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Antriebssysteme in der Maschinentechnik: Verbrennungsmotoren

von Rene Schien (Autor)

Hausarbeit (Hauptseminar) 2010 19 Seiten

Technik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Der Verbrennungsmotor
2.1 Ottomotor
2.2 Dieselmotor
2.3 ViertaktOttomotor
2.4 ViertaktPrinzip
2.5 Zweitakt-Ottomotor
2.6 Zweitakt- Prinzip
2.7 Unterschiede des Zwei- und Viertakt- Ottomotors
2.8 Vor- und Nachteile des Zweitakt- Ottomotors
2.9a Unterschiede der Arbeitsweise des Dieselmotors im Vergleich zum Ottomotor
2.9b Grundsätzliche Unterschiede des Otto- und Dieselmotors
2.9c Vor- und Nachteile des Dieselmotors

3. Entwicklung und Zukunft der Motorentechnik im Automobilbereich

4. Mögliche Umsetzungen in der Schule mit Bildungsplanbezug
4.1 Umsetzung im Unterricht
4.2 Bildungsplanbezüge

5. Reflexion

6. Literaturangaben

1. Einleitung

Diese Hausarbeit für den Fachbereich der Maschinentechnik soll dem Leser einen Einblick in den Bereich der Antriebssysteme geben.

Im Folgenden sollen dabei nur Verbrennungsmotoren als Antriebssystem betrachtet werden. Natürlich gibt es auch diverse andere Antriebssysteme wie z.B. Elektromotoren oder Dampfmaschinen. Im Rahmen meines Seminars wurden von mir allerdings nur die Verbrennungsmotoren aufgrund der Komplexität dieses Themas ausführlich betrachtet. Somit wird hierin auch der Schwerpunkt dieser Hausarbeit liegen.

Zu Beginn sollen Grundsätzliche Sachverhalte und Wirkprinzipien der Verbrennungsmotoren verständlich dargestellt werden. Es werden dabei Der Otto- und der Dieselmotor zunächst grob erläutert. Anschließend werden die Zwei- und Viertaktprinzipien anhand des Ottomotors erklärt und differenziert. Ich beginne mit dem Viertaktprinzip, da die Prozesse dort klarer voneinander getrennt sind als beim Zweitakt- Prinzip und daher leichter verständlich sind. Abschließend werden diese Prinzipien auf den Dieselmotor übertragen und Unterschiede bzw. Vor- und Nachteile der beiden Motorenarten aufgezeigt.

Es wäre auch möglich, zu Beginn nur den Ottomotor einzuführen und das Zwei- und Viertaktprinzip daran darzustellen, um danach erst den Dieselmotor zu erwähnen und als Erweiterung einzuführen. Viele Lehrbücher machen dies auch so. Ich habe mich aber dafür entschieden den Dieselmotor zu Beginn (mit dem Hinweis dass später eine einfache Übertragung des Zwei- bzw. Viertaktprinzips folgen wird) gleichwertig aufzuführen. Dies hat zwei Gründe: Erstens hat der Leser so gleich einen kompletteren Überblick über die Arbeit und mein Vorgehen. Zweitens wirkt der Dieselmotor bei einem hinzufügen oder anhängen am Ende meiner Meinung nach auch nur wie ein Anhängsel oder eine kleine Erweiterung. Dabei ist der Dieselmotor aber tatsächlich eine alleinige komplette Konstruktion die im Konkurrenzkampf zum Ottomotor steht.

Danach sollen dem Leser einige Entwicklungen der Motorentechnik in ihrem wichtigsten Wirtschaftszweig, der Automobilbranche, dargelegt werden. Dabei gehe ich zunächst auf die Entwicklung von der Vergangenheit bis heute ein. Ich werde dann einen Ausblick in die Zukunft geben, wie sich die Motorentechnik weiterentwickeln könnte. Ich finde besonders in der Automobilbranche sind die vergangenen und künftigen Entwicklungen und Erfindungen für jeden Techniker interessant und wissenswert.

An einer pädagogischen Hochschule muss natürlich auch über eine Umsetzung im Unterricht nachgedacht werden. Deswegen werde ich eine mögliche Umsetzung dieses Themengebietes im Schulunterricht aufzeigen, indem ich verschiedene Methoden und Ideen zur Durchführung einer Unterrichtseinheit zu diesem Thema erläutere. Daran knüpft eine Auflistung der Kompetenzen des Bildungsplans an, welche abgedeckt werden können.

Als Abschluss folgt dann noch eine kleine Reflexion über diese Hausarbeit.

2. Der Verbrennungsmotor

Definition: "Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die chemische Energie eines Kraftstoffs durch „innere“ Verbrennung, also ohne zwischengeschaltete Energieträger, in mechanische Arbeit umwandelt." [Wikipedia 2010, Verbrennungsmotor]

Der Verbrennungsmotor gehört zur Gattung der Hubkolbenmotoren.

Verbrennungsmotoren werden grundsätzlich in Otto- und Dieselmotoren unterschieden. Wir werden nun zuerst den Ottomotor betrachten.

2.1 Ottomotor

Der Ottomotor ist nach Nikolaus August Otto (1832-1891) benannt. Bei ihm wird ein Kraftstoff- Luft- Gemisch eingespritzt und durch eine aktive Zündvorrichtung (Zündkerze) gezündet. In der Regel werden Ottomotoren mit Benzin betrieben. Man unterteilt Ottomotoren je nach Arbeitsweise in Zwei- und Viertakter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Nicolaus Otto [Wikipedia 2010, Nicolaus Otto]

2.2 Dieselmotor

Nun kommen wir zum Dieselmotor. Der Dieselmotor ist nach Rudolf Diesel (1858-1913) benannt. Bei ihm gibt es einige Unterschiede aber auch Gemeinsamkeiten zum Ottomotor. Der Dieselmotor ist wie der Ottomotor ein Verbrennungsmotor und kann ebenfalls als Zwei- oder Viertaktmotor arbeiten. Der fundamentale Unterschied zur Betriebsart des Ottomotors ist, dass er mit Diesel Kraftstoff (der Ottomotor nutzt Benzin) betrieben wird und ein Selbstzünder ist. D.h. er zündet von alleine und benötigt so keine aktive Zündquelle (Zündkerze). Was genau dies bedeutet wird später noch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Rudolf Diesel [Wikipedia 2010, Rudolf Diesel]

2.3 Viertakt- Ottomotor

Zuerst untersuchen wir nun den Grundaufbau eines Viertakt- Ottomotors. Wir werden anschließend das Viertakt- sowie das Zweitaktprinzip nur im Bezug auf einen Ottomotor anschauen. Danach werden wir diese Prinzipien auf den Dieselmotor übertragen.

Zu beachten ist noch, dass die nun kommenden Abbildungen alle immer nur einen Zylinder abbilden. Im Bezug auf moderne Automobile muss erwähnt werden, dass dort Motoren genutzt werden, die mehrere Zylinder (in der Regel drei-zwölf, je nach Leistung) parallel betreiben um eine hohe Gesamtleistung zu erreichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Viertaktmotor Animation [Wikipedia 2010, Ottomotor]

In obiger Grafik sind die einzelnen Bauteile eines Vierakters vereinfacht dargestellt. Sie sollen nun erläutert werden.

Zylinder: Als Zylinder wird der Raum bezeichnet indem der Kolben auf- und absteigt.

Kolben: Er bewegt sich beim Arbeiten im Zylinder nach oben und unten. Warum sich der Kolben bewegt wird später noch betrachtet.

Pleuel: Das Pleuel überträgt die Kraft des sich bewegenden Kolben auf die Kurbelwelle.

Kurbelwelle: Es wandelt die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um und leitet diese weiter.

Einlassventil: Hier tritt Kraftstoff- Luft- Gemisch, das zur Verbrennung nötig ist ein.

Auslassventil: Hier werden nach der Verbrennung die Abgase entweichen.

Zündkerze: Sie zündet das Kraftstoff- Luft- Gemisch mit einem Funken.

Oberer Totpunkt: Dies ist die höchstmögliche Position im Zylinder, an der sich der Kolben befinden kann.

Unterer Totpunkt: Dies ist die tiefstmögliche Position im Zylinder, an der sich der Kolben befinden kann.

2.4 Viertakt- Prinzip

Nun wird beschrieben, wie das Viertaktprinzip arbeitet. Jeder der vier Punkte steht dabei für einen Takt.

1. Ansaugen: Der Kolben bewegt sich nach UT. Das Einlassventil ist offen, das Kraftstoff- Luft -Gemisch wird durch Abwärtsbewegung des Kolbens angesaugt.
2. Verdichten: Der Kolben bewegt sich nach OT, es sind beide Ventile geschlossen, das Kraftstoff- Luft- Gemisch wird komprimiert (verdichtet).
3. Arbeiten: Die Ventile sind weiterhin geschlossen, kurz bevor der Kolben den OT erreicht zündet die Zündkerze und Kraftstoff- Luft- Gemisch. Es explodiert und treibt Kolben nach UT.
- 4. Ausstoßen: Kolben bewegt sich nach OT, das Auslassventil ist offen. Der Kolben drückt Abgas aus dem Zylinder.
[vgl. Thane 2010, Grundwissen]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Viertakt- Prinzip [Thane 2010, Grundwissen]

2.5 Zweitakt- Ottomotor

Beim Zweitakt- Ottomotor ist der Grundaufbau dem Viertaktmodell sehr ähnlich. In gleicher Funktion werden hier Zylinder, Kolben, Pleuel, Kurbelwelle und die Zündkerze verwendet. Allerdings gibt es kein Ein- oder Auslassventil. Stattdessen wird das Ansaugen und Ablassen der Gase und Gemische durch sogenannte Kanäle (auch Schlitze genannt) gesteuert. Hier gibt es Allerdings drei Kanäle (Einlasskanal, Überströmkanal, Auslasskanal. Siehe Abb. 5).

2.6 Zweitakt- Prinzip

1. Takt: Der Kolben wandert von UT nach OT. Durch den Überströmkanal strömen Frischgase aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder. Dabei werden die Abgase in den Auslasskanal gedrängt.
Der aufwärtsgehende Kolben verschließt Überström- und Auslasskanal und komprimiert das Kraftstoff- Luft- Gemisch. Durch den entstehenden Unterdruck unter dem aufwärtsgehenden Kolben wird frisches Kraftstoff- Luft- Gemisch aus dem Ansaugtrakt über den Einlasskanal in das Kurbelgehäuse gesogen.
2. Takt: Die Zündkerze zündet das Kraftstoff- Luft- Gemisch. Der Kolben wandert nach UT. Dabei komprimiert er das neue Kraftstoff- Luft- Gemisch im Kurbelgehäuse.

[vgl. Thane 2010, Grundwissen]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Zweitakt- Prinzip

Bearbeitete Grafik nach Vorlage [vgl. Thane 2010, Grundwissen]

Im Endeffekt fallen zum Viertaktmodell also einfach zwei Takte Weg. Das Ansaugen und Ausstoßen benötigt hier keine eigenen Takte!

2.7 Unterschiede des Zwei- und Viertakt- Ottomotors

Nachfolgend sind nun die wesentlichen Unterschiede des Zwei- und Viertakt- Ottomotors tabellarisch aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.8 Vor-und Nachteile des Zweitakt- Ottomotors

In dieser Tabelle sind nun die gegenseitigen Vor- und Nachteile der beiden Motorenarten aufgelistet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.9a Unterschiede der Arbeitsweise des Dieselmotors im Vergleich zum Ottomotor

Wie schon erwähnt arbeitet der Dieselmotor ebenfalls als Zwei- oder Viertakter. Die Arbeitsweise ist dem Ottomotor nahezu gleich. Bis auf folgende Unterschiede:

Im Gegensatz zum Ottomotor (Kraftstoff- Luft- Gemisch) saugt er nur Luft in den Zylinder.

Diese Luft wird sehr stark verdichtet. Durch die höhere Verdichtung wird die komprimierte Luft sehr viel heißer als beim Ottomotor.

Kurz vor dem oberen Totpunkt wird nun fein zerstäubter Diesel Kraftstoff eingespritzt (siehe Abb. 6). Der Kraftstoff verdampft und entzündet sich dabei von alleine. Er benötigt also keinen Zündfunken.

Wie auf der Abbildung zu sehen, haben Dieselmotoren typischerweise eine Auskerbung im oberen Bereich des Kolbens, indem die Luft verdichtet wird (siehe roter Kreis). Diese Abbildung zeigt ein Viertakt- Dieselmotor (zu erkennen am Ein- und Auslassventil) zu Beginn des dritten Taktes (es wurde gerade der Dieselkraftstoff eingespritzt und entzündet sich selbst. Der Kolben wandert nach UT).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Dieselmotor

Bearbeitete Grafik nach Vorlage [vgl. Zentralschweizer Bildungsserver 2000, Dieselmotor 3/4]

2.9b Grundsätzliche Unterschiede des Otto- und Dieselmotors

Hier sind nun die wesentlichen Unterschiede des Otto- und Dieselmotors tabellarisch aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Details

Seiten
19
Jahr
2010
ISBN (eBook)
9783656483618
ISBN (Buch)
9783656483670
Dateigröße
1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v231604
Institution / Hochschule
Pädagogische Hochschule Freiburg im Breisgau
Note
2,0
Schlagworte
Maschinentechnik Technik Motoren Verbrennungsmotoren KFZ Antriebssysteme Ottomotor Dieselmotor Motorentechnik

Autor

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    Rene Schien (Autor)

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