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Mit der Industrialisierung erlebte die Menschheit Fortschritte in nahezu jedem Lebensbereich. Viele Erfindungen der damaligen Zeit sind mittlerweile nicht mehr aus unserem Leben wegzudenken – hauptsächlich Motoren.Egal, ob im Bus, der Bahn oder im Auto – Motoren sorgen für Mobilität und ermöglichen uns eine angenehme und mühelose Art der Fortbewegung. Dabei gibt es je nach Einsatzzweck unterschiedliche Bauarten. Der größte…
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Jetzt kostenlos anmeldenMit der Industrialisierung erlebte die Menschheit Fortschritte in nahezu jedem Lebensbereich. Viele Erfindungen der damaligen Zeit sind mittlerweile nicht mehr aus unserem Leben wegzudenken – hauptsächlich Motoren.
Egal, ob im Bus, der Bahn oder im Auto – Motoren sorgen für Mobilität und ermöglichen uns eine angenehme und mühelose Art der Fortbewegung. Dabei gibt es je nach Einsatzzweck unterschiedliche Bauarten. Der größte Teil unserer Autos wird aktuell noch durch den Ottomotor angetrieben.
Der Dieselmotor wird – wie der Name schon sagt – mit Diesel betrieben und kann wegen seiner Bauweise mehr Kraft aufwenden. Deswegen wird er oft in schweren Maschinen sowie LKWs oder Traktoren verbaut. Die meisten Ottomotoren hingegen werden mit Benzin betrieben. Deswegen kennst Du den Ottomotor vermutlich eher als Benzin-Motor.
Motorenbenzin – oder einfach Benzin – ist eine leicht flüchtige und extrem entzündbare Flüssigkeit, die aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Verbindungen besteht. Diese Kohlenwasserstoffe werden aus Erdöl gewonnen.
Kohlenwasserstoffe sind Moleküle, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind. Im Benzin sind etwa 150 unterschiedliche Kohlenwasserstoffe enthalten, die jeweils 5 bis 10 Kohlenstoffatome pro Molekül besitzen.
Um den Ottomotor anzutreiben, wird der Kraftstoff mit Luft vermengt und anschließend gezündet. Deswegen solltest Du keinen Diesel in ein Benzin-betriebenes Auto tanken (und umgekehrt), denn diese Zündung funktioniert nur mit Benzin. Diesel besteht wiederum aus schwereren und größeren Kohlenwasserstoff-Verbindungen, die erst bei höheren Temperaturen verbrannt werden können.
Auch Flüssiggas ist leicht brennbar – deswegen lässt sich der Ottomotor auch mit Flüssiggas betreiben.
Flüssiggas dient nicht nur als Kraftstoff für Autos, sondern auch als Campinggas oder Feuerzeuggas. Dabei kann es entweder als Gemisch oder als eine reine Verbindung vorliegen.
Als Flüssiggas werden Kohlenwasserstoff-Verbindungen verwendet, die aus 3–4 Kohlenstoffatomen bestehen. Diese lassen sich leicht verflüssigen, sind im gasförmigen Zustand leicht brennbar und bilden mit Luft explosive Gemische.
In Ottomotoren wird dabei ein Gemisch aus Propan (\(\ce{C_3H_8}\)) und Butan (\(\ce{C_4H_{10}}\)) eingesetzt. Der Vorteil davon besteht darin, dass es umweltfreundlicher verbrennt als Benzin. Beispielsweise werden dabei weniger Stickoxide und \(\ce{CO_2}\) ausgestoßen.
Allerdings kannst Du Flüssiggas nicht ohne Weiteres in einen Benzin-Motor tanken. Dieser müsste zunächst umgerüstet werden.
Beim Umbau bleibt der Benzintank erhalten und der Motor kann mit beiden Kraftstoffen betrieben werden.
Aber wie ist ein Ottomotor überhaupt aufgebaut und was genau passiert dort mit dem Kraftstoff?
Der Ottomotor wurde von Nikolas August Otto erfunden – in Anlehnung an den Gasmotor von Étienne Lenoir. Die Entwicklung erstreckte sich dabei über mehrere Jahre: So wurde im Jahr 1876 eine interne Zündung und 1884 flüssiger Kraftstoff (Benzin) etabliert.
Der Aufbau eines Ottomotors besteht aus einem Zylinder, in dem ein beweglicher Kolben gelagert ist.
Im Viertakt-Ottomotor befindet sich am Zylinder außerdem jeweils ein Einlass- und Auslassventil. Über das Einlassventil kann das – zuvor gebildete – Benzin-Luft-Gemisch in den Zylinder eintreten. Über das Auslassventil hingegen werden die bei der Verbrennung entstehenden Gase ausgestoßen. Die Verbrennung an sich findet im Brennraum statt und wird durch einen Funken der Zündkerze ausgelöst. Durch Verbrennung wird Wärmeenergie freigesetzt, die nun in mechanische Energie umgewandelt werden soll.
Diese Aufgabe übernimmt die Kurbelwelle: Die Bewegung des Kolbens wird über die Pleuelstange an die Kurbelwelle weitergeleitet. Dabei wird die Auf- und Ab-Bewegung in Rotation umgewandelt. Diese kinetische Energie wird zunächst in der Schwungscheibe gespeichert und anschließend auf die Reifen übertragen. Alle beweglichen Teile werden durch das Motoröl in einer Ölwanne geschmiert.
In den meisten Autos ist ein Viertaktmotor verbaut. Dieser arbeitet in vier Schritten – den sogenannten Takten.
Während dieser vier Schritte dreht sich die Kurbelwelle insgesamt zweimal. Dabei laufen im Einzelnen folgende Prozesse ab:
Im Ansaugtakt ist das Einlassventil offen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt in den Zylinder. Dabei bewegt sich der Kolben nach unten.
Im Verdichtungstakt wird der Kolben von der Kurbelwelle nach oben gedrückt. Bei geschlossenen Ventilen wird das Gemisch komprimiert, wodurch es sich erhitzt.
Im Arbeitstakt wird der Kraftstoff verbrannt. Dies geschieht bei geschlossenen Ventilen: Sobald die Zündung betätigt wird, wird das Gemisch durch einen Funken der Zündkerze entzündet. Dabei steigt die Temperatur – und entsprechend der Druck – stark an. Durch den Druckanstieg wird der Kolben nach unten gedrückt und das Gasgemisch kühlt wieder ab.
Im Ausstoßtakt werden die Abgase durch das Auslassventil ausgestoßen. Durch die Druckabnahme kann sich der Kolben wieder nach oben bewegen.
Diese Schritte werden dabei immer wieder von vorn durchlaufen.
Das Zusammenspiel von Druck, Temperatur und Volumen wird dabei in den Gasgesetzen zusammengefasst. Näheres dazu erfährst Du im Gesetz von Gay Lussac, Gesetz von Boyle Mariotte und im Gesetz von Amontons.
Auch wenn Viertaktmotoren heutzutage in den meisten Autos verbaut werden, ist es nicht die einzige Bauart, die in motorisierten Fahrzeugen und Maschinen eingesetzt wird.
Der Zweitaktmotor wurde 1878 von Dugald Clerk erfunden und bis in die 1960-er Jahre in kleineren Automodellen verbaut. Auch in Kleinkrafträdern wie Motorrollern oder Motorrädern wurden Zweitaktmotoren zwischen den 1990ern und 2000ern durch Viertaktmotoren ersetzt. Heutzutage werden Zweitaktmotoren in Maschinen verbaut, die eine hohe Leistung bei geringem Gewicht erfordern. Dazu zählen etwa Motorsägen, Laubbläser oder Motorboote.
Zweitaktmotoren haben nämlich einen einfacheren Aufbau als Viertaktmotoren, wodurch auch das Gewicht des Motors verringert wird. Beispielsweise haben Zweitaktmotoren – im Gegensatz zu Viertaktmotoren – keine Ventile. Stattdessen haben sie einen Einlass- und einen Auslassschlitz, durch die das Zündgemisch eingesaugt und die Abgase ausgestoßen werden.
Zweitaktmotoren arbeiten in zwei Schritten.
Da diese Schritte immer wieder durchlaufen werden, wird der erste Takt unmittelbar nach dem zweiten Takt ausgeführt. Entsprechend ist der Zylinder im ersten Takt nicht leer – dies ist wichtig für die Zündung.
Der erste Takt besteht aus der Ansaug- und Verdichtungsphase. Dabei bewegt sich der Kolben nach oben und erzeugt einen Unterdruck im Kurbelgehäuse. Dies führt dazu, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch ins Kurbelgehäuse gesaugt wird. Der Auslassschlitz und der Überlaufkanal werden dabei verschlossen. Durch die Kolbenbewegung wird das Gemisch oberhalb des Kolbens komprimiert und seine Temperatur steigt.
Im zweiten Takt – der sogenannten Expansions- und Ausstoßphase – wird das Gemisch oberhalb des Kolbens durch einen Funken aus der Zündkerze gezündet. Bei der Verbrennung dehnt sich das Gas aus und der Kolben wird nach unten gedrückt. Dabei wird der Einlassschlitz verschlossen, während der Auslassschlitz so wie der Überlaufkanal wieder geöffnet werden. Das Gemisch im Kurbelgehäuse wird durch den Überlaufkanal gedrückt, wo es die verbrannten Abgase verdrängt.
Damit der Kolben reibungsfrei bewegt werden kann, wird neben Treibstoff auch immer wieder Motoröl angesaugt. Da Öl – im Gegensatz zu Benzin – nicht verdampft, setzt es sich am Kurbelgehäuse ab und schmiert damit die beweglichen Teile.
Insgesamt sind im Zweitaktmotor weniger bewegliche Teile. Damit ist dieser nicht nur leichter, sondern auch günstiger und einfacher zu warten. Doch welche Vor- und Nachteile bieten die einzelnen Bauarten noch?
Neben dem einfachen Aufbau und den damit verbundenen geringen Wartungskosten bietet der Zweitakter noch zahlreiche andere Vorteile: Wegen seiner Funktionsweise verrichtet der Zweitaktmotor beispielsweise bei jedem zweiten Takt Arbeit – dies ist doppelt so viel wie bei einem Viertaktmotor, der nur bei jedem vierten Takt Arbeit verrichtet. Damit ist die Leistung vom Zweitaktmotor unter gleichen Bedingungen höher. Außerdem sind die Anschaffungskosten für einen Zweitaktmotor deutlich geringer.
Allerdings ist der Viertaktmotor viel langlebiger und sparsamer: Hier wird nämlich nur das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbraucht. Im Gegensatz dazu wird im Zweitaktmotor deutlich mehr Öl verbraucht, was dann immer wieder nachgefüllt werden muss. Damit sind höhere laufende Kosten verbunden. Zudem wird teilweise auch Öl mit den Abgasen ausgestoßen, sodass der Zweitaktmotor nicht so sauber ist wie der Viertakter.
Eine ausführliche Gegenüberstellung vom Zweitakt- und der Viertaktmotor findest Du in der folgenden Tabelle:
Zweitakter | Viertakter | ||
Wartung | Kosten | ✔ | ✖ |
Einfachheit | ✔ | ✖ | |
Langlebigkeit | ✖ | ✔ | |
Preis | Anschaffungspreis | ✔ | ✖ |
Laufende Kosten | ✖ | ✔ | |
Leistung | (bei gleichem Hubraum) | ✔ | ✖ |
Umwelt | Kraftstoffverbrauch | ✖ | ✔ |
Sauberkeit der Abgase | ✖ | ✔ |
Wie Du erkennen kannst, gibt es dabei keinen klaren Gewinner: Unter den Ottomotoren haben sowohl der Zweitaktmotor als auch der Viertaktmotor Vor- und Nachteile, die zu unterschiedlichen Einsatzzwecken genutzt werden können. Doch wie effizient ist der Ottomotor im Allgemeinen und lohnt es sich noch, diese Technik in Zukunft zu nutzen?
Hast Du schon mal den Begriff „Verbrennungsmotor“ gehört? Damit sind Motoren gemeint, die Kraftstoff verbrennen und die daraus freigesetzte Energie nutzen, um Arbeit zu verrichten.
Im Gegensatz dazu gibt es auch Elektromotoren, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln. Eine ausführliche Erklärung dazu findest Du unter „Elektromotor“.
Damit zählen Verbrennungsmotoren zu Wärmekraftmaschinen.
Wärmekraftmaschinen wandeln Wärme in mechanische Energie bzw. Arbeit um.
Du interessierst Dich für Wärmekraftmaschinen? Dann schau doch in der entsprechenden Erklärung vorbei!
Während alle Verbrennungsmotoren Wärmekraftmaschinen sind, sind nicht alle Wärmekraftmaschinen Verbrennungsmotoren – denn nicht immer findet die Verbrennung im Inneren eines Motors statt.
Beispielsweise wird die Dampfmaschine durch Wasserdampf betrieben, der außerhalb des Motors erzeugt wird. Das Gas im Stirlingmotor wird ebenfalls von außen beheizt. Zu Verbrennungsmotoren zählen wiederum der Diesel- und der Ottomotor.
Von Effizienz hast Du bestimmt schon mal gehört: Oft ist nämlich die Rede davon, welche Energieform effizienter ist und auch Elektrogeräten wird mittlerweile eine Effizienzklasse zugeordnet.
Die Effizienz einer Maschine wird durch ihren Wirkungsgrad \(\eta\) bestimmt. Dieser entspricht dem Verhältnis von Nutzen zu Aufwand und kann aus den jeweiligen Energien (\(E\)), Leistung (\(P\)) oder Arbeit (\(W\)) berechnet werden:
Das Symbol \(\eta\) entspringt dem griechischen Alphabet und wird als 'eta' gelesen. Eine ausführliche Erklärung dazu findest Du bei „Wirkungsgrad“.
In einem idealen Prozess wird die gesamte aufgewendete Energie umgesetzt. Damit ist der ideale Wirkungsgrad \(\eta=1\). Ein höherer Wirkungsgrad kann nicht erreicht werden, da Du nach dem Energieerhaltungssatz keine Energie aus dem Nichts erzeugen kannst. Im Realfall ist der Wirkungsgrad also immer \(\eta<1\).
Je höher der Wirkungsgrad allerdings ist, desto mehr Nutzen erbringt der eingebrachte Aufwand. Ein kleinerer Wirkungsgrad bedeutet wiederum, dass mehr Energie im Prozess „verloren“ geht.
Keine Sorge, die Energie geht hier nicht wirklich verloren – denn dies würde den Energieerhaltungssatz verletzen. Vielmehr wird Energie in andere für den Prozess nicht nutzbare Formen, wie Wärme, umgewandelt und an die Umgebung abgegeben.
Hier findest Du die typischen Wirkungsgrade unterschiedlicher Motoren, die aktuell in Autos verbaut werden:
Typ | Wirkungsgrad |
Ottomotor | \(\eta=0,3=30\%\) |
Dieselmotor | \(\eta=0,4=40\%\) |
Elektromotor | \(\eta=0,8=80\%\) |
Dabei kannst Du erkennen, dass der Ottomotor mit nur 30% etwas ineffizienter ist als der Dieselmotor. Als Gewinner geht jedoch der Elektromotor hervor – mit einem erstaunlichen Wirkungsgrad von 80%. Doch trotz der vielversprechenden Effizienz lässt der Durchbruch in der Elektromobilität vermutlich noch einige Jahre auf sich warten.
Dies liegt unter anderem daran, dass zunächst die nötige Infrastruktur geschaffen werden muss: Würde jeder ein Elektroauto besitzen, so müssten Garagen und Stellplätze mit entsprechenden Ladestationen ausgestattet werden. Außerdem werden auch im öffentlichen Raum – an Autobahnen so wie in den Städten – Ladestationen benötigt, damit Du unbeschwert von A nach B kommen kannst.
Doch bis diese Infrastruktur geschaffen ist, werden uns Verbrennermotoren weiterhin begleiten und unter diesen ist der Ottomotor am beliebtesten.
Die Takte eines Viertaktmotors sind: Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen.
Der Viertaktottomotor arbeitet in vier Schritten – den sogenannten Takten, die sich wiederholen: Im Ansaugtakt wird dabei das Luft-Kraftstoffgemisch in den Zylinder gelassen. Im Verdichtungstakt wird dieses verdichtet und im Arbeitstakt verbrannt. Anschließend werden im Ausstoßtakt die Abgase ausgestoßen.
Durch den Einlassschlitz wird Luft angesaugt, die anschließend verdichtet wird. Gleichzeitig werden durch den Auslassschlitz die Abgase ausgestoßen.
Im Verdichtungsprozess steigt die Lufttemperatur stark an. Wenn dann der Kraftstoff eingespritzt wird, reicht die Lufttemperatur aus, um diesen zu zünden. Der Kraftstoff entzündet sich also von selbst und bewegt den Kolben.
Der Zweitaktmotor arbeitet in zwei Schritten, der Viertaktmotor in vier. Dementsprechend ist ein Viertaktmotor komplexer aufgebaut und aufwändiger in der Wartung. Der Zweitaktmotor hat wiederum weniger Gewicht und eignet sich somit für leichtere Maschinen und Kraftfahrzeuge.
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