1. Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren funktionieren nach dem Prinzip, dass sich Gase bei Erwärmung ausdehnen und durch die dabei verrichtete Arbeit z. B. einen Kolben antreiben.

Wie dieses Prinzip funktioniert, findest du mithilfe der nachfolgenden Versuche und Videos heraus.

Die Experimente haben dir gezeigt, was grundlegend auch in Wärmekraftmaschinen geschieht. Diese schauen wir uns nun genauer an.

In einer Wärmekraftmaschine wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Im Verbrennungsmotor wird dazu die chemische Energie des Treibstoffs genutzt, um Verbrennungswärme zu erzeugen, die dann über die Wärmeausdehnung des entstehenden Gases einen Kolben antreibt.

Die Hub- und Senkbewegungen des Kolbens werden als Takte bezeichnet. Im Viertakt-Ottomotor wiederholen sich vier Takte in einem Kreislaufprozess:

1. Ansaugtakt
   Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser durch das Einlassventil in den Zylinder. Das Auslassventil ist geschlossen.
   
2. Verdichtungstakt
   Der Kolben bewegt sich nach oben und presst das Gas­gemisch zusammen. Dieses erwärmt sich dabei.
   
3. Arbeitstakt
   Im Moment der größten Verdichtung entzündet der Funke einer Zündkerze das Gasgemisch. Es verbrennt explosionsartig. Der Kolben wird nach unten gedrückt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.
   
4. Ausstoßtakt
   Der Kolben bewegt sich nach oben. Das Auslassventil wird geöffnet. Die Verbrennungsgase werden aus dem Zylinder gedrückt.

In einem Ottomotor wird die chemische Energie des Benzins zunächst in Bewegungsenergie des Kolbens und dann in die Bewegungsenergie der Räder umgewandelt. Der Ottomotor ist somit ein Energiewandler, der die zugeführte Energie in eine andere, gewünschte Form umwandelt.

Solch ein Energiewandler soll natürlich effizient sein. Möglichst viel der zugeführten Energie E_zu soll in die gewünschte Energieform E_nutz umgewandelt werden. Die Effizienz wird mit dem Wirkungsgrad η (griech.: eta) beschrieben:

Der maximale Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt bei etwas unter 40 %. D. h., 60 % der Energie im Benzin wird über die Reibung im Motor und der Räder sowie die Wärme des Motors und der Abgase entwertet und steht nicht für die Fortbewegung zur Verfügung. Im Stadtverkehr kann der Wirkungsgrad sogar unter 10 % sinken.

Was ist der Unterschied zwischen Diesel und Benzin?

Höre dir dazu den Beitrag von Gábor Paál an, der im Südwestrundfunk gesendet worden ist.

Wie du gerade gehört hast, hat Diesel-Kraftstoff eine höhere Dichte als Benzin. Bei seiner Verbrennung wird im Vergleich mehr Energie frei, die für den Betrieb des Motors genutzt werden kann.

Ein wesentlicher Unterschied zum Ottomotor ist, dass der Dieselmotor ein sogenannter Selbstzünder ist. Es wird keine Zündkerze benötigt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Kolben zu zünden.

Rudolf Diesel gibt in seinem 1893 erschienenen Werk „Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren“ an, dass der thermische Wirkungsgrad eines idealen Dieselmotors 73 % betrage, in Wirklichkeit aber dieser Wert nicht erreicht werde.

Heutige Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung erreichen einen idealen Wirkungsgrad η von etwa 43 %. Er liegt damit leicht über dem Wirkungsgrad eines Ottomotors. Bei beiden Modellen sinkt allerdings der effektive Wirkungsgrad z. B. im Stadtverkehr auf unter 10 %. Über 90 % der eingesetzten Energie werden also nicht für die Fortbewegung genutzt. Bei üblicher Fahrweise kann man von einem Wirkungsgrad von etwa 20 % ausgehen.

Du hast zu den Verbrennungsmotoren viel Neues gelernt. Prüfe nun dein Wissen und schätze deine Leistung selbst ein!

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Es gibt viele verschiedene Arten und Bauformen. Allerdings basieren Elektromotoren grundlegend alle auf einem ähnlichen Prinzip.

Mit der nachfolgenden Anleitung kannst du einen einfachen Elektromotor selber bauen:

Der Wirkungsgrad eines Otto- oder Dieselmotors liegt bei üblicher Fahrweise bei etwa 20 Prozent. Berücksichtigt man auch die Schritte vom Bohrloch bis zum Fahrzeugtank, so werden rund vier Fünftel der im Kraftstoff enthaltenen Energie nicht für das Fahren verwendet.

Anders beim Elektromotor: Er setzt rund 80 Prozent der zugeführten Energie in Bewegung um. Wenn man die Energieentwertung einbezieht, die bei der Produktion des elektrischen Stroms und dem Laden der Batterie anfällt, erhält man einen Wirkungsgrad von 64 Prozent. Das Elektroauto ist damit etwa dreimal so effizient wie ein Fahrzeug mit einem konventionellen Verbrennungsmotor.

Derzeit nur wenig verbreitet sind Brennstoffzellenantriebe. Hier wandelt eine Brennstoffzelle (grünen) Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft im Fahrzeug in elektrischen Strom um und treibt damit Elektromotoren an. Diese erzielen nur einen Wirkungsgrad von etwa 27 Prozent, wenn man die heute noch relativ aufwendige Herstellung und den Transport des Wasserstoffs einbezieht. Sie sind vor allem eine Alternative für Lastkraftwagen oder Flugzeuge, bei denen Batterien zu groß und schwer wären.