ANTRIEBSTECHNIK - genius- · PDF file7 Verkehr vor der Erﬁ ndung des Automobils Schiﬀ ,...

Hanne LierTilmann BergerJosef Maier

ANTRIEBSTECHNIKVerbrennungsmotorLehrermaterial und KopiervorlagenKlassen 8 bis 10

Daimler AG | Klett MINT GmbHStuttgart

Inhaltsverzeichnis

Verbrennungsmotor

1 Lehrerinformationen 7 – 10

2 Mobilität früher 11 – 12

3 Die Pioniere 13 – 14

4 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (1) – Kolbenversuch, Popperversuch 15 – 16

5 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (2) – Pleuelversuch 17 – 18

6 Vier Takte für ein Arbeitsspiel 19 – 20

7 Aufbau eines Verbrennungsmotors 21 – 22

8 Kraftstoffe 23 – 24

9 Zum Trainieren und Merken: Verbrennungsmotor 25 – 26

7

Verkehr vor der Erfi ndung des Automobils

Schiff , Eisenbahn, Fahrrad, Pferdefuhrwerk und Kutsche sind die Fahrzeuge in der Zeit vor dem Automobil. Das Auto-mobil verändert das Verhältnis der Menschen zu Raum und Zeit nachhaltig. Auf dem Wasser stellt der Raddampfer eine Verkehrsrevolution dar, weil er aus eigener Kraft die Flüsse in beide Richtungen befahren kann. Auf dem Festland er-möglicht die Eisenbahn erstmals für alle Klassen der Be-völkerung Reisen über große Distanzen. Sie verbindet Dörfer mit Metropolen und Regionen untereinander. Das Fahrrad trägt dazu bei, dass in den 1870er Jahren der Individual-verkehr zunimmt. Mit dem Fahrrad kann auch der einfache Mann seinen Lebensraum dauerhaft ausweiten. Pferd und Wagen schließlich haben einen doppelten Nutzen: Als Pferde-fuhrwerk und Postkutsche helfen sie beim Warentransport und der Personenbeförderung. Als prunkvolle Kutsche und repräsentatives Reittier sind sie Statussymbole der Ober-schicht, bevor das Automobil sie ablöst.

Die Erfi ndung des Automobils

Im Industriezeitalter, das um 1830 beginnt, werden Maschinen erfunden, die mühelos weite Strecken überwinden: Eisen-bahnen durchqueren Berge und Täler, Dampfschiff e fahren fl ussaufwärts. Aber noch fehlt das entscheidende Glied in der Kette der Mobilität.Karl Benz und Gottlieb Daimler forschen unabhängig von-einander an einem kleinen, schnelllaufenden Explosions-motor, der einen Wagen antreiben könnte. Nach vielen Rückschlägen ist es 1886 endlich so weit: Am 29. Januar meldet Benz seinen in Mannheim konstruierten Motorwagen zum Patent an. Und nur 100 Kilometer entfernt, in Cann-statt, vollendet Daimler seine Motorkutsche. Anders als Karl Benz, der vor allem Automobile bauen will, träumt Gottlieb Daimler von der Motorisierung „zu Wasser, zu Lande und in der Luft“. Daimlers Hauptziel ist zunächst die Herstellung von geeigneten Motoren. Gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Wilhelm Maybach entwickelt er in jahrelanger Forschungs-arbeit einen kleinen, schnelllaufenden Motor, der so leicht und so stark ist, dass er ein Fahrzeug antreiben kann. Diesen Motor, die sogenannte „Standuhr“, bauen Daimler und

Maybach 1885 zuerst in ein Laufrad ein, den „Reitwagen“, und konstruieren damit das erste Motorrad der Welt. 1886, ein Jahr später, motorisieren sie ein Boot, das ihnen für Ver-suchsfahrten auf dem Neckar dient. Im gleichen Jahr bauen sie eine stärkere Version der „Standuhr“ in eine Kutsche ein. Das Ergebnis ist die sogenannte Motorkutsche: das weltweit erste Automobil mit vier Rädern und einem Benzinmotor.Daimler und Benz schaff en, was sich die Menschheit seit Erfi ndung des Rades erträumt: einen Wagen, der sich von selbst fortbewegt – das Automobil.Daimlers Einzylindermotor „Standuhr“ ist der weltweit erste kleine, schnelllaufende Verbrennungsmotor, der mit Benzin betrieben wird. Er ist leicht und trotzdem stark genug, um ein Fahrzeug antreiben zu können. Seinen Beinamen er-hält der Motor, weil er einer Standuhr ähnelt. 1885 wurde er zum Patent angemeldet.Der Benz Patent-Motorwagen ist das erste Benzin-Auto-mobil der Welt. Anders als Daimlers Motorkutsche ist der Motorwagen eine eigenständige Einheit aus Fahrgestell und Motor. Karl Benz konzipiert ihn als Dreirad, weil ihn die Lenkungssysteme, wie sie 1886 für vierrädrige Fahrzeuge üblich sind, nicht zufrieden stellen.Die Motorkutsche von Gottlieb Daimler ist das erste vier-rädrige Automobil der Welt. Wie der Name verrät, handelt es sich dabei um eine herkömmliche Kutsche, der Daimler und Maybach ihren kleinen und schnelllaufenden Motor, die so-genannte „Standuhr“, eingebaut haben.

Die Bedeutung der Erfi ndung des Automobils für die Entwicklung des Verkehrs

Die Erfi ndung des Automobils ist für Gottlieb Daimler und Karl Benz nur der Anfang. Während Karl Benz unablässig die Ent-wicklung des Autos vorantreibt, setzt Gottlieb Daimler seine Vision von der Motorisierung zu Wasser, zu Lande und in der Luft in die Tat um: Er motorisiert zum ersten Mal ein Boot und ein Luftschiff und er baut den ersten Motorlastwagen.Karl Benz hingegen konstruiert den ersten Motoromnibus, den ersten Lieferwagen sowie das erste Automobil, das in Großserie hergestellt wird. In wenigen Jahren erschaff en Daimler und Benz die Urtypen des motorisierten Verkehrs, deren Nachkommen bis heute den Alltag der Menschen rund um die Welt begleiten.1895 baut Benz & Cie. die ersten beiden Omnibusse der Welt. Mit ihnen beginnt der motorisierte öff entliche Personenver-kehr. Sie verkehren auf der Strecke Siegen–Netphen–Deuz. Weil anhaltender Regen die Straßen aufweicht, sind die Busse nur wenige Wochen im Einsatz.

1 Lehrerinformationen

Texte zu Arbeitsblatt (AB) 2 „Mobilität früher“ und AB 3 „Die Pioniere“

8 1 Lehrerinformationen

Weiterführende Texte zu AB 2 „Mobilität früher“ und AB 3 „Die Pioniere“

Der Kotfl ügel

Als die Straßen noch keine Asphaltdecke hatten, war Auto-fahren eine schmutzige Angelegenheit. Nicht nur der Matsch spritzte bei nasser Fahrbahn, auch Pferdeäpfel wurden von den Rädern aufgewirbelt. Um den Fahrer vor Schlamm und Pferdekot zu schützen, verwendeten die Automobilbauer Schutzschilde aus Holz, die sie über den Rädern montierten. Mit diesem Bauteil hatten die Karossiers früher bereits ihre Kutschen ausgerüstet. Seiner Funktion verdankt es seinen Namen: „Kotfl ügel“.

Die Autokarte

Mit dem Siegeszug des Automobils wurde Hilfe bei der Orientierung in unbekannter Umgebung notwendig, denn das Automobil führte seinen Fahrer weiter aus der vertrauten Lebenswelt hinaus, als es Kutsche oder Fahrrad je ver-mochten. Anders als bei der Eisenbahn bestimmte der Auto-reisende seine Route selbst. Er musste seinen Orientierungs-sinn schulen und sich auf das Lesen von Straßenkarten verstehen.

Historische Entwicklung: Kommunikation/Infrastruktur/regionale Erschließung

Vor mehr als 500 Jahren übertrug der deutsche Kaiser Maximilian I. dem Fürsten Johannes von Taxis die Aufgabe, den Postverkehr zu übernehmen. Der richtete ein Netz von Postkutschen ein, die sowohl Briefe und Pakete als auch Personen über weite Strecken beförderten. Seine Kutschen lackierte er in den Farben des kaiserlichen Wappens: Gelb und Schwarz.Gelb und schwarz lackierte Mercedes-Benz-Omnibusse ge-hörten zur österreichischen Kraftpost, die wie einst der Fürst von Taxis Briefe, Pakete und Personen beförderte. So fuhren vor gut 60 Jahren viele Wiener in schwarz-gelben Post-omnibussen ins Burgenland und wieder zurück. Später hat man sie zu fahrenden Postämtern umgebaut. Bis Ende der 70er Jahre konnten Kunden darin telefonieren, Briefe und Pakete aufgeben und sogar Telegramme verschicken.

Leitfragen• Welche Verkehrsmittel gab es vor der Erfi ndung des Automobils?• Wie und warum waren die Menschen im 19. Jahrhundert unterwegs?• Was war das Besondere der Erfi ndungen von Daimler und Benz?• Wie entwickelte sich der Verkehr nach der Erfi ndung des Automobils?

Infos zu AB 4 und AB 5 „Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors“

Grundsätzliche Überlegungen zur Unterrichtseinheit

Grundlegend für die Arbeitsweise eines 2- oder 4-Takt-Motors sind die in den drei Versuchen vorgestellten physikalischen Prozesse „Gasausdehnung bei Erwärmung“ (Kolbenver-such), „Temperaturerhöhung durch Verbrennung eines Gas-gemisches“ (Popperversuch) und Umsetzung einer durch Er-hitzen und Abkühlen eines Gasvolumens erreichten Auf- und Abbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung über Pleuel (Pleuel basteln).Anhand der Optimierung dieser Prozesse (Fragen zu den Ver-suchen) erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler ein Ge-fühl für Sinn und Zweck der verschiedenen Takte des Arbeits-spiels.Die darüber hinaus führenden Bauteile und Funktionen eines Motors sind zur Optimierung dieser drei Grundprozesse nötig, deshalb sollte im Unterricht zuerst Wert auf das Verständnis der drei Versuche und der zugrunde liegenden Prozesse ge-legt werden, damit sich die Schüler und Schülerinnen im An-schluss bei den komplizierteren Motoraufbauten an diesen grundlegenden Punkten orientieren können.

1 Lehrerinformationen 9

Internetadressen• Funktionsweise eines Otto-Viertaktmotors:Datei:4-Stroke-Engine.gifhttp:// de.wikipedia.org/wiki/Verbrennungsmotorhttp:// de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:4-Stroke-Engine.gif&fi letimestamp=20080815230451http:// library.thinkquest.org/C006011/german/sites/ottomotor.php3?v=2

• Arbeitstakte und Arbeitsdiagramm (animierter Ablauf):http:// library.thinkquest.org/C006011/german/sites/link.php3?link=http%3A%2F%2Ftechni.tachemie.uni-leipzig.de%2Fotto%2F

• Funktionsweise einer Nockenwelle:Datei:Nockenwelle ani.gifhttp:// de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Nockenwelle_ani.gif&fi letimestamp=20060720204314

Den direkten Zugang zu diesen Seiten bekommen Sie über die Link-Liste auf beiliegender CD-ROM.

Texte zu AB 6 und AB 7 „Verbrennungsmotor“

Funktionen von Verbrennungsmotoren – Ventilsteuerung

Um Ottomotoren mit Verbrennungsgasen zu versorgen und die verbrannten Gase nach dem Arbeitstakt wieder ins Freie zu befördern, müssen die Verbrennungsräume (Zylinder) über Ein- und Auslassventile zum richtigen Zeitpunkt geöff net und wieder geschlossen werden können. Bereits seit 1895 (Daimler Phoenix-Motor) erfolgt die Steuerung der Auslass-ventile über eine Nockenwelle, das Einlassventil arbeitet als sogenanntes „Schnüff elventil“ – es wird beim Ansaugtakt des Motors durch den im Brennraum entstehenden Unterdruck geöff net und durch die Federkraft der Ventilfeder wieder ge-schlossen. Seit 1900 werden sowohl Einlass- als auch Aus-lassventile über Nockenwellen gesteuert (Mercedes-Vier-zylinder 35-PS-Modell).Die Nockenwelle bewirkt, dass die Ventile zum richtigen Zeitpunkt für die richtige Zeitdauer mit dem richtigen Hub geöff net werden, um den Motor mit Verbrennungsgasen zu versorgen und nach der Verbrennung die Abgase aus dem Zylinder herauszulassen. Die Form des Nockens kann je nach Anforderung variieren. Diese Ventilsteuerung ist die Grund-lage für hohe Leistungsentfaltung.

Leitfragen• Wie funktioniert ein Vier-Takt-Verbrennungs- motor?• Welche Funktionen haben die hauptsächlichen Teile eines Motors?

Texte zu AB 8 „Kraftstoff e“

In der Diskussion um den begrenzten Verbrauch und die Ver-fügbarkeit von Rohstoff en gilt es zwei Argumente voneinander zu trennen: a) Politik (Verfügbarkeit wird zur politischen Machtfrage instrumentalisiert) und b) Umwelt (Endlichkeit der Ressourcen).

Autofreier Sonntag

Am 16. Oktober 1973 beschränken die arabischen Staaten die Rohöllieferungen an den Westen. Der Grund: Die USA haben Israel im Jom-Kippur-Krieg gegen Ägypten und Syrien unterstützt. Was folgt, ist die erste Ölkrise mit fünf „auto-freien Sonntagen“. Ein Jahr zuvor hat der Club of Rome seinen Bericht „Grenzen des Wachstums“ verfasst. Darin warnt er unter anderem vor zu hohem Rohstoff verbrauch. Dieser Be-richt und die Ölkrise leiten einen Bewusstseinswandel ein.

Begrenzter Verbrauch

Durch das wachsende Umweltbewusstsein geraten Benzin-verbrauch und Schadstoff ausstoß der Automobile in die Dis-kussion. Bereits in den 1960er Jahren begann man, alter-native Antriebsenergien für Fahrzeuge zu entwickeln. Die Ingenieure versuchen, Benzin durch Erdgas, Strom, Alkohol oder Wasserstoff zu ersetzen. Es bedarf technischer Ent-wicklungen, um den Verbrauch zu senken und die Emissions-ausstöße zu reduzieren.

Leitfragen• Warum macht man sich Gedanken über die Begrenzung des Kraftstoff verbrauchs?• Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?• Welche Primärenergien stehen zur Verfügung?• Welche Auswirkungen hat der Ausstoß von CO2?

10 1 Lehrerinformationen

© Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS – Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010

Arbeitsauftrag: Die Merkkarten für einen Vortrag sind durcheinandergeraten. Bringe sie in eine sinnvolle Reihenfolge, indem du Ziff ern von 1 bis 9 in die Kärtchen setzt. Schreibe eine Kurzform des Vortrags unter dem Titel

„Energiefl uss und Energieumsetzung im Automobil“.

chemische Energie Wärmeenergie

Wärmeenergie Bewegungsenergie

(kinetische Energie)

Bewegungsenergie (kinetische Energie)

Wärmeenergie

Reibungskräfte zwischen Reifen und Fahrbahn

Kurbelwelle Getriebe Räder

Verluste durch Energieumwandlung

Kraftstoff und Luft werden in Zylinder gespritzt

Kolben treibt über Pleuel die Kurbelwelle an

erhitzen – zünden – verbrennen

Aufgabe „Der Verbrennungsmotor als Energiewandler“:Ergänze die Energiewandlerkette mit folgenden Begriff en: thermische Energie, Energieverlust, chemische Energie, kinetische Energie, Kolben und Pleuel, Kolben und Zylinder.

Zusätzliche Aufgaben zur Energieumsetzung – Vorschläge

CD_V_AB01_1


11

2 Mobilität früher

Mit welchen Verkehrsmitteln konnten die Menschen größere Entfernungen zurücklegen?

1. Welche Verkehrsmittel gab es im 19. Jahrhundert? Was wurde transportiert? Und wer war „unterwegs“? – Überlege, was alles zur Mobilität einer Gesellschaft gehört. Ergänze dazu die Mindmap.

Welche Bedeutung hatten die Postwege für die Menschen?

Wie funktionierte im 19. Jahrhundert der Verkehr in den Städten?

Mit welchen Fahrzeugen wurden Güter transportiert?

2. Fülle bitte die Merkkärtchen aus:

Was wurde transportiert?

Verkehrsmittel

Anlässe der Mobilität

Mobilitätim 19. Jahrhundert

CD_V_AB02_1

12 2 Mobilität früher


a) Um 1890 erscheinen auf dem Stuttgarter Marktplatz immer mehr Bürger mit einem neuartigen Gefährt:

dem . Als Nachfolger des ist es zunächst Sport- und Freizeitgerät

der Reichen, bevor es auch den einfachen Menschen den Weg zur und zum

erleichtert. So können auch weniger Begüterte ihren Lebensraum dauerhaft .

Man kann sagen: das Fahrrad trägt dazu bei, dass der zunimmt.

b) bestimmen im 19. Jahrhundert den Verkehr rund um das Schloss

Solitude. und Wagen haben einen doppelten Nutzen: Als

und helfen sie beim Warentransport und der .

Die Versorgung der Schlossbewohner mit Nahrungsmitteln und Gütern (z.B. Kohle, Holz) stellen

Pferdefuhrwerke sicher. Der Adel sitzt zu Pferde oder lässt sich in chauffi eren – den

Repräsentationsfahrzeugen vor der Erfi ndung des Automobils.

c) Schon sehr lange erfolgt der auf . Auf dem Neckar bei

Heidelberg verkehren seit 1878 ; diese ziehen sich an einer

113 km langen Kette, die auf dem Grund des Flusses verankert ist, fl ussaufwärts. Sie transportieren Kohle,

Getreide, Eisen- und Kolonialwaren nach Stuttgart. Flussabwärts, ,

sind die Schiff e mit Salz, Zement, Steinen und Häuten beladen.

d) Die erste der Welt wird 1825 in Großbritannien in Betrieb genommen. Zehn Jahre

später entsteht zwischen Nürnberg und Fürth die . Ende

des 19. Jahrhunderts gehört der , wie hier in Stuttgart, fest zum Bild aller größeren

Städte. Mit der beginnt die . Sie

ermöglicht erstmals allen gesellschaftlichen Kreisen Reisen über .

3. Ergänze den folgenden Text und setze diese Begriff e an der richtigen Stelle ein:Schiff en, Kutschen, Eisenbahn, Arbeit, Massenmobilität, Pferdewagen, Fahrrad, Individualverkehr, Pferdefuhrwerk, in Richtung Mannheim, ausweiten, Bahnhof, Personenbeförderung, Hochrades, große Distanzen, Pferde, Bahnstrecke, Gütertransport, Markt, Kettendampfschiff e, erste deutsche Zugverbindung, Postkutsche

CD_V_AB02_2


13

3 Die Pioniere

1. Gottlieb Daimler, Karl Benz und Wilhelm Maybach sind die Erfi nder des Automobils. Ordne jeder Kurzbiografi e den richtigen Namen zu.

„Ich wurde am 25. November 1844 in der Nähe von Karlsruhe geboren. In Karlsruhe besuchte ich erst das Lyzeum und danach das Polytechnikum. Ich gründete in Mannheim mehrere Firmen und hatte wegen meiner Forschungen

und Entwicklungen öfters Finanzprobleme. Mein Ziel war es, ein benzingetriebenes Automobil zu bauen! Im Januar 1886 konnte ich ein Patent für das erste Benzinautomobil anmelden: ein dreirädriges Fahrzeug mit Ver-brennungsmotor und elektrischer Zündung. Es fuhr 18 km/h! Viele haben mein Auto-mobil als „Wagen ohne Pferde“ verspottet, aber ich verbesserte meine Erfi ndung fort-laufend. Mit meinem Patent-Motorwagen Nr. 3 fuhren meine Frau Bertha und zwei unserer Söhne im Jahr 1888 von Mannheim nach Pforzheim. Im folgenden Jahr wurde unser Wagen auf der Weltausstellung in Paris gezeigt: Das war der Durchbruch.“

„Ich wurde am 9. Februar 1846 in Heilbronn geboren. Meine Familie zog einige Jahre später nach Stuttgart, wo meine Eltern beide starben, als ich noch Kind war. So musste ich ins Bruderhaus nach Reutlingen, wo Waisenkinder

auch eine Ausbildung erhielten. Ich wurde technischer Zeichner, Konstrukteur und Assistent des Leiters der Maschinenfabrik im Bruderhaus, Herrn Daimler. Danach folgte ich meinem Freund und Förderer in verschiedene andere Unternehmen, bis wir schließlich in Cannstatt die Daimler-Motoren-Gesellschaft gründeten. Als deren Direktor hatte ich maßgeblichen Anteil an der Ent-wicklung des modernen Automobils.“

„Ich wurde am 17. März 1834 in Schorn-dorf als Sohn eines Bäckermeisters geboren. Nach einer Lehre als Büchsen-macher konnte ich 1857 ein Maschinenbau-studium an der Polytechnischen Schule in Stuttgart beginnen. Danach arbeitete ich als Konstrukteur und Manager in verschiedenen Firmen. Zusammen mit Wilhelm Maybach habe ich in der Gasmotorenfabrik Deutz, die Nikolaus Otto gehörte, den Ottomotor zur

Serienreife entwickelt. Aber ich habe mich mit Otto gestritten und darauf-hin in Cannstatt eine eigene Versuchswerkstatt mit Wilhelm Maybach aufgebaut. Ich hatte eine Vision: Ich wollte einen kleinen, mobilen, leichten

– also überall einsetzbaren – und schnell laufenden Verbrennungsmotor bauen. Im Jahr 1885 erhielt ich endlich ein Patent auf einen revolutionär verbesserten Einzylinder-Viertaktmotor, der durch Verbrennung von Benzin funktionierte. Dieser Motor ist als „Standuhr“ in die Technikgeschichte ein-gegangen.“

CD_V_AB03_1

14 3 Die Pioniere


2. Gottlieb Daimler und Karl Benz haben unabhängig voneinander einen Wagen entwickelt, der sich „von selbst fortbewegt“: das „Automobil“. Aber beide hatten einen unterschiedlichen Ansatz. Schau dir die beiden folgenden Bilder an:

a) Woran erinnert das vierräderige Gefährt?

b) Welche Gründe könnten Karl Benz bewogen haben, ein dreiräderiges Automobil zu bauen?

4. Stell dir Bertha Benz’ Fahrt von Mannheim nach Pforzheim vor. Mit welchen Widrigkeiten hatte sie wohl zu kämpfen?

5. Karl Benz arbeitete fortwährend an seiner Idee der Motorisierung des Straßenverkehrs. Bereits 1895 gab es den ersten Omnibus. Was bedeutet dies im Vergleich zur Eisenbahn?

3. Daimler ging es in erster Linie um die „Motorisierung zu Lande, zu Wasser und in der Luft.“ Deswegen tüftelte er so lange an seinem ersten Motor, der sogenannten Standuhr (Bild rechts oben). Welche Voraussetzungen sollte Daimlers Motor erfüllen?

CD_V_AB03_2


15

4 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (1)

1. Kolbenversuch zum Verdeutlichen der Wärmeausdehnung von Gasen im Zylinder:Beobachte den Ablauf des Versuches und beantworte dann die Fragen a) bis g).

Info: Der Versuch muss vom Lehrer aufgebaut werden. Vorsicht: der Kolbenprober ist zerbrechlich! Das heiße Wasser kann zu Verbrühungen führen!

Materialliste:1 Glasbehälter1 Schlauchverbindung1 Kolbenprober

a) Wie und warum bewegt sich der Kolben, wenn man den Glasbehälter in heißes Wasser taucht?

b) Wie verhält sich der Kolben, wenn man den Glasbehälter abwechselnd in heißes und kaltes Wasser taucht?

c) Warum hebt sich der Kolben nach einem Durchgang nicht mehr bis zum Anfangspunkt? Was muss man deshalb beim Motorbau beachten?

d) Wie könnte man die Kolbenbewegung beschleunigen?

e) Wie könnte man den Kolben höher heben?

f) Wie könnte man das Erhitzen des Gases im Kolbenprober verbessern?

g) Wie könnte man die „Verbrennungsrückstände“ abkühlen und austauschen?

Stativständer zum Befestigen2 Schalen mit heißem und kaltem Wasser

CD_V_AB04_1

16 4 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (1)


2. Popperversuch zum Zünden eines Gasgemisches:Führe die Versuchsreihe nach Anleitung durch (a) und beantworte dann die Fragen b) bis d).

Materialliste:1 Piezozünder (entweder aus einem Feuerzeug oder von http:// pollin.de)Reinigungsbenzin1 Filmdose je Versuch

Anleitung: Schneide, bohre oder brenne mit einem Lötkolben ein Loch in den Boden oder in den Deckel der Filmdose. Klebe dann den Piezozünder mit umgebogenem Zünddraht (siehe Abbildung; der Zünddraht muss nahe am Metallzylinder des Piezozünders liegen) in die Filmdose.

a) Tropfe erst einen einzelnen Tropfen Reinigungsbenzin in die Filmdose, schließe den Deckel, schüttele die Dose und be-tätige den Zünder.Passiert etwas? Füge solange jeweils einen Tropfen hinzu, bis etwas passiert.

b) Was muss man beachten, um eine Zündung zu erreichen?

c) Welche Energieumwandlung wird hier durchgeführt?

d) Auf einen Verbrennungsmotor angewendet: Wie verhindert man Benzinreste im Motor, die beim nächsten Verbrennungs-vorgang stören könnten?

Info: Der resultierende Knall ist sehr laut und der Deckel fl iegt sehr weit! Ziele nie mit der Filmdose auf andere Menschen, wenn du den Versuch durchführst!Wenn du ungefähr 10 m Bindfaden nimmst und die beiden Enden an der Dose bzw. am Deckel anklebst, fi ndest du den Deckel leichter wieder. Der Knall wird gemindert, wenn der Deckel z.B. durch eine passende Styroporkugel ersetzt wird.

CD_V_AB04_2


17

5 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (2)

1. Pleuelversuch: Umwandeln einer geradlinigen Bewegung in eine Dreh-bewegung.Bastele das Pleuel nach Anleitung und beantworte dann die Fragen a) bis d).

Materialliste je Schülerin/Schüler:1 Schere, LocherVorlage (siehe Rückseite) auf 120-g-Papier kopiert oder auf Karton aufgeklebt3 MusterbeutelklammernTesafilm oder Klebstoff (um die gefaltete Pleuelstange zusammenzukleben, damit sie beim Drehen des Schwungrades nicht in dessen Klammer hängen bleibt)

Anleitung: Schneide die Teile aus, falte sie an den gestrichelten Linien und loche sie an den markierten Stellen. Füge die Teile nun mit den Musterbeutelklammern beweglich zusammen (evtl. musst du die gefaltete „Pleuelstange“ zusammen-kleben).

a) Bewege den Kolben des Pleuelmodells rauf und runter und beschreibe, wie sich Pleuel und Schwungrad verhalten.

b) Wo liegen die sogenannten Totpunkte und warum heißen sie so?

c) Wie verhindert man in der Praxis, dass der Motor in einem Totpunkt „hängenbleibt“?

d) Beschreibe anhand der drei durchgeführten Versuche (siehe auch Arbeitsblatt 4), wie ein Motor chemische Energie in eine Drehung der Kurbelwelle umsetzt.

CD_V_AB05_1

18 5 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (2)


Schw

ungr

adKo

lben

Pleu

el

CD_V_AB05_2


19

6 Vier Takte für ein Arbeitsspiel

1. Ein moderner Verbrennungsmotor arbeitet in vier Takten: ansaugen (der Verbrennungsgase) – verdichten (der Gase) – arbeiten (zünden der Gase und bewegen des Kolbens = Kraftübertragung) – ausstoßen (der verbrannten Gase).

a) Schreibe den jeweiligen Arbeitstakt unter die vier Zeichnungen.

b) Kennzeichne die Bewegungen des Kolbens durch Pfeile (auf- bzw. abwärts).

c) Markiere die geöff neten Ventile rot (EV = Einlassventile; AV = Auslassventile).

e) In diese Richtung (OT bzw. UT) bewegt sich der Kolben:

Takt ansaugen verdichten arbeiten ausstoßen

Kolben-bewegung

f) Wie oft dreht sich die Kurbelwelle während eines Arbeitsspieles?

g) Wie viele Winkelgrade an der Kurbelwelle (Grad KW) umfasst also ein komplettes Arbeitsspiel?

d) Wie oft steht der Kolben während eines kompletten Arbeitsspieles ganz oben (oberer Totpunkt OT) bzw. ganz unten (unter Totpunkt UT)?

AV EV AV EV AV EV AVEV

OT

UT

OT OT OT OT

CD_V_AB06_1

20 6 Vier Takte für ein Arbeitsspiel


3. Quiz: Druck-Volumen-Diagramme (Arbeitsdiagramme) zuordnen. Ordne jedem Bild eines Ottomotors das zutref-fende Druck-Volumen-Diagramm zu und schreibe die jeweilige Bildnummer unter die Diagramme.

Tipp: Vergleiche, welche Volumenangaben zu welchem Diagramm passen könnten, achte auf die Ventile (Einlassventil links, Aus-lassventil rechts) und darauf, ob die Zündung schon stattgefunden hat. Die Kurbelwelle dreht sich im Uhrzeigersinn.

1 2 3 4

5 6 7 8

p

V

p

V

p

V

p

V

p

V

p

V

p

V

p

V

4. Überlege, warum Automobilmotoren mehr als einen Zylinder haben.

2. Das Verhalten eines Verbrennungsmotors wird in einem Druck-Volumen-Diagramm (Arbeitsdiagramm) dargestellt. Das Volumen V wird nach rechts aufgetra-gen und der Druck p nach oben.

a) Zeichne anhand des Verhaltens von Druck und Volumen im Diagramm ein, von wo bis wo jeweils die vier Arbeitstakte verlaufen (nimm für jeden Takt eine andere Farbe).

b) Kennzeichne den Zündzeitpunkt.

p

VOT UT

CD_V_AB06_2


21

7 Aufbau eines Verbrennungsmotors

1. Die wichtigsten Teile eines Verbrennungsmotors stehen in den kleinen Kästchen, deren Funktionen in den grö-ßeren Rahmen. Ordne die jeweilige Funktion den einzelnen Teilen zu, indem du beide Kästchen jeweils mit der gleichen Farbe markierst.

wandelt die lineare Kolbenbewegung in eine Drehbewegung um; überträgt die Kolben-kraft auf die Kurbelwelle

Zylinder Kolben Ventilsteuerung

Kurbelgehäuse Ventile Zylinderkopf

Zündung

Kurbelwelle

Pleuelstange

dichtet den Verbrennungsraum nach oben ab und besitzt Öff nungen für die Ventile

bilden den Raum, in dem die Ver-brennungsvorgänge ablaufen

dienen dem Öff nen bzw. Abdichten der Einlass- und Auslassöff nungen im Zylinderkopf

wandelt die Kolbenkraft über das Pleuel in eine Dreh-bewegung um und überträgt diese auf den Antriebsstrang

nimmt die Kurbelwelle auf und dient der Schmierung

wird hin und her bewegt und verändert so die Größe des Verbrennungsraumes

beim Benzinmotor wird die Verbrennung durch einen Funken eingeleitet

steuert das Öff nen und Schließen der Ein-lass- und Auslassventile

a) Ergänze den obigen Text, indem du diese Begriff e ein-fügst: Zylinder, wieder geschlossen, Nocken, Verbrennungs-gasen, geöff net, Steuerung, Welle, Ventile

b) Was ist das Typische eines Nockens? Zeichne in das freie Feld den Querschnitt (Vorderansicht) des rechts abgebildeten Nocken (muss nicht maßstabsgerecht sein).

c) Wie kann ein Nocken ein Ventil öff nen und schließen?

2. Um die Motoren mit zu versorgen und die verbrannten Gase aus dem

befördern, müssen die Verbrennungsräume (Zylinder) über zum richtigen

Zeitpunkt und werden. Die der

Ventile erfolgt üblicherweise über eine , auf der für jedes Ventil ein

angebracht ist.

CD_V_AB07_1

22 7 Aufbau eines Verbrennungsmotors


3. Die Zeichnung zeigt einen typischen Verbrennungsmotor in einem Auto.

Info: Im Gegensatz zu Ottomotoren benötigen Dieselmotoren keine Zündung. In den Zylinder wird nur Luft (statt eines Kraftstoff -Luft-Gemischs) eingesaugt und sehr hoch ver-

dichtet, wodurch sie sich stark erhitzt. In diese heiße Luft wird der Dieselkraftstoff eingespritzt und ent-zündet sich (Selbstzündung).

a) Bezeichne die Hinweislinien mit den Begriff en aus Aufgabe 1. Du kannst sie auch mit den Farben aus Aufgabe 1 markieren.

b) Erkläre deinem Banknachbarn/deiner Banknachbarin die Funktion der einzelnen Teile. Wechselt euch ab.

c) Verfolge den Weg der Energieumwandlung im Motor.

d) Notiere, ob dir Informationen fehlen zum kompletten Verständnis eines Verbrennungsmotors.

CD_V_AB07_2


23

8 Kraftstoff e

Info: Kraftstoff e für Verbrennungsmotoren sind ein Gemisch aus Kohlenwasserstoff verbindungen, die überwiegend aus Erdöl gewonnen werden (Benzin, Diesel). Sie unterscheiden sich durch den Aufbau (kettenförmig oder ringförmig) und die Größe ihrer Moleküle. Daraus resultieren die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Kraftstoff e.Während der Umwandlung von chemischer Energie (Erdöl) in Bewegungsenergie entstehen Verluste. Allerdings: Energie geht bei der Umformung nie „verloren“, sondern wird in eine andere, teils nicht nutzbare, Form überführt.

1. Das Energiefl ussdiagramm zeigt die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie. Rechne aus, wie groß der Anteil an Bewegungsenergie für ein Automobil ist (in Prozent) und trage die Zahl ein.

ErdölförderungRohöl 100%

RaffinerieKraftstoffe

Verbrennungsmotor(Kraftstoff 100%)

Eigenbedarf

Abgas

Kühlwasser

Bewegungsenergieeines Autos

Herstellungs- und Transportverluste 10%zusammen 82%

2. Der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingesetzter Energie (oder: abgegebene Leistung zu zugeführter Leistung). Die Diff erenzen werden als Verluste bezeichnet (korrekter: Verlustleistung). Der Wirkungsgrad verdeutlicht die Wirksamkeit von Energieumwandlungen. Ergänze die Rechnung, die sich auf das Diagramm in Aufgabe 1 bezieht.

3. a) Was versteht man unter Primärenergie? Welche Primärenergien kennst du? Nenne jeweils ein Beispiel.

b) Was versteht man unter Nutzenergie?

Der Wirkungsgrad � (griechisch eta) wird mit folgender Formel berechnet:

Der Gesamtwirkungsgrad wird in zwei Schritten berechnet:

Der Gesamtwirkungsgrad beträgt somit

� = · 100 (in %)genutzte Energie

eingesetzte Energie

�1 =

�ges = �1 · �2 =

�2 =% =90 · 100

100

CD_V_AB08_1

24 8 Kraftstoff e


4. Kohlenstoff dioxid (CO2) taucht regelmäßig in den Nachrichten und Diskussionen auf. Warum? – Notiere rund um das Feld alles, was dir zu CO2 einfällt.

6. Ergänze die Übersicht und schreibe rund um die Wolken alles auf, was dir zu den jeweiligen Punkten einfällt.

5. Sieh dir die Aufgaben 1 bis 4 an und überlege, warum nach Alternativen für Kraftstoff e aus Erdöl gesucht wird.

Kohlenstoff dioxid – CO2

Notwendigkeit von • sauberer Energie

• Energieeinsparung

alternativeMotorenkonzepte

alternativeKraftstoff e

moderne Technologien bei

Verbrennungsmotoren

CD_V_AB08_2


25

9 Zum Trainieren und Merken:Mobilität und Verbrennungsmotor

waagerecht 1 Transportmittel auf Wasserstraßen 2 Kraftstoff für selbstzündende Motoren 6 so oft dreht sich die Kurbelwelle während eines Arbeitsspieles (Zahl ausschreiben) 7 Name des ersten gasbetriebenen Motors (wurde von Gottlieb Daimler für einen Fabrikbesitzer in Deutz entwickelt) 8 der erste Takt im 4-Takt-Motor10 der Raum, in dem die Verbrennung abläuft11 Wo hat Bertha Benz auf ihrer ersten Fahrt mit einem Automobil den Kraftstoff gekauft?12 Endpunkte bei der Kolbenbewegung15 übliches Transportmittel vor der Erfi ndung des Automobils18 eine der nutzbaren Energieformen21 dadurch gelangen die Gase in und aus dem Zylinder23 Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingesetzter Energie24 „Vorbild“ für das erste Automobil25 der letzte Takt im 4-Takt-Motor27 Name für die chemische Energie zum Betrieb eines Verbrennungsmotors

1. Kreuzworträtsel: Wichtige Begriff e aus dem Bereich Verbrennungsmotor sind hier einzutragen. Viel Vergnügen.

28 bewegt sich im Zylinder hin und her29 gibt es seit 1895 als Nahverkehrsmittel

senkrecht 1 Name des ersten kompakten Benzinmotors 2 einer der Erfi nder des Automobils (Nachname) 3 die Informationen wurden früher überwiegend damit transportiert 4 ein muskelkraftbetriebenes Transportmittel 5 Kraftstoff für Ottomotoren 9 alternativer Kraftstoff 13 überträgt die Kraft auf den Antriebsstrang14 anderer Name für p-V-Diagramm16 der Takt mit dem größten Druck im Zylinder17 wandelt lineare Bewegung in kreisförmige19 in diesem Takt steigt der Druck im Zylinder20 damit beginnt die Massenmobilität22 hat eine exzentrische Form für die Ventilsteuerung26 Name für Teil eines Arbeitsspieles im Motor

1 2

3

7654

8

11

12

14

15

13

19

17 18

16

21 22

24

25

20

26

28

27

29

23

9

10

CD_V_AB09_1


26

9 Zum Trainieren und Merken:Energieübertragung2. Energieumwandlungsdiagramm „Von der Primärenergie über den Motor auf die Straße“.

a) Entwirf ein komplettes Energieumwandlungsdiagramm, das den Energiefl uss von der Primärenergie über einen Ver-brennungsmotor bis zur Vorwärtsbewegung eines Automobils zeigt.

Folgende Gesichtspunkte berücksichtige bitte (teilweise werden die Begriff e mehrmals eingesetzt!):

b) Gestalte dieses Energieumwandlungsdiagramm als „Wandzeitung“. Nimm dazu sogenannte Moderatorenkarten in ver-schiedenen Farben (oder schneide DIN-A4-Blätter zweimal durch, sodass du drei gleichgroße Papierstücke erhältst). Auf diese rechteckigen Karten kannst du alle Energieumwandler schreiben. Für verschiedene Energieformen nimmt man normaler-weise Pfeile; wenn du zwei Ecken der Moderatorenkarten an der Schmalseite abschneidest, erhältst du einen „Pfeil“:

• Energiearten (Primärenergie, Nutz-energie; chemische, kinetische, thermische Energie)

• Bewegungsarten (geradlinige Be-wegungen und Drehbewegungen)

kannst du als Bemerkung unter

die Energieumwandlerkästchen schreiben

• Energieumwandler (Pleuel und Kurbelwelle, Raffi nerie, Zylinder und Kolben, Räder und Reifen, Kraftüber-tragung auf die Fahrbahn, Getriebe)

• Wo entstehen besonders große Ver-luste (z.B. durch Reibungskraft) als Bemerkung unter die Energie-umwandlerkästchen schreiben

CD_V_AB09_2

1. Auflage 2010

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwillung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für In-tranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

Eine Zusammenarbeit des Genius Projektteams der Daimler AG und der Klett MINT GmbH© Daimler AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart

Autorin und Autoren: Hanne Lier, Stuttgart; Dr. Tilmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wörth; Josef Maier, Stutt-gart; Markus Röscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Schaich, Kirchheim unter Teck

Autoren der Elektromotor-Simulation auf CD-ROM: Leonard Doyle, Karlsruhe; Joscha Krug, Karlsruhe

Redaktion: Hanne Lier, StuttgartProjektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner

Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, StuttgartGestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, LimburgIllustrationen: Arno Pfeuffer, apmedia-design, KürnachBildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, LeonbergHTML-Rahmen der Motor-Simulation: cobra youth communications GmbH, Berlin

Bildquellennachweis

Umschlag: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart15, 16, 17 Dr. Tilmann Berger, Josef Maier 12, 13, 14, 32, 33, 44, 45, 48, 57, 58, 60, 65, 66, 68, 69, 71 Daimler AG, Stuttgart 19, 20, 21, 22, 23, 28, 30, 40, 41, 46, 52, 54, 55, 61, 62, 63, 72 Arno Pfeuffer, Kürnach 74 Grin 31 Picture-Alliance 56, 62 Volker Rust, Helmut Graf 35, 35, 36, 38 Dieter Schaich, Markus Röscheisen 59 Wikipedia

Date post:	06-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	nguyendien
View:	233 times
Download:	5 times

ANTRIEBSTECHNIK - genius- · PDF file7 Verkehr vor der Erﬁ ndung des Automobils Schiﬀ ,...

Documents