antriebstechnik

Hanne Lier
Tilmann Berger
Josef Maier
ANTRIEBSTECHNIK
Verbrennungsmotor
Lehrermaterial und Kopiervorlagen
Klassen 8 bis 10
Daimler AG | Klett MINT GmbH
Stuttgart
Inhaltsverzeichnis
Verbrennungsmotor
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Lehrerinformationen
7 – 10
Mobilität früher
11 – 12
Die Pioniere
13 – 14
Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (1) – Kolbenversuch, Popperversuch
15 – 16
Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (2) – Pleuelversuch
17 – 18
Vier Takte für ein Arbeitsspiel
19 – 20
Aufbau eines Verbrennungsmotors
21 – 22
Kraftstoffe
23 – 24
Zum Trainieren und Merken: Verbrennungsmotor
25 – 26
7
1 Lehrerinformationen
Texte zu Arbeitsblatt (AB) 2 „Mobilität früher“
und AB 3 „Die Pioniere“
Verkehr vor der Erﬁndung
des Automobils
Schiﬀ, Eisenbahn, Fahrrad, Pferdefuhrwerk und Kutsche
sind die Fahrzeuge in der Zeit vor dem Automobil. Das Automobil 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 ermöglicht die Eisenbahn erstmals für alle Klassen der Bevölkerung Reisen über große Distanzen. Sie verbindet Dörfer
mit Metropolen und Regionen untereinander. Das Fahrrad
trägt dazu bei, dass in den 1870er Jahren der Individualverkehr zunimmt. Mit dem Fahrrad kann auch der einfache
Mann seinen Lebensraum dauerhaft ausweiten. Pferd und
Wagen schließlich haben einen doppelten Nutzen: Als Pferdefuhrwerk und Postkutsche helfen sie beim Warentransport
und der Personenbeförderung. Als prunkvolle Kutsche und
repräsentatives Reittier sind sie Statussymbole der Oberschicht, bevor das Automobil sie ablöst.
Die Erﬁndung des Automobils
Im Industriezeitalter, das um 1830 beginnt, werden Maschinen
erfunden, die mühelos weite Strecken überwinden: Eisenbahnen durchqueren Berge und Täler, Dampfschiﬀe fahren
ﬂussaufwärts. Aber noch fehlt das entscheidende Glied in
der Kette der Mobilität.
Karl Benz und Gottlieb Daimler forschen unabhängig voneinander an einem kleinen, schnelllaufenden Explosionsmotor, 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 Cannstatt, 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 Forschungsarbeit 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 Versuchsfahrten 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 schaﬀen, was sich die Menschheit seit
Erﬁndung 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 erhält der Motor, weil er einer Standuhr ähnelt. 1885 wurde er
zum Patent angemeldet.
Der Benz Patent-Motorwagen ist das erste Benzin-Automobil 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 vierrädrige 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 sogenannte „Standuhr“, eingebaut haben.
Die Bedeutung der Erﬁndung
des Automobils für die Entwicklung
des Verkehrs
Die Erﬁndung des Automobils ist für Gottlieb Daimler und Karl
Benz nur der Anfang. Während Karl Benz unablässig die Entwicklung 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 erschaﬀen
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 öﬀentliche Personenverkehr. Sie verkehren auf der Strecke Siegen–Netphen–Deuz.
Weil anhaltender Regen die Straßen aufweicht, sind die
Busse nur wenige Wochen im Einsatz.
8
1 Lehrerinformationen
Weiterführende Texte zu AB 2 „Mobilität früher“
und AB 3 „Die Pioniere“
Der Kotﬂügel
Als die Straßen noch keine Asphaltdecke hatten, war Autofahren 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: „Kotﬂügel“.
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 vermochten. Anders als bei der Eisenbahn bestimmte der Autoreisende seine Route selbst. Er musste seinen Orientierungssinn 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 gehörten 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 Postomnibussen 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 Erﬁndung
des Automobils?
• Wie und warum waren die Menschen im
19. Jahrhundert unterwegs?
• Was war das Besondere der Erﬁndungen von
Daimler und Benz?
• Wie entwickelte sich der Verkehr nach der Erﬁndung
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“ (Kolbenversuch), „Temperaturerhöhung durch Verbrennung eines Gasgemisches“ (Popperversuch) und Umsetzung einer durch Erhitzen 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 Versuchen) erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler ein Gefühl für Sinn und Zweck der verschiedenen Takte des Arbeitsspiels.
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 gelegt werden, damit sich die Schüler und Schülerinnen im Anschluss bei den komplizierteren Motoraufbauten an diesen
grundlegenden Punkten orientieren können.
1 Lehrerinformationen
Internetadressen
Leitfragen
• Funktionsweise eines Otto-Viertaktmotors:
Datei:4-Stroke-Engine.gif
http:// de.wikipedia.org/wiki/Verbrennungsmotor
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:4 Stroke-Engine.gif&ﬁletimestamp=20080815230451
http:// library.thinkquest.org/C006011/german/sites/
ottomotor.php3?v=2
• Wie funktioniert ein Vier-Takt-Verbrennungsmotor?
• Welche Funktionen haben die hauptsächlichen Teile
eines Motors?
• Arbeitstakte und Arbeitsdiagramm (animierter
Ablauf):
http:// library.thinkquest.org/C006011/german/sites/
link.php3?link=http%3A%2F%2Ftechni.tachemie.unileipzig.de%2Fotto%2F
• Funktionsweise einer Nockenwelle:
Datei:Nockenwelle ani.gif
http:// de.wikipedia.org/w/index.
php?title=Datei:Nockenwelle_ani.gif&ﬁletimestamp=
20060720204314
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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 geöﬀnet
und wieder geschlossen werden können. Bereits seit 1895
(Daimler Phoenix-Motor) erfolgt die Steuerung der Auslassventile über eine Nockenwelle, das Einlassventil arbeitet als
sogenanntes „Schnüﬀelventil“ – es wird beim Ansaugtakt des
Motors durch den im Brennraum entstehenden Unterdruck
geöﬀnet und durch die Federkraft der Ventilfeder wieder geschlossen. Seit 1900 werden sowohl Einlass- als auch Auslassventile über Nockenwellen gesteuert (Mercedes-Vierzylinder 35-PS-Modell).
Die Nockenwelle bewirkt, dass die Ventile zum richtigen
Zeitpunkt für die richtige Zeitdauer mit dem richtigen Hub
geöﬀnet 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 Grundlage für hohe Leistungsentfaltung.
9
Texte zu AB 8 „Kraftstoﬀe“
In der Diskussion um den begrenzten Verbrauch und die Verfügbarkeit von Rohstoﬀen 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 „autofreien Sonntagen“. Ein Jahr zuvor hat der Club of Rome seinen
Bericht „Grenzen des Wachstums“ verfasst. Darin warnt er
unter anderem vor zu hohem Rohstoﬀverbrauch. Dieser Bericht und die Ölkrise leiten einen Bewusstseinswandel ein.
Begrenzter Verbrauch
Durch das wachsende Umweltbewusstsein geraten Benzinverbrauch und Schadstoﬀausstoß der Automobile in die Diskussion. Bereits in den 1960er Jahren begann man, alternative Antriebsenergien für Fahrzeuge zu entwickeln. Die
Ingenieure versuchen, Benzin durch Erdgas, Strom, Alkohol
oder Wasserstoﬀ zu ersetzen. Es bedarf technischer Entwicklungen, um den Verbrauch zu senken und die Emissionsausstöße zu reduzieren.
Leitfragen
• Warum macht man sich Gedanken über die
Begrenzung des Kraftstoﬀverbrauchs?
• Wie wird der Wirkungsgrad berechnet?
• Welche Primärenergien stehen zur Verfügung?
• Welche Auswirkungen hat der Ausstoß von CO2?
10
1 Lehrerinformationen
Zusätzliche Aufgaben zur Energieumsetzung – Vorschläge
Arbeitsauftrag: Die Merkkarten für einen Vortrag sind durcheinandergeraten. Bringe sie in eine sinnvolle Reihenfolge, indem
du Ziﬀern von 1 bis 9 in die Kärtchen setzt. Schreibe eine Kurzform des Vortrags unter dem Titel
„Energieﬂuss und Energieumsetzung im Automobil“.
chemische Energie
Wärmeenergie
Wärmeenergie
Bewegungsenergie
(kinetische Energie)
Bewegungsenergie
(kinetische Energie)
Wärmeenergie
Kraftstoﬀ und Luft werden in
Zylinder gespritzt
Kurbelwelle
Getriebe
Räder
Reibungskräfte zwischen
Reifen und Fahrbahn
erhitzen – zünden –
verbrennen
Kolben treibt über Pleuel
die Kurbelwelle an
Verluste durch
Energieumwandlung
Aufgabe „Der Verbrennungsmotor als Energiewandler“:
Ergänze die Energiewandlerkette mit folgenden Begriﬀen: thermische Energie, Energieverlust, chemische Energie, kinetische
Energie, Kolben und Pleuel, Kolben und Zylinder.
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11
2 Mobilität früher
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.
Was wurde
transportiert?
Verkehrsmittel
Mobilität
im 19. Jahrhundert
Anlässe der Mobilität
2. Fülle bitte die Merkkärtchen aus:
Mit welchen Verkehrsmitteln konnten die
Menschen größere Entfernungen zurücklegen?
Welche Bedeutung hatten
die Postwege für die Menschen?
Mit welchen Fahrzeugen wurden
Güter transportiert?
Wie funktionierte im 19. Jahrhundert
der Verkehr in den Städten?
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CD_V_AB02_1
12
2 Mobilität früher
3. Ergänze den folgenden Text und setze diese Begriﬀe an der richtigen Stelle ein:
Schiﬀen, Kutschen, Eisenbahn, Arbeit, Massenmobilität, Pferdewagen, Fahrrad, Individualverkehr,
Pferdefuhrwerk, in Richtung Mannheim, ausweiten, Bahnhof, Personenbeförderung, Hochrades, große Distanzen, Pferde,
Bahnstrecke, Gütertransport, Markt, Kettendampfschiﬀe, erste deutsche Zugverbindung, Postkutsche
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
und zum
der Reichen, bevor es auch den einfachen Menschen den Weg zur
.
erleichtert. So können auch weniger Begüterte ihren Lebensraum dauerhaft
zunimmt.
Man kann sagen: das Fahrrad trägt dazu bei, dass der
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
chauﬃeren – den
Repräsentationsfahrzeugen vor der Erﬁndung des Automobils.
c) Schon sehr lange erfolgt der
auf
. Auf dem Neckar bei
; diese ziehen sich an einer
Heidelberg verkehren seit 1878
113 km langen Kette, die auf dem Grund des Flusses verankert ist, ﬂussaufwärts. Sie transportieren Kohle,
,
Getreide, Eisen- und Kolonialwaren nach Stuttgart. Flussabwärts,
sind die Schiﬀe mit Salz, Zement, Steinen und Häuten beladen.
d) Die erste
der Welt wird 1825 in Großbritannien in Betrieb genommen. Zehn Jahre
. Ende
später entsteht zwischen Nürnberg und Fürth die
, wie hier in Stuttgart, fest zum Bild aller größeren
des 19. Jahrhunderts gehört der
Städte. Mit der
beginnt die
ermöglicht erstmals allen gesellschaftlichen Kreisen Reisen über
© Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS – Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010
. Sie
.
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13
3 Die Pioniere
1. Gottlieb Daimler, Karl Benz und Wilhelm Maybach sind die Erﬁnder des Automobils. Ordne jeder Kurzbiograﬁe
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 Verbrennungsmotor und elektrischer Zündung.
Es fuhr 18 km/h! Viele haben mein Automobil als „Wagen ohne Pferde“ verspottet,
aber ich verbesserte meine Erﬁndung fortlaufend. 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-MotorenGesellschaft gründeten. Als deren Direktor
hatte ich maßgeblichen Anteil an der Entwicklung des modernen Automobils.“
„Ich wurde am 17. März 1834 in Schorndorf als Sohn eines Bäckermeisters
geboren. Nach einer Lehre als Büchsenmacher konnte ich 1857 ein Maschinenbaustudium 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 daraufhin 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 EinzylinderViertaktmotor, der durch Verbrennung von
Benzin funktionierte. Dieser Motor ist als
„Standuhr“ in die Technikgeschichte eingegangen.“
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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?
4. Stell dir Bertha Benz’ Fahrt von Mannheim nach
Pforzheim vor. Mit welchen Widrigkeiten hatte sie wohl
zu kämpfen?
b) Welche Gründe könnten Karl Benz bewogen haben, ein 5. Karl Benz arbeitete fortwährend an seiner Idee der
dreiräderiges Automobil zu bauen?
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?
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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 Glasbehälter
1 Schlauchverbindung
1 Kolbenprober
Stativständer zum Befestigen
2 Schalen mit heißem und
kaltem Wasser
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?
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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)
Reinigungsbenzin
1 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 betätige 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?
Info:
Der resultierende Knall ist
sehr laut und der Deckel ﬂiegt 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,
ﬁndest du den Deckel leichter
wieder. Der Knall wird gemindert,
wenn der Deckel z.B. durch eine
passende Styroporkugel ersetzt
wird.
d) Auf einen Verbrennungsmotor angewendet: Wie verhindert man Benzinreste im Motor, die beim nächsten Verbrennungsvorgang stören könnten?
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CD_V_AB04_2
17
5 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (2)
1. Pleuelversuch: Umwandeln einer geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung.
Bastele das Pleuel nach Anleitung und beantworte dann die Fragen a) bis d).
Materialliste je Schülerin/Schüler:
1 Schere, Locher
Vorlage (siehe Rückseite) auf 120-g-Papier kopiert oder auf Karton aufgeklebt
3 Musterbeutelklammern
Tesaﬁlm 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“ zusammenkleben).
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.
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CD_V_AB05_1
5 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors (2)
Schwungrad
Kolben
Pleuel
18
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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 geöﬀneten Ventile rot (EV = Einlassventile; AV = Auslassventile).
EV
AV
EV
AV
EV
AV
EV
AV
OT
UT
OT
OT
OT
OT
d) Wie oft steht der Kolben während eines kompletten Arbeitsspieles ganz oben (oberer Totpunkt OT) bzw. ganz unten (unter
Totpunkt UT)?
e) In diese Richtung (OT bzw. UT) bewegt sich der Kolben:
Takt
ansaugen
verdichten
arbeiten
ausstoßen
Kolbenbewegung
f) Wie oft dreht sich die Kurbelwelle während eines Arbeitsspieles?
g) Wie viele Winkelgrade an der Kurbelwelle (Grad KW) umfasst also ein komplettes Arbeitsspiel?
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CD_V_AB06_1
20
6 Vier Takte für ein Arbeitsspiel
p
2.
Das Verhalten eines Verbrennungsmotors wird in
einem Druck-Volumen-Diagramm (Arbeitsdiagramm)
dargestellt. Das Volumen V wird nach rechts aufgetragen 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.
OT
V
UT
3. Quiz: Druck-Volumen-Diagramme (Arbeitsdiagramme) zuordnen. Ordne jedem Bild eines Ottomotors das zutreffende 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, Auslassventil rechts) und darauf, ob die Zündung schon stattgefunden hat. Die Kurbelwelle dreht sich im Uhrzeigersinn.
p
p
V
p
1
2
3
V
p
4
V
p
V
p
V
p
5
6
7
V
p
8
V
V
4. Überlege, warum Automobilmotoren mehr als einen Zylinder haben.
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CD_V_AB06_2
21
7 Aufbau eines Verbrennungsmotors
1. Die wichtigsten Teile eines Verbrennungsmotors stehen in den kleinen Kästchen, deren Funktionen in den größeren Rahmen. Ordne die jeweilige Funktion den einzelnen Teilen zu, indem du beide Kästchen jeweils mit der
gleichen Farbe markierst.
Zylinder
Kolben
Kurbelgehäuse
Ventilsteuerung
Ventile
nimmt die Kurbelwelle auf und
dient der Schmierung
Zylinderkopf
wird hin und her bewegt und verändert
so die Größe des Verbrennungsraumes
dichtet den Verbrennungsraum nach oben
ab und besitzt Öﬀnungen für die Ventile
Zündung
Kurbelwelle
beim Benzinmotor wird die Verbrennung durch
einen Funken eingeleitet
bilden den Raum, in dem die Verbrennungsvorgänge ablaufen
Pleuelstange
dienen dem Öﬀnen bzw. Abdichten der Einlass- und
Auslassöﬀnungen im Zylinderkopf
steuert das Öﬀnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile
wandelt die lineare Kolbenbewegung in eine
Drehbewegung um; überträgt die Kolbenkraft auf die Kurbelwelle
wandelt die Kolbenkraft über das Pleuel in eine Drehbewegung um und überträgt diese auf den Antriebsstrang
2. Um die Motoren mit
zu versorgen und die verbrannten Gase aus dem
befördern, müssen die Verbrennungsräume (Zylinder) über
Zeitpunkt
und
Ventile erfolgt üblicherweise über eine
werden. Die
zum richtigen
der
, auf der für jedes Ventil ein
angebracht ist.
a)
Ergänze den obigen Text, indem du diese Begriﬀe einfügst: Zylinder, wieder geschlossen, Nocken, Verbrennungsgasen, geöﬀnet, 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 öﬀnen und schließen?
© Als Kopiervorlage freigegeben. GENIUS – Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2010
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7 Aufbau eines Verbrennungsmotors
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3. Die Zeichnung zeigt einen typischen Verbrennungsmotor in einem Auto.
a)
Bezeichne die Hinweislinien mit den Begriﬀen 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.
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 entzündet sich (Selbstzündung).
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8 Kraftstoﬀe
Info:
Kraftstoﬀe für Verbrennungsmotoren sind ein Gemisch aus Kohlenwasserstoﬀverbindungen, 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 Kraftstoﬀe.
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 Energieﬂussdiagramm 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.
Erdölförderung
Rohöl 100%
Raﬃnerie
Kraftstoﬀe
Verbrennungsmotor
(Kraftstoﬀ 100%)
Bewegungsenergie
eines Autos
Kühlwasser
Abgas
Eigenbedarf
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 Diﬀerenzen 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.
Der Wirkungsgrad (griechisch eta) wird mit
folgender Formel berechnet:
=
Der Gesamtwirkungsgrad wird in zwei
Schritten berechnet:
1 =
Der Gesamtwirkungsgrad beträgt somit
ges = 1 · 2 =
genutzte Energie
· 100 (in %)
eingesetzte Energie
90 · 100
%=
100
2 =
3. a) Was versteht man unter Primärenergie? Welche Primärenergien kennst du? Nenne jeweils ein Beispiel.
b) Was versteht man unter Nutzenergie?
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8 Kraftstoﬀe
4. Kohlenstoﬀdioxid (CO2) taucht regelmäßig in den Nachrichten und Diskussionen auf. Warum? – Notiere rund um
das Feld alles, was dir zu CO2 einfällt.
Kohlenstoﬀdioxid – CO2
5. Sieh dir die Aufgaben 1 bis 4 an und überlege, warum nach Alternativen für Kraftstoﬀe aus Erdöl gesucht wird.
6. Ergänze die Übersicht und schreibe rund um die Wolken alles auf, was dir zu den jeweiligen Punkten einfällt.
moderne
Technologien bei
Verbrennungsmotoren
alternative
Motorenkonzepte
Notwendigkeit von
• sauberer Energie
• Energieeinsparung
alternative
Kraftstoﬀe
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9 Zum Trainieren und Merken:
Mobilität und Verbrennungsmotor
1. Kreuzworträtsel: Wichtige Begriﬀe aus dem Bereich Verbrennungsmotor sind hier einzutragen.
Viel Vergnügen.
1
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3
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5
6
7
8
9
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29
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-Motor
10 der Raum, in dem die Verbrennung abläuft
11 Wo hat Bertha Benz auf ihrer ersten Fahrt mit einem Automobil
den Kraftstoﬀ gekauft?
12 Endpunkte bei der Kolbenbewegung
15 übliches Transportmittel vor der Erﬁndung des Automobils
18 eine der nutzbaren Energieformen
21 dadurch gelangen die Gase in und aus dem Zylinder
23 Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingesetzter Energie
24 „Vorbild“ für das erste Automobil
25 der letzte Takt im 4-Takt-Motor
27 Name für die chemische Energie zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
28 bewegt sich im Zylinder hin und her
29 gibt es seit 1895 als Nahverkehrsmittel
senkrecht
1 Name des ersten kompakten Benzinmotors
2 einer der Erﬁnder 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 Antriebsstrang
14 anderer Name für p-V-Diagramm
16 der Takt mit dem größten Druck im Zylinder
17 wandelt lineare Bewegung in kreisförmige
19 in diesem Takt steigt der Druck im Zylinder
20 damit beginnt die Massenmobilität
22 hat eine exzentrische Form für die Ventilsteuerung
26 Name für Teil eines Arbeitsspieles im Motor
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9 Zum Trainieren und Merken:
Energieübertragung
2. Energieumwandlungsdiagramm „Von der Primärenergie über den Motor auf die Straße“.
a)
Entwirf ein komplettes Energieumwandlungsdiagramm, das den Energieﬂuss von der Primärenergie über einen Verbrennungsmotor bis zur Vorwärtsbewegung eines Automobils zeigt.
Folgende Gesichtspunkte berücksichtige bitte (teilweise werden die Begriﬀe mehrmals eingesetzt!):
• Energiearten (Primärenergie, Nutzenergie; chemische, kinetische,
thermische Energie)
• Bewegungsarten (geradlinige Bewegungen und Drehbewegungen)
kannst du als Bemerkung unter
die Energieumwandlerkästchen
schreiben
• Energieumwandler (Pleuel und
Kurbelwelle, Raﬃnerie, Zylinder und
Kolben, Räder und Reifen, Kraftübertragung auf die Fahrbahn, Getriebe)
• Wo entstehen besonders große Verluste (z.B. durch Reibungskraft)
als Bemerkung unter die Energieumwandlerkästchen schreiben
b) Gestalte dieses Energieumwandlungsdiagramm als „Wandzeitung“. Nimm dazu sogenannte Moderatorenkarten in verschiedenen 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 normalerweise Pfeile; wenn du zwei Ecken der Moderatorenkarten an der Schmalseite abschneidest, erhältst du einen „Pfeil“:
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Bildquellennachweis
Umschlag: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart
15, 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
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 Intranets 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, Stuttgart; 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, Stuttgart
Projektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner
Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart
Gestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, Limburg
Illustrationen: Arno Pfeuffer, apmedia-design, Kürnach
Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg
HTML-Rahmen der Motor-Simulation: cobra youth communications GmbH, Berlin

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