Referat Verbrennungsmotoren - Wärme und Arbeit

Verbrennungsmotoren

Fach: Physik

Eine der Grundlagen unserer Zivilisation ist die Möglichkeit, Wärme in Arbeit umzuwandeln. Auf diesem Prinzip beruhen die zahlreichen Wärmekraftmaschinen und Wärmekraftwerke, wie Verbrennungsmotoren und Atomkraftwerke, die in der heutigen Zivilisation nicht mehr wegzudenken sind und für die Aufrechterhaltung unseres Lebensstandards unentbehrlich sind. Es ist sehr einfach Arbeit in Wärme umzuwandeln, wie zum Beispiel bei Reibungsvorgängen, die das in einer meist unerwünschten Weise demonstrieren. Hingegen ist es viel komplizierter Wärme in Arbeit zu verwandeln. Die ist die Aufgabe der Wärme- oder Verbrennungskraftmaschinen, zu denen die Dampfmaschine sowie Benzin-, Diesel- und Wankelmotor gehören.

Zweifellos sind diese Maschinen in der heutigen Zeit nicht mehr zu entbehren. Dampfgeneratoren erzeugen in Atom- und Kohlekraftwerken den Großteil der auf der Erde benötigten elektrischen Energie. Verbrennungsmotoren sind der Antrieb für die meisten Verkehrsmittel.

Wärme und Arbeit

Alle Wärmekraftmaschinen funktionieren nach dem gleichen Grundprinzip. Ein beweglicher Kolben wird vom Druck p der Moleküle eines Gases eine Strecke Dx nach außen bewegt. Die Kraft, die somit auf den Kolben wirkt ( Kolbenfläche = A), ist mit F = p A gegeben. Die bei der Volumsausdehnung des Gases verrichtete Arbeit ist gleich dem Produkt Kraft mal Weg. Daraus ergibt sich die Formel: W = p DV, wobei die Volumszunahme des Gases DV = A Dx

Die verrichtete Arbeit ist durch eine Fläche unter dem daraus resultierenden Graphen p(V) gegeben (siehe Handout). Während der Expansion nimmt der Druck im Zylinder allmählich ab. Mit Hilfe der Integralrechnung kann man die Fläche unter dem Graphen genau bestimmen, wobei ich aber darauf nicht näher eingehen will.

Die erste Erfindung dieser Art ist die Dampfmaschine, die um 1700 eine neue Epoche in der Geschichte der Menschheit einleitete und die industrielle Revolution in Gang setzte. Heute sind Diesel- und Benzinmotoren die meist verwendeten Wärmekraftmaschinen. Der Kolben wird hier nicht mehr durch Dampf in Bewegung gesetzt sondern durch eine kontrollierte Explosion von Kraftstoff.

Benzin und Diesel im Vergleich

Die heute geläufigsten Kraftstoffarten zur Betreibung von Verbrennungsmotoren sind Diesel und Benzin, die aus Erdöl gewonnen werden. Erdöl gehört zu den fossilen Brennstoffen und wird zum Beispiel in den arabischen Ländern wie Kuwait und in Sibirien in großen mengen gefördert. Aber auch in der Ostsee befinden sich riesige Erdöllagerstätten, die durch Bohrplattformen nutzbar gemacht werden. Die Mitgliedstaaten der Organisation Erdöl exportierender Länder (OPEC) kontrollieren mehr als 40% des globalen Handels und haben einen entscheidenden Einfluß auf die Ölpreise, was wiederum den zwei größten Importeuren dieses Rohstoffes Europa und den USA teuer zu stehen kommt. Wird die Fördermenge zurückgeschraubt, so wird auch in jenen Ländern der Treibstoff teurer was sich wiederum negativ auf das Wirtschaftswachstum auswirkt. Im Januar dieses Jahres wurde bei einem Treffen der OPEC in Wien die tägliche Fördermenge auf 1,5 Millionen Barrel zurückgeschraubt.

In Raffinerien (Wien Schwechat, Linz oder Ingolstadt) wird das dunkelbraune, zähflüssige Erdöl in langen und komplizierten Vorgängen weiterverarbeitet. Zuerst werden die leicht siedenden Stoffe unter vermindertem Druck in einer Sprühkammer entzogen. Danach wird das im Rohöl enthaltene Salzwasser mit Süßwasser ausgewaschen, bevor das sogenannte Reinöl dann in die Raffinerie kommt. Durch Destillation wird es dann in einzelne Siedebereiche(Fraktionen) zerlegt. Dabei wird das Öl bei einer Temperatur von ca. 300° C kontinuierlich in eine Destillierkolonne eingespritzt. Da die einzelnen Bestandteile verschiedene Siedepunkte haben, sammeln sich die einzelnen Fraktionen in verschiedenen Höhen der Kolonne an. Bei dieser Art der Destillation bei Normaldruck (atmosphärische Destillation) werden Leichtbenzin, Schwerbenzin, Lackbenzin, Wundbenzin etc. entnommen. Der Rückstand wird schließlich zu diversen Schmierölen weiterverarbeitet.

Benzin und Diesel werden zwar auch in der Raffinerie hergestellt, jedoch sind diese ein Gemisch aus den verschiedenen Endprodukten. Im Wesentlichen Unterscheiden sich diese beiden Kraftstoffe dadurch, daß Dieselöl nur schwer entflammbar ist, Benzin hingegen sehr leicht. Da die Herstellung von Diesel um einiges unkomplizierter als die von Benzin ist, ist jenes auch billiger.

Diesel- und Ottomotor

Im Prinzip sind diese beiden Motorentypen gleich aufgebaut. Der Brennraum besteht aus einem Zylinder, der an einem Ende geschlossen ist und in dem sich ein Kolben bewegt. Wichtig dabei ist, daß der Abstand zwischen Kolben und Zylinderwand möglichst klein ist, um eine effiziente Kompression zu erzeugen. Deshalb benötigt jeder Motor auch Schmieröl, auf dem die Metallteile gleiten können. Ansonsten kommt es zu einem sogenannten Kolbenfresser, wenn sich der Kolben im Zylinder verkeilt. Jeder Kolben ist mit einer Pleuelstange verbunden, die wiederum mit der Kurbelwelle verbunden ist. Diese ist so konstruiert, daß die Auf- und Abbewegungen des Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Außerdem sind an der Kurbelwelle noch Ausgleichsgewichte angebracht, die Unregelmäßigkeiten in der Bewegung möglichst gering halten sollen. Es gibt Motoren mit einem oder beliebig vielen Zylindern, sofern es menschliches Können und Technik zulassen. Ein Rasenmähermotor beispielsweise besitzt nur einen Zylinder, ein Kleinwagen in der Regel vier und ein Schiffsmotor um die vierundzwanzig. Die meisten modernen Automotoren haben vier Zylinder in Reihe. Es gibt aber auch noch andere Konstruktionsmöglichkeiten, die eine höhere Anzahl zulassen. Reihenmotoren mit sechs Zylindern sind sehr lang und aufwendig in der Herstellung, laufen aber sehr ruhig und kommen deshalb in Limousinen zum Einsatz. Um dem Platzproblem Abhilfe zu schaffen können die Zylinder auch V förmig in einem Winkel von 90° oder 15° angeordnet werden. Bei einem VK Käfer zum Beispiel liegen die Zylinder einander gegenüber. Dadurch wird der sogenannte Boxermotor sehr flach, und eine Kühlung durch Luft ist vollkommen ausreichend.

Zum Kraftstoffzufursystem eines Verbrennungsmotors gehören der Tank, eine Pumpe und die Anlage zur Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffes. Beim Benzinmotor werden im Vergaser Treibstoff und Luft zu einem hochexplosiven Gemisch vereint, das dann durch den Ansaugkrümmer in die einzelnen Brennkammern weitergeleitet wird. Auf jedem Zylinder sitzen in der Regel zwei Ventile. Das Ansaugventil leitet das Gemisch in den Zylinder, das Auslaßventil saugt die Abgase hinaus in den Abgaskrümmer, der in den Auspuff mündet. Die Tellerventile werden mechanisch geöffnet bzw. geschlossen. Das geschieht durch die Nockenwelle, die über Zahnräder mit der Kurbelwelle verbunden ist und so zum richtigen Zeitpunkt die Ventile bedient werden können. Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff heute direkt in den Verbrennungsraum eingespritzt. Der Vergaser entfällt bei dieser Methode, was man sich auch vermehrt bei Benzinmotoren zu Nutze macht. Ein elektronisch gesteuertes Einspritzsystem löst den Vergaser ab. Dadurch wird der Verbauch wesentlich geringer.

Aufgrund der bei der Verbrennung entstehenden Wärme benötigen alle Kraftmaschinen ein Kühlsystem. Die Kühlung erfolgt entweder durch Luft oder durch eine Flüssigkeit. Um genügend Kühloberfläche bieten zu können, besitzen luftgekühlte Motoren Rippen, die gemäß dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung die Kühlung verbessern, da mehr Wärme abgeleitet werden kann. Bei wassergekühlten Maschinen sind Hohlräume im Motorblock vorhanden, durch die die Flüssigkeit geleitet wird. Die aufgenommene Wärme wird an die Rippen im Kühler weitergegeben. Eine Pumpe hält den Kühlwasserkreislauf ständig aufrecht. Aufgrund unausgereifter Kühlsysteme stellten steile Straßen den Autofahrer früher vor ein großes Problem. Besonders im Sommer konnte das Wasser nicht mehr ausreichend abgekühlt werden und so kochte nicht selten der Kühler.

Im Gegensatz zu Dampfmaschinen und Turbinen entsteht beim Anlaufen einer Verbrennungskraftmaschine kein Drehmoment. Ein elektrischer Anlasser schafft hier Abhilfe, der mit der Kurbelwelle verbunden ist. Sobald die ganze Maschine von allein läuft wird durch ein Kugellager die Verbindung zum Anlasser gelöst. Früher benötigte man zum Starten des Motors eine Kurbel. Kleinere Kraftmaschinen können auch mit einem Seilzug oder einem Kickstarter angelassen werden.

Der Otto- oder Benzinmotor

Der deutsche Erfinder Nikolaus August Otto entwickelte im Jahre 1876 den nach ihm benannten Motor.

Wie der Name schon sagt wird der Ottomotor mit Benzin betrieben. Er ist heute die gängigste Verbrennungskraftmaschine und kommt beinahe in fast jedem Automobil zum Einsatz. Im Gegensatz zum Dieselmotor ist der Benzinmotor billiger in der Anschaffung, er besitzt Drehzahlen im Bereich von 2500 bis 5000 Umdrehungen pro Minute, was ihn spritziger und sportlicher macht als den Dieselmotor.

Der nächste wesentliche Unterschied ist die Art der Zündung. Das Gemisch wird hier durch einen Funken entzündet, der von der Zündkerze ausgeht. Das Zündsystem besteht aus einer Gleichstromquelle mit geringer Spannung. Durch eine Schaltautomatik wird der Strom mehrmals pro Sekunde unterbrochen. Der so zerhackte Strom des Primärkreises induziert im Sekundärkreis eine Spannung von bis zu 30000 Volt. Dieser Strom wird durch einen Verteiler an die Zündkerzen weitergeleitet. Letztere besteht aus zwei Elektroden, die mit Keramik isoliert sind, zwischen denen eine Lücke von etwas 3mm besteht. Der Hochspannungsstrom überspringt die Lücke und es entsteht ein Funke, der eine Explosion provoziert.

In der Regel funktioniert der Ottomotor nach dem Viertaktprinzip, d. h. sein Arbeitsspiel läuft in vier Phasen ab.

Phase - Ansaugen

Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens kommt es im Zylinderkopf zu einem Druckunterschied, genauergesagt einem Unterdruck. Durch diese Druckdifferenz gelangt durch das geöffnete Ansaugventil das Gemisch in die Brennkammer. Auch kann der Kraftstoff direkt in den Zylinderraum eingespritzt werden, wo er sich dann mit Luft vermischt.

Phase - Verdichten

Nach Erreichen des unteren Totpunktes beschreibt der Kolben eine Aufwärtsbewegung, bei der das injizierte Gemisch verdichtet wird. Das Verhältnis liegt bei etwa 12:1. Dabei erwärmt sich das Gas auf 400° bis 500° C und der Druck im Zylinder steigt auf ca. 18 bar an. Da diese Verdichtung schnell erfolgt wird nur ein geringer Teil der Wärme an die Umgebung abgegeben. Beim Verdichtungstakt sind beide Ventile geschlossen. Hat der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, zündet ein Funke das Gemisch à es kommt zur Explosion. Die Zeit zwischen Funken und der daraus resultierenden Flammenfron beträgt weniger als 1/1000s.

Phase - Arbeiten

Durch den  enormen Druck bei der Explosion wird der Kolben nach unten gepreßt. Die Gase verrichten über den Kolben Arbeit. Auch bei diesem Takt bleiben beide Ventile geschlossen. Die Gase haben eine Temperatur von ungefähr 2500° C.

Phase - Ausstoßen

Hat der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, öffnet sich das Auslaßventil. Bei der anschließenden Aufwärtsbewegung wird das verbrannte Gas aus dem Zylinder heraus. Nach Erreichen des oberen Totpunktes beginnt das ganze Arbeitsspiel wieder von vorne, also nach einem Weg von 720°.

Der Dieselmotor

Im Jahre 1892 erhielt der Deutsche Rudolf Diesel für seinen neu entwickelten Motor das Patent. Der Dieselmotor zeichnet sich durch seinen hohen Wirkungsgrad und seinen einfachen Aufbau aus. Der Wirkungsgrad, der zwar auf dem selben Prinzip beruht wie bei den Ottomotoren, liegt heute bei etwa 40%. Im Allgemeinen sind Dieselmotoren Kraftmaschinen niedriger Drehzahl. Die Kurbelwelle dreht sich nur zwischen 100 und 750 mal um die eigene Achse. Außerdem besitzt der Diesel einen weitaus niedrigeren Verbrauch als vergleichbare Benzinmotoren. Zwar sind die Anschaffungskosten für einen Dieselmotor sehr hoch, aber diese zusätzlichen Ausgaben werden durch billigeren Kraftstoff und hohe Wirtschaftlichkeit bald amortisiert. Ob sich ein solcher Motor für den einzelnen wirklich rentiert, sollte man sich aber vorher genau ausrechnen. Dieselmotoren werden neben dem KFZ Bereich auch bei Schiffen und Lkws verwendet.

Aufgrund neuer Techniken ist aus dem früher unbeliebten, lauten und schmutzigen Diesel eine ausgereifte High Tech Maschine geworden, und es fällt dem Unwissenden oft schwer, diesen vom Benziner zu unterschieden. Eine wesentliche Neuerung dazu brachte die sogenannte "Common Rail Einspritzung", bei der Treibstoff mit hoher Geschwindigkeit über eine Rail in die Brennkammer gelangt. Dadurch erzielt man einen deutlich niedrigeren Verbrauch als bei einer Zerstäubung im Vergaser.

Ein Dieselmotor besitzt keine Zündkerzen, da das Gemisch sich durch die bei der Explosion entstehenden Hitze selbst entzündet. Beim ersten Takt oder dem Ansaugtakt wird nur Luft in den Zylinderraum geleitet. Durch das Zusammenpressen der Luft steigt die Temperatur auf etwa 900°C und die Dichte auf über 50 atü oder einem Verhältnis von 25:1. Am ende des Verdichtungstaktes wird zerstäubtes Schweröl oder Dieselöl in die Kammer gesprüht, das dann explodiert. Beim Vierten Takt werden wie beim Ottomotor die verbrannten Gase hinausgeschoben.

Jahrelang waren Fahrzeuge mit Dieselmotor als Umweltverschmutzer verschrien, weil eine solche Kraftmaschine früher beim Anlassen eine schwarze Rußwolke erzeugte. Diese Wolke soll auch (hier sind die Experten nicht einer Meinung) krebserregende Teilchen (particulates) enthalten. Dies hat dazu geführt, daß die Abgasgesetzgebung schrittweise strenger wurde und in der EU(Stufe3-Typprüfung) ab 1.1.2000 nur mehr 0,05g/km Dieselparticulates zugelassen werden. Weiters sind die Abgasbestandteile CO mit 0,64g/km - NOx mit 0,5g/km - und (HC + NOx) mit 0,56g/km limitiert. Gewisse Gesetzesbeschlüsse wie der Einbau von Rußfiltern  oder die Reduktion des Schwefelgehaltes im Kraftstoff versuchen der Umweltverschmutzung entgegenzuwirken.

Österreich hat in der Entwicklung neuer Dieselmotoren eine besondere Rolle in der EU eingenommen und zeichnet sich besonders durch die hohe Kompetenz seiner Betriebe aus. In Steyr (OÖ) werden gefragte Dieselmotoren für Nutzfahrzeuge und Pkws gebaut, und in Hallein, Linz und Wien wird Entwicklungsarbeit an elektronischen Dieseleinspritzsystemen geleistet. In Graz werden bei der AVL-List und an der TU weltweit anerkannte Engineering-Dienstleistungen und Ausbildungsarbeit auf dem Gebiet der Dieselmotorenentwicklung angeboten.  In Jenbach werden thermodynamisch hochgezüchtete Gasmotoren (Deponiegas) aus Dieselmotoren entwickelt und zu weltweit begehrten Blockheizkraftwerken ergänzt.

Auch kann der Dieselmotor mit Salat- oder Rapsöl laufen, was wiederum der Umwelt zugute kommt.

Der Zweitaktmotor

Otto- und Dieselmotoren können auch im Zweitaktprinzip betrieben werden. Dabei ist jeder Takt ein Arbeitstakt und nicht jeder vierte. Die Maschine arbeitet in einem zweiteiligen Zyklus. Zuerst wird Gemisch verdichtet, der Kolben läuft nach oben. Zugleich wir aber unter dem Kolben neues Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt. Durch die Explosion wird der Kolben nach unten gedrückt und kann am unteren Totpunkt wieder neuen Treibstoff aufnehmen, der dann wieder verdichtet wird.

Zum Einsatz kommt der Zweitaktmotor besonders bei Rasenmähern, Motorrollern oder Kleinfahrzeugen. Die Tellerventile werden in seiner einfachsten Form durch Schlitze ersetzt, die in der Zylinderwand liegen und durch die Auf- und Abbewegung freigelegt bzw. verschlossen werden.

Der Wankelmotor

Kaum ein nicht technisch versierter Mensch kennt den Wankelmotor, der auch Kreiskolbenmotor genannt wird.  Erfunden wurde diese Verbrennungskraftmaschine von Felix Wankel und ist nach der Idee gebaut worden, den Verlust durch Reibung des Kolbens möglichst gering zu halten. Auch dieser Motor folgt dem selben Grundprinzip wie ein Viertaktmotor. Der Kolben hier ist aber ein Bogendreieck, das sich ohne irgendwann einmal umkehren zu müssen immer um die selbe exzentrische Kreisbahn läuft. Durch den Rotor wird Gemisch angesaugt, verdichtet, zur Explosion gebracht und wieder ausgestoßen - genau wie beim Diesel- und Benzinmotor. So läuft der Kolben immer in einer Richtung im Kreis. Im Jahre 1964 kam das erste Serienauto mit Wankelmotor der Firma NSU auf den Markt. Leider hat sich der Wankelmotor bis heute nie so richtig durchsetzen können. Gründe dafür kann man im zu hohen Benzinverbrauch oder der hohen Reparaturanfälligkeit suchen. Jedoch liegen die Vorteile dieses Motors in seiner kompakten Bauweise und seiner im Verhältnis zum Hubkolbenmotor einfachen Technik. Außerdem könnten verbesserte Maschinen eines Tages die Energie wesentlich besser umsetzen als herkömmliche Hubkolbenmotoren. Zum Einsatz kommen Wankelmotoren aber heute noch, wie zum Beispiel in japanischen Motorrädern.