-Diagramm mit mechanischer Arbeit zusammenhängt.
2. Abgasnachbehandlung untersuchen: Recherchiere die Aufgaben von Katalysator und Partikelfilter und bewerte ihre Grenzen.
3. Antriebe vergleichen: Vergleiche Verbrennungsmotor, Elektromotor und Hybridantrieb mithilfe selbst gewählter physikalischer Kriterien.
4. Interviewprojekt: Befrage eine Fachperson aus Werkstatt, Hochschule oder Betrieb zu Wirkungsgrad, Wartung und Zukunft von Motoren und dokumentiere die Ergebnisse.

Lernkontrolle

1. Energiekette erklären: Erkläre an einem vollständigen Energiefluss, warum ein laufender Motor warm wird, obwohl seine Aufgabe die Erzeugung von Bewegung ist.
2. Fehleranalyse: Eine Person behauptet, jeder Takt eines Viertaktmotors liefere Antriebsenergie. Widerlege die Aussage fachlich.
3. Transferrechnung: Vergleiche die Kolbenkräfte zweier Motoren, wenn Motor A den doppelten Druck, aber nur die halbe Kolbenfläche von Motor B besitzt.
4. Fahrsituation deuten: Begründe, warum ein Fahrzeug zum Anfahren ein hohes Drehmoment benötigt und bei schneller Fahrt zusätzlich hohe Leistung wichtig ist.
5. Bilanz bewerten: Ein Motor erhält 80 Megajoule Energie und gibt 24 Megajoule mechanisch ab. Berechne den Wirkungsgrad und beschreibe den Verbleib der restlichen Energie.
6. Urteil bilden: Entwickle Kriterien für einen sinnvollen Antrieb in Stadtbus, Notstromaggregat und Rasenmäher und begründe Deine Auswahl.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Begriffe kennst, sondern Zusammenhänge erklären und anwenden kannst.

1. Aufbau: Du benennst die wichtigsten Bauteile und erklärst ihr Zusammenwirken.
2. Ablauf: Du stellst die vier Takte in korrekter Reihenfolge und mit Ventilstellung dar.
3. Vergleich: Du erklärst Fremd- und Selbstzündung fachlich richtig.
4. Berechnung: Du nutzt Formeln zu Druck, Kraft, Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad mit passenden Einheiten.
5. Energiebilanz: Du unterscheidest Nutzenergie und Energieabgaben, ohne von Energievernichtung zu sprechen.
6. Bewertung: Du beurteilst Nutzen, Verluste und Emissionen eines Verbrennungsmotors anhand nachvollziehbarer Kriterien.

Quellen und Medienhinweise

Die eingebundenen Bilder stammen aus Wikimedia Commons. Die Videos ergänzen die Animationen und können zur Wiederholung oder Vorbereitung eigener Erklärungen genutzt werden.

Verknüpfte Lernbereiche

Verbrennungsmotoren - Physik Energieumwandlung Wärmekraftmaschine Viertaktmotor Zweitaktmotor Ottomotor Dieselmotor Druck Kraft Arbeit Drehmoment Leistung Wirkungsgrad Thermodynamik Abgasreinigung