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1. Einführung: Motor bedeutet auf Lateinisch so viel wie Beweger und die ersten gab es vermutlich um das Jahr 100 herum. Diese waren jedoch noch sehr einfach und dienten als Türöffner. Der Beginn der Entwicklung heutiger Motoren war aber die Dampfmaschine, welche im Jahr 1778 erfunden wurde in die industrielle Revolution auslöste. Fast hundert Jahre später, 1876, gelang es Nikolaus August Otto, einen funktionierenden Viertaktmotor zu entwickeln, welcher auf dem Lenoir-Motor aus dem Jahre 1860 aufbaute. Unten: Lenoir-Motor von 1860 Die physikalische Arbeitsweise unterscheidet sich bei den Folgenden vier Motoren grundsätzlich nicht von einander.
Es findet hier die Umwandlung von chemischer Energie (Treibstoff), über die Wärmeenergie (Verbrennung), in mechanische Energie (Fortbewegung) statt. 2. Viertaktmotor 2.1 Historisches Wie schon in der Einführung erwähnt, wurde der erste verlässlich funktionierende Viertaktmotor von N.A. Otto im Jahre 1876 entwickelt, weshalb er vor allem früher auch als Ottomotor bekannt war.
Dieser hatte aber anfänglich kaum Ähnlichkeit mit den heutzutage verbreiteten Modellen. Die ersten Fahrzeuge, die mit dem Ottomotor angetrieben wurden, wurden von Gottlieb Daimler und Carl Benz gebaut. 2.2 Funktionsweise Wie der Name schon beschreibt, bewältigt dieser Verbrennungsmotor seinen Kreisprozess in vier Takten, was zwei Kurbelumdrehungen entspricht. Demzufolge ist ein Takt die Bewegung des Kolbens vom Anfangspunkt (oder oberer Totpunkt, OT) zum erneuten Stillstand bzw. zu dem Punkt, an dem der Kolben am anderen Ende des Zylinders angekommen ist (unterer Totpunkt, UT).
1. Takt: Das Einlassventil (in unserem Beispiel das linke) wird geöffnet und der Kolben bewegt sich nach unten. Dabei wird im Zylinder ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, dass das Luft-Kraft- stoffgemisch (gasförmig) hineingesaugt wird. Wenn der Kolben den UT erreicht hat, schliesst sich das Einlassventil und der Zylinder ist komplett mit dem Gas gefüllt. 2. Takt: Der Kolben bewegt sich nun Richtung OT und komprimiert somit das Gas.
Das Kraftstoffgemisch wird dabei auf ein Zehntel komprimiert. Durch diese starke Kompression erhitzt es sich zudem stark auf bis zu 500°C, wodurch auch die restliche Flüssigkeit noch gasförmig wird und es hoch entzündlich wird. Die Gefahr, dass es sich selber entzündet, ist in diesem Moment sehr gross. Wenn dies dauerhaft geschieht, kann es zu einem Motorschaden kommen. Kurz bevor der Kolben den OT erreicht hat, ist das Gas bereit, mit Hilfe einer Zündkerze, die sich zwischen den Ventilen befindet, gezündet zu werden. 3.
Takt: Die Zündung verbrennt das Gas im Zylinder. Dabei steigt die Temperatur von ca. 500°C auf über 2500°C an und der Druck steigt auf bis zu 50 bar an. Da die Temperatur so schnell ansteigt, wird kaum Wärme an die Umgebung abgegeben. Durch diesen enormen Druck wird der Kolben nach unten gedrückt und treibt so die Kurbelwelle an. Bei der Abwärtsbewegung nehmen Druck und Temperatur ab, weil das Volumen grösser wird.
Dieser Takt wird auch Arbeitstakt genannt, weil in ihm die eigentliche Energie umgewandelt wird: das Gas verrichtet am Kolben mechanische Arbeit. Dabei wird die Kurbelwelle angetrieben, mit der wiederum ein Rad o.ä. verbunden werden kann. 4. Takt: Wenn der Kolben den UT erreicht hat, wird das Auslassventil geöffnet.
Durch die Aufwärts-bewegung des Kolbens wird das Abgas dort hinausgedrückt. Kurz vor dem Moment in dem der Kolben an den OT kommt, sind fast alle Abgase aus dem Zylinder gedrückt worden und das Einlassventil öffnet sich wieder. Nur ein Bruchteil einer Sekunde später schliesst sich das Auslassventil. In dieser kurzen Zeit kommt es zur so genannten Ventilüberschneidung: durch die ausströmenden Gase entsteht ein Unterdruck der dazu führt, dass das Kraftstoffgemisch gegen die Kolbenbewegung einströmen kann und ein neuer Kreisprozess beginnt. Wie man also sieht, wird nur während einer halben von zwei Umdrehungen arbeit geleistet. Damit der Motor trotzdem Ruckfrei läuft, werden bei Autos optimalerweise meist vier oder mehr Zylinder eingesetzt, die taktversetzt arbeiten.
2.3 Vor- und Nachteile: Die Vorteile des Viertaktmotor sind 3. Zweitaktmotor 3.1 Historisches: Die ersten Zweitaktmotoren arbeiteten nach einem ganz anderen Prinzip wie die heutigen, werden aber trotzdem so genannt, weil sie wie auch die modernen nach jeder Kurbelwellenumdrehung zündeten. Der grösste Unterschied ist, dass die ersten Zweitakter unverdichtet zündeten. Der erste einwandfrei funktionierende dieser Art war der Sylvestermotor von Karl Benz aus dem Jahre 1879.
3.2 Funktionsweise: Der Zweitaktmotor benötigt im Gegensatz zum Viertakter nur eine Kurbelwellenumdrehung und hat auch viel weniger Einzelteile, da der Kolben auch gleichzeitig als Ventil wirkt. Im ersten Takt werden die Abgase ausgespült, frisches Kraftstoffgemisch eingefüllt und verdichtet. Im zweiten Takt wird gezündet und die Arbeit geleistet. Anfang des 1. Taktes 1.
Takt 2. Takt Anfang des 1. Taktes: Der Zylinder befindet sich am unteren Totpunkt und somit sind der Überströmkanal (links) und der Auslasskanal (rechts oben) geöffnet. Durch den Überströmkanal strömt nun das Kraftstoffgemisch, welches zuvor im Kurbelge-häuse komprimiert wurde, indem der Kolben vom OT in den UT wanderte. Durch den höheren Druck der dadurch im Kurbelgehäuse herrscht, kann das frische Kraftstoffgemisch die Abgase aus dem Zylinder verdrängen. 1.
Takt: Der Kolben bewegt sich wieder richtung OT und schliesst dabei den Überströmkanal und den Auslasskanal. So kann das Kraftstoffgemisch komprimiert werden. Der Druck und die Tempe-ratur werden dadurch wie beim Viertakter stark erhöht, wodurch das Gemisch hochentzündlich wird. Gleichzeitig wird Der Gaseinlass (rechts unten) geöffnet und so kann wieder frisches Kraft-stoffgemisch in das Kurbelgehäuse einströmen. Der Kolben bewegt sich wie beim Viertaktmotor zum OT. 2.
Takt: Kurz vor dem OT wird das Gemisch mit Hilfe einer Zündkerze gezündet. Temperatur und Druck steigen sprunghaft an und lassen so den Kolben nach unten schnellen. Dabei treibt er die Kurbelwelle an. Die Vorgänge in diesem Takt sind genau die selben wie im dritten Takt des Viertakters, darum wird dieser ebenfalls Arbeitstakt genannt. Da bei jeder Umdrehung Arbeit geleistet wird, kann ein Zweitaktmotor gut mit einem Zylinder auskommen, im Gegensatz zum Viertakter. Charakteristisch für einen Zweitaktmotor ist, dass dem Kraftstoff Öl zugemischt werden muss, da sonst die Kurbelwelle, welche vom Kraftstoffgemisch umspült wird, nicht genügend geschmiert wird.
Mann kann Zweitaktmotoren in Mopeds und älteren Rollern finden, vor allem werden sie aber als Schiffs-, Flugzeug- und Lokomotivmotoren gebaut. Die Gründe dazu werden bei den Vorteilen eines Zweitakters erläutert. 3.3 Vor- und Nachteile: Da bei jeder Kurbelwellenumdrehung im Gegensatz zum Viertakter ein Arbeitstakt stattfindet, ist der Arbeitsverlust dieser so genannten Leerhübe sehr viel kleiner. Theoretisch sollte die Leistung mit gleichem Hubraum also doppelt so gross sein wie bei einem Viertakter. Wegen des grössten Nachteils der Zweitakter trifft dies aber nicht zu.
Die einzelnen Takte sind nicht klar getrennt, sondern gehen eher fliessend ineinander über. D.h., dass der komplette Austausch der Abgase mit frischem Kraftstoffgemisch nicht möglich ist, da die Abgase vom frischen Gemisch aus dem Zylinder hinausgespült werden müssen. Auf Grund dessen ist der Anteil vom frischen Gemisch im Zylinder (max. 70%) im Gegensatz zum Viertakter (max.
95%) relativ niedrig. Das reduziert die Leistungssteigerung auf ca. 50%, was allerdings immer noch beträchtlich ist. Diesen Umstand wird vor allem bei grossen Motoren verwendet, weil sie bei gleicher Leistung kleiner sind als Viertakter. Seit der Klimaveränderung kommt zu dem oben beschriebenen Nachteil auch ein umweltpolitisches Problem: Da dem Kraftstoffgemisch Öl zugemischt werden muss, gelangt es natürlich auch in die Brennkammer und wird dort zum Teil verbrannt, was zu schädlichen Gasen führt. Ein grosser Vorteil ist dagegen die einfache und billige Konstruktion: Der Kolben dient gleichzeitig als Ventil und somit werden viel weniger Verschleissteile gebraucht und das Gewicht und die Kosten reduziert.
4. Dieselmotor 4.1 Historisches: Der Dieselmotor wurde im Jahre 1890 von Rudolf Diesel erfunden und zwei Jahre später meldete er den Motor als Patent an. Während der Entwicklung erprobte R. Diesel verschiedene Kraftstoffe, bis er auf den richtigen stiess. Der heutige Diesel wird jedoch aus Erdöl hergestellt, ist also nicht mehr derselbe wie am Anfang.
R. Diesel wollte einen Motor bauen, der einen höheren Wirkungsgrad hatte als die damaligen Ottomotoren. Der hohe Druck, der dazu nötig war, liess jedoch den ersten Prototypen explodieren. Der zweite Versuch war erfolgreich, jedoch war der Wirkungsgrad mit 25% im Gegensatz zu den heutigen Dieselmotoren (46%) noch niedrig, aber immer noch viel besser wie bei den damaligen Ottomotoren. 4.2 Funktionsweise: Grundsätzlich funktioniert ein Dieselmotor nach dem selben Prinzip wie ein Viertakt-Ottomotor, denn er arbeitet genau gleich in vier Takten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstossen.
Der grosse Unterschied besteht jedoch darin, dass beim Viertakt-Ottomotor ein Gemisch aus Kraft- und Sauerstoff in die Brennkammer gesaugt wird, verdichtet und dann fremdgezündet (d.h. mit Hilfe einer Zündkerze o.ä.) wird. Beim Dieselmotor wird reine Luft in die Brennkammern gesaugt, diese wird verdichtet und erst dann wird der Kraftstoff eingespritzt.
1.Takt: Ansaugen 2.Takt: Verdichten 3.Takt: Arbeiten 4.Takt: Ausstossen 1. Takt: Durch das Einlassventil links wird reine Luft angesaugt, da im Zylinder durch die Bewegung zum UT ein Unterdruck entsteht.
Sobald der Kolben am UT angekommen ist, ist der Zylinder komplett mit Luft gefüllt und das Einlassventil schliesst sich. Die Kerben im Kolben sind eher untypisch. 2. Takt: Die Luft wird nun durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens auf über 200 bar komprimiert und erhitzt sich dabei auf ca. 700 bis 900°C. 3.
Takt: Die Temperatur der Luft ist nun hoch genug, damit sich der Dieselkraftstoff, der nun durch die Einspritzpumpe zwischen den Ventilen eingespritzt wird, von selbst entzündet. Der Druck steigt dabei stark an und die Temperatur auf ca. 2000°C.
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