Wärmekraftmaschinen

Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

  • Wie funktioniert eigentlich eine Dampfmaschine?
  • Was ist so besonders an einem WANKEL-Motor?
  • OTTO- oder DIESEL-Motor?
  • Was versteht man unter einem Wirkungsgrad?

Dampfmaschine

PAPIN's atmosphärische Dampfmaschine

Denis PAPIN (1647 - 1712); unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Namhafte Wissenschaftler (HUYGENS, LEIBNITZ, GUERICKE usw.) versuchten, mit der treibenden Kraft des Dampfes das Leben der Menschheit zu erleichtern. Eine erste Vorform einer Dampfmaschine stammt vom Franzosen Denis PAPIN (1647 - 1712). PAPIN war sehr kreativ (u.a. erfand er den Vorläufer des heutigen Dampftopfes) und vielseitig (Doktor der Medizin, Professor der Mathematik). Er machte zahlreiche Entwürfe und führte eine große Zahl von Versuchen durch. Im Jahre 1690 berichtet er über die sogenannte atmosphärische Dampfmaschine.

Bei PAPIN ist das Druckgefäß gleichzeitig Kessel, Zylinder und Kondensator. Die Kondensation geschah durch Wärmeabgabe an die Umgebung. Dazu musste man das vom Gefäß von der Feuerstelle trennen (oder umgekehrt).

  • In einen Zylinder wurde etwas Wasser gefüllt und ein Kolben bis zur Wasseroberfläche heruntergedrückt (die über dem Wasser befindliche Luft konnte über ein Röhrchen entweichen).

  • Bringt man nun das Wasser zum Sieden, so drückt der Wasserdampf den Kolben entgegen der durch den äußeren Luftdruck und der Erdanziehung verursachten Kraft nach oben.

  • In der obersten Stellung wird der Kolben nun arretiert.

  • Lässt man jetzt den Dampf durch Abkühlung kondensieren, so entsteht im Zylinder ein Unterdruck.

  • Aufgrund des äußeren Luftdrucks wird nun der entarretierte Kolben nach unten gedrückt und kann dabei Arbeit verrichten.

PAPIN schreibt: "Da das Wasser die Eigenschaft hat, nachdem es durch Feuer in Dampf verwandelt worden, so elastisch wie Luft zu werden und nachher durch Abkühlen sich wieder so gut zu verdichten, dass es vollkommen aufhört, elastisch zu sein, so habe ich geglaubt, dass man leicht Maschinen machen könnte, in denen das Wasser mittels mäßiger Wärme und geringen Kosten die vollständige Leere (Hinweis: Vakuum) hervorbringen würde, die man vergeblich mit dem Schießpulver zu erzielen versucht hat (Hinweis: Huygens versuchte das Vakuum mittels Explosion zu erzeugen. Zum Auslösen der Explosion verwandte er Schießpulver)."

PAPIN's Ideen stellten einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zur funktionierenden Dampfmaschine dar. In der Praxis hatte er jedoch große Schwierigkeiten: Der Kolben schloss nicht dicht genug, notwendige Ventile mussten mit der Hand bedient werden, die Leitungsverbindungen hielten nicht dicht und die Kessel hielten dem Dampfdruck nicht stand.

NEWCOME's Dampfmaschine

Der Schmied Thomas NEWCOMEN (1663 - 1729) verbesserte im Jahre 1712 die Anordnung von PAPIN, indem er eine Idee des englischen Ingenieurs Thomas SAVERY (1650 - 1715), den Dampferzeuger vom Zylinder abzutrennen, übernahm. Außerdem erkannte NEWCOMEN, dass die Kondensation des Dampfes durch direktes Einspritzen von kaltem Wasser in den Zylinder beschleunigt wurde. Das dadurch entstehende "Teilvakuum" reichte immer noch aus, dass die durch den äußeren Luftdruck bewirkten Kräfte Arbeit verrichten konnten. Auch NEWCOMEN's Erfindung ist eine atmosphärische Dampfmaschine.

  • Im ersten Takt strömt heißer Dampf vom Kessel in den Zylinder und hebt den Kolben an.

  • Im zweiten Takt wird kaltes Wasser in den Zylinder gespritzt, der Wasserdampf kondensierte, es entsteht ein Teilvakuum im Zylinder.

  • Im dritten Takt (Arbeitstakt) wird der Kolben durch den äußeren Luftdruck nach unten bewegt, das Kühlwasser fließt aus dem Zylinder ab.

  • Über den Balancier (großer Querbalken) wird auf der linken Seite eine Wasserpumpe betrieben. Außerdem werden durch ihn die Ventile gesteuert.

Im Gegensatz zu den Entwicklungen von PAPIN funktionierten die Dampfmaschinen von NEWCOMEN tatsächlich. Sie dienten - nach weiteren Verbesserungen - fast ein Jahrhundert lang zum Entwässern von Bergwerken. Der oben beschriebene Ablauf wiederholte sich dabei etwa 10mal in der Minute. Allerdings lag der Wirkungsgrad dieser Maschinen bei knapp 1%, d.h. die NEWCOMEN'sche Dampfmaschine verbrauchte fast ebensoviel Kohle, wie aus der Grube gefördert wurde.

Dampfmaschine von Watt

Die genialen Entwicklungen von WATT

James WATT (1736 - 1819) hatte mit dem Schmiedemeister NEWCOMEN die hervorragenden handwerklichen Fähigkeiten gemein. Bei WATT kam jedoch das ausgeprägte Interesse an der Wissenschaft hinzu, welches ihn auch die theoretischen Hintergründe einer Wärmekraftmaschine durchschauen lies.

Anlässlich eines Reparaturauftrages für eine NEWCOMEN-Maschine erkannte WATT sehr genau deren Schwächen und ging nun zielstrebig an deren Verbesserung. Um den Dampf zu kondensieren musste NEWCOMEN Wasser in den Zylinder einspritzen, was nicht nur eine Kondensation des Dampfes sondern auch eine Abkühlung des gesamten Zylinders bedeutete und mit hohen Energieverlusten verbunden war. Um dies zu vermeiden führte WATT seine wichtigste Neuerung ein, den Kondensator. Damit entfiel das energiezehrende Aufheizen und Abkühlen des Zylinders, da die Kondensation in einem vom Zylinder getrennten, stets gekühlten Gefäß stattfand. Darüber hinaus baute WATT an den Kondensator eine Pumpe, welche die Luft und warmes Wasser (das später wieder dem Kessel zugeführt wurde) aus dem Kondensator absaugte. Auf diese Weise entstand ein Unterdruck im Kondensator, der den Betrieb der Maschine wesentlich verbesserte. Durch eine wärmedämmende Ummantelung des Zylinders wurden weitere Energieverluste vermieden.

 
Situation zu Beginn des Arbeitstaktes

In seinem ersten eigenen Entwurf baute der geniale Tüftler eine sogenannte "einfach wirkende" Maschine. Im Gegensatz zu den atmosphärischen Maschinen wird bei WATT jedoch die Arbeitsverrichtung nicht durch ein Vakuum bedingt, sondern durch den Druckunterschied, der zwischen dem Raum oberhalb und unterhalb des Zylinders herrscht. In der Abbildung ist schematisch die Funktionsweise dieser "einfach wirkenden" Maschine dargestellt. Sie benötigte nur mehr ein Viertel der Kohlenmenge, welche eine NEWCOMEN-Maschine verschlang.

1-3: Einlass- und Auslassventil sind offen, das Ausgleichsventil ist geschlossen. Heißer Dampf strömt vom Kessel, drückt den Kolben nach unten (dies wird durch den Unterdruck im Kondensator noch unterstützt). Der heiße Dampf verrichtet unter allmählicher Abkühlung Arbeit (Arbeitstakt). Der noch vom vorangegangen Takt vorhandene kalte Dampf wird in den Kondensator geschoben.

4-6: Einlass- und Auslassventil sind geschlossen, das Ausgleichsventil ist offen. Es kann ein Druckausgleich zwischen dem Raum oberhalb und unterhalb des Kolbens erfolgen. Der nicht im Gleichgewicht befindliche Balancier zieht den Kolben wieder nach oben.

Aus dem berühmten Dampfmaschinenpatent von James WATT aus dem Jahre 1769 (verkürzte Darstellung)

Allen denjenigen, welchen dieses Schriftstück zu Gesicht gelangt, sende ich, James Watt, aus Glasgow in Schottland, Kaufmann, meinen Gruß [...] Mein Verfahren der Verminderung des Verbrauches an Dampf und, hierdurch bedingt, des Brennstoffes in Feuermaschinen setzt sich aus folgenden Prinzipien zusammen:

  • Erstens, das Dampfgefäß (Zylinder), in welchem die Kräfte des Dampfes zum Antrieb der Maschine Anwendung finden sollen, muss während der ganzen Zeit, wo die Maschine arbeitet, so heiß erhalten werden, als der Dampf bei seinem Eintritte ist, und zwar erstens dadurch, dass man das Gefäß mit einem Mantel aus Holz oder einem anderen die Wärme schlecht leitenden Material umgibt, dass man dasselbe zweitens mit Dampf oder anderweitigen erhitzten Körpern umgibt und dass man drittens darauf achtet, dass weder Wasser noch ein anderer Körper von niedrigerer Wärme als der Dampf in das Gefäß eintritt oder dasselbe berührt (Wärmeisolation).

  • Zweitens muss der Dampf bei solchen Maschinen, welche ganz oder teilweise mit Kondensation arbeiten, in Gefäßen zur Kondensation gebracht werden, welche von den Dampfgefäßen oder -zylindern getrennt sind und nur von Zeit zu Zeit mit diesen in Verbindung stehen. Diese Gefäße nenn ich Kondensatoren, und es sollen dieselben, während die Maschinen arbeiten, durch Anwendung von Wasser oder anderer kalter Körper mindestens so kühl erhalten werden als die die Maschine umgebende Luft (externe Kondensation des Dampfes) .

  • Drittens, sobald die Luft oder andere durch die Kälte des Kondensators nicht kondensierte Dämpfe den Gang der Maschine stören, so sind dieselben mittels Pumpen, welche durch die Maschine selbst betrieben werden, oder auf andere Weise aus den Dampfgefäßen zu entfernen . . . (Erzeugung von Unterdruck im Kondensator).

Prinzipieller Aufbau der zweifach wirkenden Dampfmaschine

Aufgrund ihrer Konstruktion kam die "einfach wirkende" Dampfmaschine fast ausschließlich als Pumpenantrieb zum Einsatz. Mit der zunehmenden Industrialisierung war man jedoch an einer universell einsetzbaren, gleichmäßig laufenden Betriebsmaschine interessiert. Diese Forderung erfüllt WATT indem er bei der "zweifach wirkende" Maschine die Räume über und unter dem Kolben abwechselnd mit dem Kondensator verbindet. So kann er beide Kolbenbewegungen als Arbeitshübe nutzen. Ein Gewicht zum Hochziehen des Kolbens ist nicht mehr nötig, der Balancier konnte bei Fortentwicklungen entfallen. Während WATT noch mit relativ niedrigem Dampfdruck arbeitete, setzte man sogenannte Hochdruckdampfmaschinen ein, die eine höhere Leistung bei kleinerer Bauweise erzielten.

Dampfturbine

Der Wirkungsgrad der Dampfmaschine von Watt bzw. deren Weiterentwicklungen kam nicht wesentlich über 10% hinaus. Die erste praktikable Dampfturbine, die von dem Schweden Carl Gustaf Patrik de Laval (1845-1913) im Jahr 1888 gebaut wurde, hatte bereits einen Wirkungsgrad von fast 30%. Moderne Hochdruckdampfturbinen erreichen Wirkungsgrade nahe 50%. Ein Grund für den höheren Wirkungsgrad der Turbine ist, dass nicht - wie bei der Dampfmaschine - durch einen komplizierten Mechanismus die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden muss.

Funktionsprinzip der ersten Dampfturbinen

Das Grundprinzip der Dampfturbine ist vergleichbar mit dem eines Wasserrads. Der erhitzte Dampf strömt aus dem Dampfkessel durch eine Düse, die sogenannte Laval-Düse. Dabei erhöht sich die kinetische Energie der Dampfteilchen erheblich. Die Dampfteilchen strömen tangential auf die Schaufeln der Turbine und versetzen diese in Rotationsbewegung. Die Dampfturbine von Laval lief mit ca. 30000 Umdrehungen/Minute.

Quelle: By Andy Dingley (scanner) [Public domain], via Wikimedia Commons

Die Dampfzufuhr bei der Laval-Turbine erfolgte über vier Düsen. Die Originalapparatur dieser Turbine steht im Deutschen Museum, München. Die Dampfturbine von Laval lief mit ca. 30000 Umdrehungen/Minute, ihre Leistung lag im niederen kW-Bereich.

Moderne Dampfturbinen

Meist sitzen bei modernen Dampfturbinen zur Erhöhung der Leistung mehrere Schaufelräder auf einer Achse. Da der einströmende Dampf durch ein rotierendes Schaufelrad abgelenkt wird, führt man ihn vor dem Auftreffen auf das nächste Schaufelrad durch ein feststehendes Leitrad, das dafür sorgt, dass der Auftreffwinkel des Dampfes auf das nächste Schaufelrad wieder optimal ist (vgl. hierzu nebenstehende Animation).

Quelle: Parsons Dampfturbinen-Animation erstellt durch "start your engines!"

Bei jedem Auftreffen auf ein Schaufelrad wird innere Energie des Dampfes in kinetische Energie des Schaufelrades umgewandelt. Dabei verringern sich die Temperatur und der Druck des Dampfes. Als Folge davon nimmt das Dampfvolumen zu. Um die Energie des "geschwächten" Dampfes noch optimal ausnutzen zu können, gestaltet man die Schaufeln für den Dampf niedrigeren Druckes größer (allerdings sind der Schaufellänge wegen der bei den hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräfte Grenzen gesetzt). Nebenstehendes Bild zeigt die Montage des "Läufers" einer Dampfturbine.

In modernen Dampfturbinen-Kraftwerken zur Elektrizitätserzeugung werden große, mehrstufige Dampfturbinen eingesetzt. Der heiße Dampf im Dampferzeuger kann durch die Verfeuerung fossiler Brennstoffe (z.B. Kohle, Erdöl) oder z.B. durch einen Kernreaktor gewonnen werden. Zunächst gelangt der sehr heiße Dampf in die Hochdruckturbine und treibt diese an. Beim Verlassen der Hochdruckturbine haben sich der Druck und die Temperatur des Dampfes verringert (man sagt der Dampf "entspannt" sich). Er wird anschließend z.B. in eine Mitteldruckturbine geleitet, entspannt sich dabei weiter und schließlich treibt man noch eine Niederdruckturbine mit dem Dampf an. Alle Turbinen sitzen - ebenso wie ein großer Generator zur Elektrizitätserzeugung - auf der gleichen Achse. Im Kondensator wird der Dampf abgekühlt und zu Wasser. Mit der Speisewasserpumpe wird das kondensierte Wasser wieder in den Verdampfer gepumpt. Die Abkühlung im Kondensor geschieht durch ein Rohrsystem durch das kaltes Wasser von einem Fluss oder abgekühltes Wasser von einem Kühlturm mit der Kühlwasserpumpe geleitet wird. Im Dampfturbinen-Kraftwerk gibt es also zwei Kreisläufe: Den Dampfkreislauf und den Kühlwasserkreislauf.

Moderne Dampfturbinenanlagen können Leistungen um die 1000MW erbringen. Hier einige Daten der Dampfturbogruppen im Braunkohlekraftwerk Lippendorf:

An den Generator abgegebene Leistung
933 MW
Frischdampfmenge
672kg/s
Frischdampfdruck
260bar
Frischdampftemperatur
550°C

 

Für die Energieversorgung im Zeitalter der "Energiewende" sind Kraftwerke gefragt, die bei momentan fehlender Wind- und Solarenergie schnell in Betrieb gehen können. Hier wurden in jüngerer Zeit sogenannte GuD-Kraftwerke (Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke) entwickelt. Bei diesen Kraftwerkstypen lassen sich elektrische Wirkungsgrade in der Gegend von 60% erzielen.

Hinweis

Für handwerklich Begabte gibt es auf der Seite "Energie macht Schule" einen Vorschlag zum Selbstbau eines Dampfturbinen-Modells.

Zweitakt Ottomotor

Für kleinere Maschinen werden häufig auch Ottomotoren genutzt, die nach dem Zweitakt-Prinzip arbeiten. Solche Motoren sind kleiner, leichter und billiger. Jedoch ist ihr Wirkungsgrad geringer und die Abgaswerte meist höher.

Die zwei Takte

Animation eines Zweitakt Ottomotors

Im Zweitakt-Ottomotor findet nur eine Hub- und eine Senkbewegung des Kolbens statt, bevor sich die Prozesse wiederholen. Jedoch finden auch hier alle vier Schritte des Viertakt-Prinzips Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Auspuffen statt. Jedoch finden immer zwei Schritte gleichzeitig statt - einer oberhalb des Kolbens und einer unterhalb des Kolbens.

  • 1. Takt (Verdichten + Ansaugen)
    Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet dabei oberhalb das Benzin-Luftgemisch.
    Durch die Bewegung des Kolbens nach oben wird durch das Kurbelgehäuse frisches Benzin-Luft Gemisch angesaugt.
    Der sich nach oben bewegende Kolben verdichtet bei geschlossenen Ventilen den Brennstoff und erwärmt ihn hierbei.
  • 2. Takt (Arbeiten + Auspuffen/Vorverdichten)
    Nun wird das Benzin-Luft-Gemisch oberhalb des Kolbens gezündet. Dadurch wird der Kolben nach unten gedrückt und Arbeit an der Kurbelwelle verrichtet.
    Durch den sich nach unten bewegenden Kolben wird das Benzin-Luft-Gemisch unterhalb des Kolbens leicht vorverdichtet. Ist der Kolben weit genug nach unten gelang, so kann das verdichtete Benzin-Luft-Gemisch durch den Überströmkanal nach oben in die Brennkammer strömen. Dabei stößt es den Abgase durch den Auslasskanal aus.

Ein Video mit weiteren Erläuterung, Erklärungen und Darstellungen unterschiedlicher Bauweisen findest du hier.

Dieselmotor

Insbesondere in Deutschland und Europa sind Dieselmotoren weit verbreitet. Auch Dieselmotoren arbeiten in der Regel nach einem Viertakt-Prinzip, das sich nur gering von dem des Ottomotors unterscheidet. Wesentlicher Unterschied ist, dass Dieselmotoren sog. Selbstzünder-Motoren sind. Sie benötigen im Betrieb keine Zündkerze, um das Diesel-Luft-Gemisch zu zünden. Das Gemisch entzündet sich von selbst, da es beim Komprimieren ausreichend stark erhitzt wird (ca. \(700\,-\,900\,^{\circ}\rm C\) ).

Die vier Takte

Animation eines 4-Takt Dieselmotors
  1. Ansaugtakt
    Ansaugen von reiner Luft durch das Einlassventil bei geschlossenem Auslassventil. Der Kolben bewegt sich nach unten.
  2. Verdichtungstakt
    Der sich nach oben bewegende Kolben verdichtet bei geschlossenen Ventilen die Luft und erwärmt sie hierbei.
  3. Arbeitstakt
    Beide Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung wird Dieselbrennstoff fein zerstäubt in den Brennraum eingespritzt. Das Diesel-Luft-Gemisch entzündet sich sofort selbst. Durch die explosionsartige Verbrennung wird der Kolben nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet.
  4. Auspufftakt
    Das Auslassventil wird geöffnet und die verbrannten Abgase werden durch den sich nach oben bewegenden Kolben ausgestoßen.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors liegt mit \(\eta\approx 40-45\,\%\) leicht über dem Wirkungsgrad eines Benzinmotors. Aber auch beim Dieselmotor sinkt der effektive Wirkungsgrad im Stadtverkehr schnell auf unter \(10\,\%\).

Im Deutschen Museum in München kann man eine Reihe historischer Dieselmotoren betrachten. Auch der erste von Diesel entwickelte Motor ist zu sehen. Eine Video, welches die Funktionsweise und auch Unterschiede zum Benzinmotor erklärt, findest du hier

Aufgabe

Notiere die wesentlichen Unterschiede in der Funktionsweise zwischen einem Viertakt-Benzinmotor und einem Viertakt-Dieselmotor.

Lösung

Der Viertakt-Benzinmotor saugt ein Gemisch aus Benzin und Luft an, welches nach der Kompression durch den Kolben von einem Zündfunken der Zündkerze zur Explosion gebracht wird. Der Viertakt-Dieselmotor saugt hingegen reine Luft an. Diese Luft wird dann durch das Verdichten stark erhitzt. In die erhitzte Luft wird fein verteilt Diesel eingesprüht. Aufgrund der hohen Temperatur entzündet sich das Diesel-Luft-Gemisch sofort. Hierzu ist keine Zündkerze notwendig.

Vergleich Ottomotor Dieselmotor

 

Ottomotor

Dieselmotor

 
  • Ansaugen des Benzin-Luftgemisches
  • Menge je nach gewünschter Leistung
  • Äußere Gemischbildung (z.B. Vergaser1)
  • Ansaugen der Luft
  • Menge unabhängig von der Leistung
  • Verdichten des Gemisches ca. 1:10
  • Druck im Motor ca. 8-18 bar
  • Temperatur 400°C-600°C
  • Verdichten der Luft auf ca. 1:18
  • Einspritzen des Dieselkraftstoffes
  • Druck im Motor ca. 30-50 bar
  • Temperatur 700°C-900°C
  • Beginn der Verbrennung durch Funke der Zündkerze
  • Höchstdruck 35-60 bar
  • Verbrennungstemperatur ca.2000°C
  • Abschluss der Verbrennung durch Expansion (Arbeitstakt)
  • Selbstentzündung des Dieselkraftstoffes da hohe Temperatur im Kolben
  • Verbrennungshöchstdruck 60-90 bar
  • Verbrennungstemperatur ca.2000°C
  • Abschluss der Verbrennung durch Expansion (Arbeitstakt)
  • Auspuffen der Abgase
  • Abgastemperatur ca. 800°C bei Leerlauf; ca. 900°C bei Volllast
  • Verlust ca. 36% der chemischen Energie des Kraftstoffes
  • CO2-Ausstoß etwa 10-15%  höher als beim Diesel
  • Stickoxide (NOx)
  • Ausstoß feiner Rußpartikel (insb. Direkteinspritzer)
  • Abgasnachbehandlung zum Umweltschutz notwendig
  • Auspuffen der Abgase
  • Abgastemperatur ca. 250°C bei Leerlauf; ca. 500°C bei Volllast
  • Verlust ca. 28% der chemischen Energie des Kraftstoffes
  • CO2-Ausstoß etwa 10-15%  niedriger als beim Benziner
  • besonders viele Stickoxide (NOx)
  • Ausstoß feiner Rußpartikel (Krebsverdacht)
  • Abgasnachbehandlung zum Umweltschutz notwendig

 

 
  • Nutzwirkungsgrad ca. 25%
  • Nutzwirkungsgrad ca. 33%
 
 
 
 
  • Hohe Laufruhe
  • Geringeres Gewicht (ca. 2 - 5 kg/kW beim Motor)
  • Geringere Laufruhe (insbesondere im Leerlauf und beim Kaltstart)
  • Höheres Gewicht (ca. 5 - 6 kg/kW beim Motor)
 

1Ein Vergaser dient - ähnlich wie eine Einspritzanlage - dazu, einem Benzinmotor in allen Lastzuständen das richtige Kraftstoff-Luftgemisch zuzuführen. Dabei wird eine brennbare Flüssigkeit verdampft ('vergast') bzw. in den Ansaugkanal oder den Brennraum selbst eingespritzt (Einspritzanlage) und mit einer exakt abgestimmten Menge Umgebungsluft gemischt um ein optimal zündfähiges Gemisch zu erhalten.

 

Vorteile des Dieselmotors:
Das wichtigste Argument für den Dieselmotor ist der geringere Kraftstoffverbrauch. Der Verbrauch konnte durch die Einführung der Direkteinspritzung noch einmal deutlich reduziert werden. Ein weiteres Argument für den Dieselmotor ist das große Drehmoment besonders im meist genutzten unteren Drehzahlbereich. Zum starken Beschleunigen aus tiefen Drehzahlen muss nicht mehr unbedingt zurückgeschaltet werden.

Vorteile des Benzinmotors:
Für den Benzinmotor spricht das geringe Leistungsgewicht (kg/kW) und vor allem der größere nutzbare Drehzahlbereich. Sportlicheres Fahren (z.B. bei Motorrädern) ist wohl eher mit Benzinmotoren möglich. In der Regel sind Benzinmotoren billiger als Dieselmotoren, so dass der Vorteil des geringeren Verbrauchs beim Dieselmotor erst für "Vielfahrer" wirksam wird.

Abgasbelastung

Die Abgasbelastung durch die beiden Motortypen ist unterschiedlich: Salopp könnte man sagen: "Der Bezinmotor bedroht das Klima durch den hohen CO2 Ausstoß besonders stark, der Dieselmotor die Lungen durch den Außstoß von Rußpartikel (Feinstaub) und Stickoxide." Aktuelle Entwicklungen führen hier jedoch zu Verschiebungen. So sind moderne Bezin-Direkteinspritzmotoren häufig ebenfalls sehr sparsam, was den CO2 Nachteil reduziert. Gleichzeitig stoßen solche Modelle jedoch mehr Rußpartikel (Freinstaub) und mehr Stickoxide aus. Rußpartikel-Filter sind bei den modernen Dieselmotoren inzwischen Standard, jedoch führt der hohe Stickoxid-Ausstoß aktuell zu Problemen und Diskussionen über Fahrverbote.

Kreiskolbenmotor von Wankel

Der Kreiskolbenmotor

Der Drehkolbenmotor
© Der Wankelmotor

Beim Hubkolbenmotor werden viele Teile (z.B. Kolben, Pleuelstange, Ventile, Ventilstangen) in kurzer Folge immens beschleunigt und wieder abgebremst. Durch die entstehenden Beschleunigungskräfte ergeben sich Grenzen, die die Drehzahl des Motors einschränken. Diesen Mangel versuchte man zu beheben, indem man die Kraft nicht auf ein schwingendes, sondern auf ein drehendes System wirken lässt.

Bereits 1636 hat der Deutsche Pappenheim eine Drehkolbenpumpe entworfen, die etwa 150 Jahre später in Watts Dampfmaschinen erstmals zur praktischen Anwendung kam, ihre Probleme aber immer bei der Dichtung hatte.

Felix Wankel (1902 - 1988) brachte die Wende. Er beschäftigte sich ab 1924 mit den Drehkolbenmaschinen. Ihm gelang es schließlich, die schwersten Dichtungsprobleme zu lösen und auch die Frage der besten Form zu beantworten. Die Firma NSU setzte sich am meisten für Wankels Motor ein, und 1967 wurde der erste Serienwagen, NSU Ro 80, produziert.

Wie der Wankelmotor funktioniert zeigen die beiden Animation von "Der Wankelmotor.de".

Hier finden ihr den Viertakt-Ottomotor, den Zweitakt-Ottomotor, den Dieselmotor und die Wirkungsweise von Vier Zylindern auf die Kurbelwelle aber auch die Dampfmaschine.

Aufgabe

Überprüfe an Hand der Animation, wie im Wankelmotor die vier Takte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen stattfinden. Wenn Du besonders fleißig bist, kannst Du auch entsprechende Zeichnungen dazu fertigen.

Heizwert

Für den Betrieb der sogenannten Wärmekraftmaschinen wird stets ein Brennstoff benötigt. Bei der Verbrennung findet eine chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff der Luft statt, dabei entstehen die Gase Kohlendioxid und Wasserdampf. Die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in eine Sonderform der inneren Energie.

Die bei einer Verbrennung freiwerdende Energie hängt von der Masse des verbrannten Stoffes und der Art des Stoffes ab. Zur Charakterisierung eines Brennstoffes hat man den Begriff Heizwert eingeführt. Der Heizwert H ist der Quotient aus der (bei vollständiger Verbrennung eines Stoffes) freiwerdenden Energie \(\Delta E\) und der Masse \(\Delta m\) des Brennstoffes.

\[ H = \frac{\Delta E}{\Delta m} \quad \text{mit} \quad \left[ H \right] = \mathrm{\frac{kJ}{g}} \]

In der folgenden Tabelle sind die Heizwerte gängiger Brennstoffe sowie deren Dichten angegeben.

Stoff
Heizwert in kJ/g
Dichte in g/cm3
Steinkohle
30
0,80*
Braunkohle
20
0,75*
Holzkohle
31
0,35*
Holz trocken
15
0,50
Esbit
28
1,25
     
Spiritus
26
0,80
Heizöl
43
0,83
Benzin
41
0,75
Diesel
43
0,83
     
Erdgas
44
0,00080
Propangas
46
0,0020
Wasserstoff
120
0,00009

* bedeutet im geschütteten Zustand

Wie wird der Heizwert bestimmt?
Der Heizwert ist eine theoretische Größe, die nicht direkt experimentell bestimmt werden kann, da hier angenommen wird, dass nur gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen. Experimentell bestimmt man den sog. Brennwert eines Stoffes. Die Brennstoffprobe wird in einem geschlossenen Gefäß in einer reinen Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck von 30 bar verbrannt. Aus der Temperaturerhöhung des Systems, dem Gewicht der Probe und der Wärmekapazität des Kalorimetersystems lässt sich der Brennwert errechnen. Man bezeichnet diese Art von Kalorimeter auch Bombenkalorimeter. Der Brennwert liegt meist etwa 10% über dem Heizwert eines Stoffes.

prinzipieller Aufbau

modernes

Bombenkalorimeter

 

Auch die vom Menschen aufgenommene Nahrung wird im Körper verbrannt. Allerdings spricht man nicht vom Heizwert der Nahrung sondern vom Nährwert.

 

Stoff
Nährwert
in kJ/100g
Apfel
210
Weintrauben
310
Kabeljau
325
Kartoffeln
360
Joghurt
700
Ei
900
Pommes frites
1000
Marmelade
1000
Rindfleisch
1000
Mischbrot
1000
Schinken gekocht
1170
Semmel
1180
Camembert (45%)
1250
Stoff
Nährwert
in kJ/100g
Teigwaren
1630
Bockwurst
1630
Salzstangen
1525
Sachertorte
1800
Kartoffelchips
2136
Schokolade
2300
Butter
3160
 
 
Wasser
- - -
Buttermilch
145
Orangensaft
200
Bier
200
Milch (3,5%)
270
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