antriebstechnik real inhalt - genius...handelnde arbeitsweisen ein gefühl für sinn und zweck der...

Harald Hölz Stefan Kruse

ANTRIEBSTECHNIKVerbrennungsmotoren, Elektroantriebe, alternative AntriebskonzepteLehrermaterial und Kopiervorlagen mit CD-ROMRealschule, Klassen 8 bis 10

Daimler AG | Klett MINT GmbHStuttgart

Antriebstechnik_Real_Inhalt.indd Abs2:1 11.10.11 12:05

Verbrennungsmotoren

Inhaltsverzeichnis

Verbrennungsmotor

1 Lehrerinformationen 7 – 10

2 Mobilität früher 11 – 12

3 Pioniere der Automobilindustrie 13 – 14

4 Die Ausdehnung von Gasen 15 – 16

5 Aufbau eines Verbrennungsmotors 17 – 18

6 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors 19 – 20

7 Vier Takte wandeln Energie 21 – 22

8 Die Motorsteuerung 23 – 24

9 Kraftstoffe 25 – 26

10 Zum Trainieren und Merken: Mobilität, Verbrennungsmotoren und Energieübertragung 27 – 28

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 ein Fahrzeug antreiben könnte. Nach vielen Rückschlägen ist es 1886 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 Gott lieb Daimler von der Motorisierung „zu Wasser, zu Lande und in der Luft". Daimlers Hauptziel ist zunächst die Herstellung von geeigneten Motoren. Gemeinsam mit seinem Mitar-beiter Wilhelm Maybach entwickelt er in jahrelanger Arbeit einen Motor, der so leicht und so stark ist, dass er ein Fahr-zeug antreiben kann. Dieser Motor geht als die sogenann-te „Standuhr" in die Geschichte ein. Daimler und Maybach bauen ihn 1885 zuerst in ein Laufrad ein, den „Reit wagen", und konstruieren damit das erste Motorrad der Welt.

1886 motorisieren sie ein Boot, das ihnen für Versuchs-fahrten 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. Fast parallel entwickelt Rudolf Diesel einen selbstzündenden Motor, der eine höhere Leistung erzielt und störungsunanfälliger arbeitet.

Nikolaus Ottos Viertaktmotoren bauten auf dem „4-Takt-Prinzip“ auf, welches bis heute die Grundlage für viele Ver-brennungsmotoren ist. 1864 gründete er mit Eugen Langen die erste Motorenfabrik der Welt und 1872 die „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“. Sein 1876 verbesserter Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung wurde später von Wilhelm Maybach weiterentwickelt und in Serie produziert.

Daimlers Einzylindermotor ist der weltweit erste kleine, schnelllaufende Verbrennungsmotor, der mit Benzin be-trieben 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-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 Motor eingebaut haben.

Die „ideale Wärmekraftmaschine“ von Rudolf Diesel löst die großen Zündprobleme von herkömmlichem Benzin, in-dem verdichtetes Treibstoff -Luft-Gemisch unter Druck in den Brennraum eingebracht wird. Die dabei entstehenden rechnerisch utopisch hoch erscheinenden Drücke verhelfen dem Motor 1893 zu einer hohen Leistungsausbeute.

Lehrerinformationen

Texte zu Arbeitsblatt AB 2 „Mobilität früher" und AB 3 „Pioniere der Automobilindustrie"


8 1 Lehrerinformationen

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. Wahrend Karl Benz unablässig seine 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.

Weiterführende Texte zu AB 2 „Mobilität früher" und AB 3 „Pioniere der Automobilindustrie"

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 Zündkerze

Alle frühen Motoren hatten ein gemeinsames Problem: Die Entzündung des Luft-Kraftstoff gemisches. Dazu wurde ein elektrischer Funke in einem Magnetzünder erzeugt. Unregel-mäßige und zu schwache Funken führten zu Aussetzern der Motoren und begrenzten die theoretische Drehzahl. Erst mit der Entwicklung der Hochspannungszündkerze durch die Werkstatt für Feinmechanik und Elektrotechnik von Robert Bosch in Stuttgart wurde dieses Problem gelöst.

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 / lnfrastruktur / 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 schwarzgelben 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. Jahr-

hundert unterwegs? • Was war das Besondere der Erfi ndungen von Daimler

und Benz? • Welche technischen Probleme der damaligen Zeit er-

schwerten die Umsetzung ihrer Ideen?• Wie entwickelte sich der Verkehr nach der Erfi ndung

des Automobils?


1 Lehrerinformationen 9

Informationen zu AB 4 „Ausdehnung von Gasen“ und AB 5 „Aufbau eines Verbrennungsmotors"

Grundsätzliche Überlegungen zur Unterrichtseinheit

Grundlegend für die Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors sind die in den zwei einfachen Versuchen vorgestellten physikalischen Prozesse zur Gasausdehnung bei Erwärmung und eine einfache jedoch nicht ganz ungefährliche Bauauf-gabe zur Temperaturerhöhung durch Verbrennung eines Gasgemisches und Umsetzung einer durch Erhitzen und Ab-kühlen eines Gasvolumens erreichten Auf- und Abbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung über Pleuel. Durch eine einfache Bauaufgabe wird der Zusammenhang der Bewegung von Kolben, Pleuel und Kurbelwelle verdeutlicht.Anhand der Optimierung dieser Prozesse (Fragen zu den Ver-suchen) erschließen sich die Schülerinnen und Schüler durch handelnde Arbeitsweisen 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 Ver-ständnis der Versuche und der zugrunde liegenden Prozesse gelegt werden, damit sich die Schülerinnen und Schüler im Anschluss bei den komplizierteren Zusammenhängen der Motorentechnik an diesen grundlegenden Punkten orientieren können. Weiterhin sollte auf Fachsprache und den richtigen Gebrauch aller Begriffl ichkeiten Wert gelegt werden.Sinnvoll bei der Bearbeitung der Unterrichtseinheit sind mög-lichst häufi ge Verbindungen zur berufl ichen Orientierung und potenziellen Ausbildungsberufen.

Bei der Aufgabe 2 zu Ausdehnung von Gasen muss besonders vorsichtig gearbeitet werden. Durch die off ene Flamme und das Feuerzeuggas entsteht ein explosives Gemisch. Daher den Versuch nur unter Auf-sicht durchführen lassen.

Weiterführende Informationen zu AB 4 „Ausdehnung von Gasen“ und AB 5 „Aufbau eines Verbrennungsmotors"

Ein Piezozünder ist ein Bauteil, das durch Einwirkung einer mechanischen Kraft (z.B. Druck) eine elektrische Spannung erzeugt. Dabei wird der sogenannte Piezoeff ekt ausgenutzt, der auch in umgekehrter Reihenfolge Anwendung fi ndet (Piezoaktor).

Texte zu AB 6, AB 7 und AB 8 „Arbeitsweise eines Verbrennungsmotor", „Vier Takte wandeln Energie“ und „Die Motorsteuerung“

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-Verbrennungsmotor?

• Welche Funktionen haben die einzelnen Komponenten

eines Motors?

• Welche grundsätzlichen Unterschiede haben Otto- und

Dieselmotor?

• Welche Stationen des Gaswechsels werden in den

jeweiligen Takten durchlaufen?

• Welche technischen Lösungen werden für die Steuerung

der Ventile verwendet?


10 1 Lehrerinformationen

Texte zu AB 9 „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 Rohstoffl ieferungen 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 Primarenergien stehen zur Verfügung? • Welche Auswirkungen hat der Ausstoß von CO2?

Internetadressen • Funktionsweise eines Otto-Viertaktmotors: http://de.wikipedia.org/wiki/Verbrennungsmotor http://de.wikipedia.org/wiki/Ottomotorhttp://www.uni-muen-ster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/technik_didaktik/funktionsmodell_ottomotor.pdf http://www.mymobil.de/kfz/motoren.htmlhttp://www.kostenlose-referate.de/referate/WkBWL/104.pdf

• Arbeitstakte und Arbeitsdiagramm: http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/gk2-2007/node23.htmlhttp://www.techniklexikon.net/i/index-a.htmhttp://library.thinkquest.org/C006011/german/sites/ottomotor.php3?v=2http://de.pandapedia.com/wiki/Ottomotor

• Funktionsweise einer Nockenwelle: http://www.motorroller-info.de/nockenwelle.htmlhttp://de.wikipedia.org/wiki/Nockenwellehttp://www.koopiworld.de/pub/motor5.htmhttp://de.wikipedia.org/wiki/Desmodromik

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© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Daimler, Stuttgart 2011

11

Mobilität früher

„Mit welchem Verkehrsmittel konnten die Menschen früher größere

Entfernungen zurücklegen?“

1. Überlege dir, was früher alles transportiert wurde, aus welchen Anlässen etwas transportiert wurde und welche Verkehrsmittel es gab. Ergänze dazu die Mindmap.

„Welche Bedeutung hatten die Postwege für die Menschen?“

2. Denk dir eine mögliche Antwort für die folgenden Fragen aus:

Was wurde transportiert?

Verkehrsmittel

Anlässe der Mobilität

Mobilitätim 19. Jahrhundert

„Mit welchen Fahrzeugen ließen sich Güter transportieren?“

„Wie funktionierte der Verkehr in den großen Städten?“


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 die Lücken im folgenden Text. Verwende dazu die blau gefärbten Worte.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



13

Pioniere der Automobilindustrie

1. Gottlieb Daimler, Nikolaus Otto, Wilhelm Maybach, Karl Benz und Rudolf Diesel gelten als die Erfi nder des motor-getriebenen Automobils. Ordne jeder Kurzbiografi e die richtige Person zu.

Mein Name ist . Ich wur-de am 25. November 1844 bei Karlsruhe geboren. Nach meinem Studium gründete ich in Mannheim

mehrere Firmen. Mein Ziel war es dabei, einen Wagen mit eigenem Antrieb zu bauen! Im Januar 1886 gelang es mir, ein Patent für das erste Benzinautomobil an-zumelden: ein 18 km/h schnell fahren-des dreirädriges Fahrzeug mit Verbren-nungsmotor und elektrischer Zündung.

Anfangs wurde mein Automobil als „Wagen ohne Pfer-de“ verspottet. Mit meinem Patent-Motorwagen fuh-ren meine Frau Bertha und zwei unserer Söhne 1888 von Mannheim nach Pforzheim. Die Weltausstellung in Paris brachte unserem Wagen den Durchbruch.

Mein Name ist

. Ich wurde am 9. Februar 1846 in Heilbronn geboren. Meine Familie zog einige Jahre spä-ter nach Stuttgart. Als Kind musste ich ins Bruderhaus nach Reutlingen, wo Wai-senkinder eine Ausbildung erhielten. Ich wurde techni-scher Zeichner, Konstrukteur und Assistent des Leiters der Maschinenfabrik im Bru-derhaus, Herrn Daimler, und folgte ihm in verschiedene andere Unternehmen, bis wir schließlich in Cannstatt die Daimler-Motoren-Gesell-schaft gründeten. Als deren Direktor hatte ich maßgeblichen An-teil an der Entwicklung des modernen Auto-mobils.

Mein Name ist . Ich wurde am 17. März 1834 in Schorndorf geboren. Nach einer Lehre als Büchsenma-cher begann ich ein Maschinenbaustudium und arbeitete als Konstrukteur und Manager. Zusammen mit Wilhelm Maybach habe ich in Nikolaus Ottos Gasmotorenfabrik Deutz seinen

Motor zur Serienreife entwickelt. Später habe ich in Cannstatt eine eigene Versuchswerkstatt mit aufgebaut. Ich wollte einen kleinen, mobilen, leichten – also überall einsetzbaren - und schnell laufenden Verbrennungsmotor bauen. Im Jahr 1885 erhielt ich ein Patent auf einen verbesserten Einzylinder-Viertaktmotor, der Benzin verbrannte. Dieser Motor ist als „Standuhr“ in die Geschichte eingegangen.

Mein Name ist . Ich wur-de am 18. März 1858 in Paris als Sohn eines deutschen Händlers geboren. Bereits mit 12 Jahren wurde ich für meine Noten ausgezeichnet. Wegen des Krie-ges musste ich kurz darauf Frankreich ver-lassen. In München beendete ich 1880 mein Studium an der Technischen Hochschule mit dem besten Abschlussexamen. Immer schon interessierten mich Wärmekraftmaschinen. 1893 entwickelte ich einen Motor, der eine deutlich höhere Leistung erzielte als die bisherigen Maschinen. Mit einem Freund gelang es mir zwischen 1893 und 1897, meinen selbstzündenden Motor wei-ter zu entwickeln (heute heißt seine Fabrik übrigens MAN AG). Nach mir wurde ein Treibstoff benannt.

Mein Name ist . Ich wurde am 10. Juni 1832 in Holzhausen geboren. Da mein Vater ein armer Bau-er war, machte ich eine Lehre als Kaufmann. Mit 30 Jahren begann ich mit Motoren zu experimentieren, die nach dem Viertaktprinzip funktionierten. 1864 gründete ich mit einem Kollegen die erste Mo-torenfabrik der Welt, acht Jahre später die „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“. Im Jahre 1876 gelang es mir, einen Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung zu entwickeln. Dieser wurde von meinem Konkurrenten Wilhelm Maybach weiter-entwickelt und in Serie produziert. Der Motorentyp blieb bis in die heutige Zeit Grundlage für viele Verbrennungsmotoren, auch wird mein Name immer noch für alle Benzinmotoren verwendet.


14 3 Pioniere der Automobilindustrie


2. Die Entwicklung von Fahrzeugen war ein langer Prozess. Informiere dich über die Meilensteine der Technik und schreibe die Jahreszahlen fortlaufend in den Zahlenstrahl.

3. Gottlieb Daimler und Karl Benz entwickelten unabhängig voneinander ein Fahrzeug, das sich „von selbst fortbe-wegt“ – das „Automobil“. Beide Pioniere hatten jedoch einen unterschiedlichen Ansatz. Vergleiche Daimlers Fahr-zeug (li) mit Benz Motorwagen (re) und beantworte die folgenden Fragen.

3. Karl Benz arbeitete fortwährend an seiner Idee der Motorisierung des Straßenverkehrs. Bereits 1895 gab es den ersten Omnibus. Was bedeutete dies? Welche Vorteile ergaben sich im Vergleich zur Eisenbahn?

a) Woran erinnert das vierräderige Gefährt?

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

Lenoir entwickelt einen Motor mit

Leuchtgasantrieb.

Fulton baut eine Dampfmaschine

in ein Boot.

Erste Eisenbahn fährtvon Nürnberg nach Fürth.

Otto präsentiert seinen gasgetriebenen

Motor.

Cugnot baut ein Fahrzeug mit Dampfantrieb.

Watt verbessert die Dampfmaschine.

Newcomen entwickelt eine Dampfmaschine.

Bertha Benz fährt von Mannheim

nach Pforzheim.



15

Ausdehnung von Gasen

1. Jeder Verbrennungsmotor funktioniert nach dem gleichen physikalischen Grundprinzip – der Ausdehnung von Gasen. Um dieses Prinzip zu verstehen, lassen sich zwei Versuche durchführen.

a) Versuch 1:Du benötigst: 1 Münze, 1 leere, kalte Trinkfl ascheAnleitung: Lege eine Münze auf eine leere, kalte Flasche. Umfasse die Flasche vorsichtig mit den Händen und achte darauf, dass die Münze nicht verrutscht. Wärme die Flasche eine Zeit lang mit den Händen auf und beobachte die Münze.

b) Versuch 2:Du benötigst: 1 Luftballon, 1 leere Trinkfl asche, 3 Gefäße, warmes und kaltes Wasser und EiswasserAnleitung: Ziehe einen Luftballon über die Öff nung einer leeren Flasche. Stelle nun die Fla-sche abwechselnd in jeweils ein Gefäß mit kaltem Wasser, warmem Wasser und Eiswasser. Beschreibe deine Beobachtungen.

Zeichne den Versuchsaufbau:

Beschreibe, was passiert:

kaltes Wasser

warmes Wasser

Eiswasser

c) Wie könnte man die beobachteten Ergebnisse der beiden Versuche verbessern?

d) Wie könnte man die erzeugten Bewegungen beschleunigen?


16 4 Ausdehnung von Gasen


2. Um eine größere und schnellere Ausdehnung der Gase zu erreichen, verwendet man in der Motorentechnik ein leicht entzündliches Benzin-Luft-Gemisch. Die Funktionsweise der Verbrennung lässt sich mit einem Experiment sehr eindrucksvoll demonstrieren.

Gefährlicher Versuch.Nie ohne Aufsicht

durchführen.

a) Nicht jeder Zündversuch klappt auf Anhieb. Was musstest du optimieren, bis sich das Gemisch entzündet hat?

b) Wie wird bei einem Ottomotor die Zündung ausgelöst?

c) Optimiere die Zündung in deinem Versuchsaufbau:Zerlege vorsichtig das Feuerzeug, indem du den Flammenschutz entfernst. Ziehe danach den elektrischen Zünder (Piezozünder) aus dem Feuerzeug und stecke den Zünddraht in das Loch der Pappröhre. Nun kann man beim Betätigen des Piezozünders das Gemisch fernzünden. Teste deinen Versuchsaufbau.

d) Welche Verbesserungen könnte man noch realisieren?

Du benötigst: 1 Papprohr (Toilettenrolle), 1 Wattekugel, 1 Wattestäbchen, Klebeband, Schere, FeuerzeugAnleitung: Klebe ein Ende der Pappröhre mit dem Klebeband zu. Bohre am Rand der zugeklebten Seite ein kleines Loch in die Pappröhre. Wickle eine der Wattekugeln um das Wattestäbchen, lass etwas Feuerzeuggas von oben in die Pappröhre strömen und stecke die Wattekugel mit dem Wattestäbchen in die Rolle. „Pumpe“ ein paarmal mit dem Wattestäbchen hin und her. Halte nun die Flamme des Feuerzeugs an das Loch und entzünde das Gasgemisch!



17

Aufbau eines Verbrennungsmotors

ab – An – Aus – ben – brennungs – Ein – Gene – kanal – kanal – Keil – kerze – Kol – Kolben – kopf – Kurbel – lasser – lass – lass – lass – Nocken – Nocken – Öl – Öl – Pleuel – rad – rator – raum – riemen – riemen – ringe – schraube – Schwung – stange – til – Ven – Ver – wanne – welle – welle – Zahn – Zünd – Zylinder

Zylinderkopf


18 5 Aufbau eines Verbrennungsmotors


2. Bestimme die Funktion der wichtigsten Teile eines Ver-brennungsmotors. In den linken Kästchen stehen die ein-zelnen Bauteile, in den rechten deren Funktionen.

Ordne den Bauteilen ihre Funktion zu. Trage dazu die ent-sprechenden Nummern in die leere Spalte ein.

3. Was muss in den Ölfl ecken auf der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors stehen?

Um einen Motor mit frischem zu versorgen und die

aus dem Zylinder zu befördern, müssen die zum richtigen Zeitpunkt ge-

öff net und geschlossen werden. Die der Ventile erfolgt meistens über die

, auf der für jedes Ventil ein

sitzt. Die Nockenwelle wird in der Regel über eine oder einen

angetrieben.

1. Zylinder Entzündet beim Benzin- und Gasmotor das Gasgemisch.

2. KolbenWandelt die Kolbenkraft über das Pleuel in eine Drehbewegung um und über-trägt diese auf den Antriebsstrang.

3. Ventile Dient zum Befüllen des Zylinders mit frischem Gasgemisch.

4. Zündkerze Steuert das Öff nen und Schließen der Ventile.

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

6. Pleuelstange Überträgt die Drehbewegung der Kurbelwelle auf die Nockenwelle.

7. Kurbelwelle Überträgt die Kraft des Kolbens auf die Kurbelwelle.

8. Auslasskanal Steuert das Öff nen und Schließen der Einlass- und Auslassventile.

9. Einlasskanal Dient zum Abführen der Abgase aus dem Brennraum.

10. Zahnriemen Gibt die Energie durch eine Auf- und Abbewegung an das Pleuel weiter.

11. Nockenwelle Bildet den Raum, in dem die Verbrennungsvorgänge ablaufen.



19

Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors

1. Um die Abläufe in einem Verbrennungsmotor besser zu verstehen, lässt sich ein einfacher Versuch durchführen. Mit ihm wird die Umwandlung der geradlinigen Bewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Kurbelwelle deut-lich. Lies die Anleitung durch, baue das Modell nach und teste es.

Materialliste: Schere, Locher, 4 Musterbeutelklammern

Anleitung: Schneide den Kolben, das Pleuel und die Kurbelwelle am rechten Bildrand aus. Um Knicke zu vermeiden, können die Teile auf Karton aufgeklebt werden. Außerdem benötigst du ein Langloch im Zylinder, in dem später der Kolben geführt wird. Durchbohre alle Teile, die mit einem markiert sind und füge alles mit den Musterbeutelklammern beweglich zu-sammen.


20 6 Arbeitsweise eines Verbrennungsmotors


2. Bewege den Kolben deines Modells auf und ab und beschreibe, wie sich das Pleuel und die Kurbelwelle verhalten.

3. Beschreibe, wo die sogenannten „Totpunkte“ liegen und warum sie so genannt werden.

4. Wie verhindert man in der Praxis, dass der Motor in einem Totpunkt „hängenbleibt“?

5. Beschreibe mithilfe des Modells, wie bei einem echten Verbrennungsmotor die Steuerung der Ventile realisiert wird.



21

Vier Takte wandeln Energie

1. Alle Verbrennungsmotoren sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut.Durch die Entzündung eines Gasgemisches wird eine Kraft auf einen Kolben übertragen. Dieser wird im Zylinder nach unten gedrückt. Dabei überträgt er die Kraft über ein Pleuel auf die Kurbelwelle. Diese ist mit dem Pleuel über ein bewegliches Pleuellager verbunden. Es wandelt die geradlinige Abwärtsbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um und leitet sie über das Schwungrad ans Getriebe und die Räder weiter. Benenne die Teile des Kurbeltriebs.

2. Moderne Verbrennungsmotoren unterscheidet man nach der Anzahl ihrer Arbeitstakte (z.B. 4-Takter). In diesen Arbeitstakten müssen Verbrennungsgase angesaugt, verdichtet, entzündet, die Energie umgewandelt und die ver-brannten Gase ausgestoßen werden.

a) Schreibe den jeweiligen Arbeitstakt im Zylinder über die Zeichnungen.

b) Kennzeichne die Bewegung des Kolbens durch zwei unterschiedlich farbige Pfeile.

c) Zeichne die fehlenden Ventilstellungen von Einlassventil (EV) und Auslassventil (AV) ein.

Auslass-ventil

Zündkerze AbgasrohrEinlass-ventil

Ansaug-rohr

Kurbelbetrieb(Schubkurbel)


22 7 Vier Takte wandeln Energie


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

e) Wie viele Umdrehungen macht die Kurbelwelle während der vier Takte eines Zylinders?

3. Bei vielen Motoren wird die Zündfolge 1 – 3 – 4 – 2 verwendet. Vervollständige die Übersicht für alle vier Zylinder eines Motors.

4. Alle Motorentypen haben unterschiedliche Einsatzbereiche und damit verschiedene Vor- und Nachteile. Ergänze die folgende Tabelle.

1. Zylinder 2. Zylinder 3. Zylinder 4. Zylinder

zünden und arbeiten




Ottomotor Dieselmotor

Takte 4

Kraftstoff

Umdrehungen der Kurbel-welle pro Arbeitstakt

Steuerorgane Ventile, Nockenwelle

Zündung



23

Die Motorsteuerung

1. Auf der Nockenwelle sitzen die Nocken, die die Ein- und Auslassventile steuern. Die Ventile sind für den Gas-wechsel zuständig. Skizziere zwei Möglichkeiten in die vorgegebenen Bilder, wie die Nockenwelle angesteuert wer-den kann. Beschreibe deine Lösung.

2. Der Drehzahlmesser eines Fahrzeugs zeigt 3800 1/min an.

a) Mit welcher Umdrehung dreht die Nockenwelle des Motors?

b) Wie oft bewegt sich ein Kolben des Motors auf und ab?


24 8 Die Motorsteuerung


3. Grundlage für einen sparsamen und eff ektiven Motor sind die exakte Dosierung des frischen Kraftstoff -Luft-Ge-misches und der vollständige Ausstoß der verbrannten Abgase. Diese Vorgänge werden durch Ventile ermöglicht.

a) Die Ansteuerung der Ventile erfolgt bei vielen Motoren über Nocken. Beschreibe, wie ein Nocken ein Ventil öff nen und schließen kann.

b) Im Folgenden sind verschiedene Ventilsteuerungen dargestellt. Beschreibe die Funktionsprinzipien, nach denen die Ventile gesteuert werden.

c) In modernen Motoren setzt man variable Ventilsteuerungen ein. Diese sind in der Lage, auf unterschiedliche Belastungs-situationen zu reagieren. Warum ist dies sinnvoll?

Mechanische Ventilsteuerung:

Elektromechanische Ventilsteuerung:

Elektrohydraulische Ventilsteuerung:

Pumpe

Ventil

Pumpe



25

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 (z.B. Benzin, Diesel und Erdgas) in Bewegungsenergie entstehen „Verluste“. Energie geht bei der Umformung jedoch nie „verloren", sondern sie wird lediglich in andere, teils nicht nutz-bare (meist Wärmeenergie), Formen überführt.

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

Erdölförderung Raffinerie Verbrennungs-motor

Rohöl 100 % Benzin

Eigenbedarf

Abgas

Kühlwasser

Bewegungsenergieeines Autos

Herstellungs- und Transportverluste 10 %zusammen 82 %

2. Der sogenannte Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingesetzter Energie. Die Diff erenzen werden als „Verluste“ bezeichnet. Der Wirkungsgrad verdeutlicht die Wirksamkeit von Energieumwand-lungen. Ergänze die Rechnung, die sich auf das Diagramm in Aufgabe 1 bezieht.

3. a) Was versteht man unter Primärenergie? Welche Unterkategorien von 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


26 9 Kraftstoff e


6. Ergänzt die Übersicht und schreibt rund um die Wolken alles auf, was euch zu den jeweiligen Punkten einfällt.

5. Schaut euch die Aufgaben 1 bis 4 an und überlegt, warum nach Alternativen für Kraftstoff e aus Erdöl gesucht wird.

Kohlenstoff dioxid – CO2

Notwendigkeit von sauberer Energie und

Energieeinsparung

alternativeMotorenkonzepte

alternativeKraftstoff e

moderne Technologien bei

Verbrennungsmotoren

Löse die Aufgaben 4-6 in Partnerarbeit oder einer Kleingruppe.

4. Erstellt ein Brainstorming zu Kohlenstoff dioxid (CO2). Tipp: Kohlenstoff dioxid taucht regelmäßig in den Medien auf.



27

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 zum Thema Verbrennungsmotor: Trage die richtigen Begriff e ein – 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 3. Takt des Otto-Motors16 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

2827

29

23

9

10



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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.

Energiearten (z.B. Primärenergie, Nutzenergie) und Energieformen (z.B. chemische, kinetische, thermische Energie) Energieumwandler (z.B. Pleuel und Kurbelwelle, Raffi nerie, Zylinder und Kolben, Räder und Reifen, Kraftüber-tragung auf die Fahrbahn, Getriebe)

Schreibe unter die Pfeile und Rahmen Bewegungsarten (z.B. geradlinige Bewegungen und Drehbewegungen) oderHinweise, wo besonders große Verluste entstehen (z.B. durch Reibungskraft).

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 Energiearten und Energieformen nimmt man normalerweise Pfeile; wenn du zwei Ecken der Moderatorenkarten an der Schmalseite abschneidest, erhältst du einen „Pfeil“:

=

=


1. Aufl age 1 5 4 3 2 1 | 2016 15 14 13 12 11

Alle Drucke dieser Aufl age sind unverändert. Die letzte Zahl bezeichnet das Jahr des Druckes.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.Auf verschiedenen Seiten dieses Heftes befnden sich Verweise (Links) auf Internet-Adressen. Haftungshinweis: Trotz sorgfältiger inhaltlicher Kontrolle wird die Haftung für die Inhalte der externen Seiten ausgeschlossen. Für den Inhalt dieser externen Seiten sind ausschließlich die Betreiber verantwortlich. Sollten Sie daher auf kostenpfl ichtige, illegale oder anstößige Inhalte treff en, so bedauern wir dies ausdrücklich und bitten Sie, uns umgehend per E-Mail davon in Kenntnis zu setzen, damit beim Nachdruck der Nachweis gelöscht wird.

Titel der Originalausgabe für den NwT-Unterricht an baden-württembergischen Gymnasien: Antriebstechnik – Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, Brennstoff zelle. Eine Zusammenarbeit der Genius-Initiative der Daimler AG und der Klett MINT GmbH© Daimler AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart

Autoren: Dr. Tilmann Berger, Sindelfi ngen; Helmut Graf, Wörth; Harald Hölz, Schorndorf; Dr. Stefan Kruse, Schwä-bisch Gmünd; Hanne Lier, Stuttgart; Josef Maier, Stuttgart; Markus Röscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Schaich, Kirchheim unter Teck

Redaktion: Medienwerk Hanne LierProjektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner

Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafi kdesign, StuttgartGestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, LimburgIllustrationen: Alexander Schmitt, as-illustration, RimparBildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, LeonbergPresswerk: Osswald GmbH & Co., Leinfelden-EchterdingenReproduktion und Druck: Medienhaus Plump, Rheinbreitbach

Printed in GermanyISBN 978-3-942406-03-1

Bildquellennachweis

Umschlag: Schwarz Gruppe Grafi kdesign, Stuttgart16 Dr. Tilmann Berger 12, 13, 14, 42, 43, 45, 46, 55, 61, 64, 65 Daimler AG, Stuttgart 68 Grin 36, 39 Harald Hölz 16, 18, 58 Dr. Stefan Kruse 35 Markus Röscheisen, Dieter Schaich 11, 61 thinkstockphotos 13 Wikipedia

978-3-942406-03-1


ISBN 978-3-942406-03-1Preis 19,95 EUR

Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, BrennstoffzelleLehrermaterial und Kopiervorlagen mit CD-ROMRealschule Klassen 8 bis 10

ANTRIEBSTECHNIK

antriebstechnik real inhalt - genius...handelnde arbeitsweisen ein gefühl für sinn und zweck der...

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