ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME Modul Verbrennungsmotor Klassenstufe: 8 Schülerzahl: ca. 20 Stundenzahl: 3 5 Doppelstunden Autoren: Dr. T. Berger, Gymnasium Unterrieden, toberger73@gmail.com; J. Maier, Gymnasium Unterrieden, jkmaier@gmx.de
Verlaufsübersicht Zeit Unterrichtsthema Inhalte Material und Methode 1 2 DS Kolbenbewegung Wie bewegt ein Motor etwas durch Verbrennung? 1. Wärmeausdehnung von Gas bewegt Kolben 2. Vollständige Verbrennung 1 DS Pleuel Umsetzung der Kolbenbewegung in Drehbewegung durch Pleuel Lehrerversuch/Stationen: Kolbenversuch Schülerversuch: Popper basteln Lehrerversuch: Benzinverbrennung Pleuel basteln Optional: Fahrrad (bewegte Schule) 1-2 DS Arbeitsspiel beim 4-Takt Ottomotor Wie läuft die Verbrennung und der dazu nötige Gas- und Benzinaustausch in einem Motor ab? Arbeitstakte: 1. Ansaugen (frische Luft und Benzin) 2. Verdichten 3. Zünden/Arbeiten (p~t, Druck drückt Kolben stärker aus dem Zylinder als man ihn beim Verdichten reindrückte) 4. Ausstoßen (heiße, verbrannte Abgase ausstoßen) p-v-diagramme qualitativ nachvollziehen und zuordnen Wirkungsgrad qualitativ anhand einer Energiewandlerkette Schülerversuch: Fahrradpumpe (möglichst jeder Schüler für sich) Quiz: Diagramme zuordnen (möglichst im Computerraum) Bemerkungen: Materialien: Die Unterlagen teilen sich in allgemeine Materialen und Lehrerinformationen. Materialien sind bei den verschiedenen Versuchen aufgelistet, Filmdosen sollte man aber ein paar Wochen vor dem Unterricht vom örtlichen Fotografen sammeln lassen. Literatur/Links: http://www.pollin.de/shop/dt/ntu5ota2otk/bauelemente/mechanisch/sonstige_e_geraete/piezo_zuender.ht ml http://library.thinkquest.org/c006011/german/sites/ottomotor.php3?f=2&b=50&j=1&fl=1&v=2 Seite 2
Unterrichtsthema: Kolbenbewegung 1. Kolbenversuch Material: Hinweise: Schülerfragen: 1 Glasbehälter 1 Schlauchverbindung 1 Kolbenprober 2 Schalen mit heißem und kaltem Wasser Stativständer zum Befestigen des Kolbenprobers Je nach zur Verfügung stehendem Material kann der Versuch als Station mehrfach aufgebaut werden (andere Gruppen können schon z.b. Pleuel bauen) oder vom Lehrer im Unterrichtsgespräch vorgeführt werden. Warum bewegt sich der Kolben, wenn man den Glasbehälter in heißes Wasser taucht? Was macht der Kolben, wenn man ihn abwechselnd in das heiße und das kalte Wasser taucht? Warum hebt sich der Kolben nach einmal Kühlen und wieder Heizen nicht mehr bis zum Anfangspunkt? Was muss man deshalb beim Motorbau beachten? Seite 3
Unterrichtsthema: Kolbenbewegung 2. Popper basteln: Zündung eines Gasgemisches Material: 1 Piezozünder (entweder aus einem Feuerzeug oder von http://www.pollin.de/) 1 Filmdose (am einfachsten ein paar Wochen vor dem Unterrichtsbeginn beim örtlichen Fotografen sammeln lassen) Tiger Reinigungsbenzin Anleitung: Einfach ein Loch in den Boden der Filmdose (oder in den Deckel) schneiden oder mit einem Lötkolben rein brennen. Den Piezozünder mit umgebogenem Zünddraht (siehe Abbildung) mit Heißkleber einkleben. Zum Zünden bieten sich zwei Möglichkeiten an: Entweder man lässt nach Gutdünken aus einem Feuerzeug das Gas in die Filmdose einströmen, schließt den Deckel und zündet dann, oder man nimmt Tiger Reinigungsbenzin. Drei Tropfen ergeben ein optimales Gemisch, schütteln oder durch die Handwärme (oder vorherige Zündungen) vorausgesetzt. Hier am besten die Schüler mit 2-4 Tropfen experimentieren lassen (mageres und fettes Gemisch). Der resultierende Knall ist sehr laut und der Deckel fliegt weit 10m Bindfaden an Deckel und Dose angeklebt helfen den Deckel wieder zu finden. Der Knall kann gemindert werden, indem man z.b. den Deckel durch eine passende Styroporkugel ersetzt. Ausgeschnitten und geklebt. Seite 4
Unterrichtsthema: Kolbenbewegung 3. Benzin verbrennen Material: nicht brennbare Schlage, z.b. Untertasse Benzin (am Besten direkt von der Tankstelle im Kanister) Anleitung: Beim Öffnen des Kanisters auf ei entweichenden Benzindämpfe und die damit verbundene Explosions- und Brandgefahr aufmerksam machen. Etwas Benzin auf die Untertasse gießen und anzünden. Bei weiteren Versuchen Schale/Tasse vorher abkühlen lassen. Die Schüler auf folgende Punkte aufmerksam machen, bzw. nach dem Versuch gezielt abfragen: Ruß über der Flamme Wie lange brennt recht wenig Benzin mit viel Wärmeentwicklung? Rückstände in der Untertasse Anschließender Lehrervortrag: Vollständige Verbrennung bedeutet, dass das Benzin vollständig zu CO und Wasser verbrannt, es bleiben kein Ruß Benzinreste oder CO zurück (Stickoxide am besten gar nicht thematisieren). Seite 5
Unterrichtsthema: Pleuel 1. Pleuel basteln Material (pro Schüler): 1 Schere 3 Musterbeutelklammern Vorlage auf 120g Papier ausdrucken oder auf Karton kleben Locher und Tesafilm Anleitung: Alle teile ausschneiden und ggf. lochen, wie auf den Fotos gezeigt falten und mit den Musterbeutelklammern beweglich zusammensetzen. Die zusammengefaltete Pleuelstange sollte man mit Tesafilm zusammenkleben, damit sie sich beim Drehen des Schwungrades nicht an der Achsenklammer verfängt. Schülerfragen: Was sind die sogenannten Totpunkte? Warum gibt es sie? Was braucht ein Motor, damit er für mehr als eine halbe Umdrehung über die Totpunkte hinwegkommt? Warum baut man einen Motor meist mit mehreren Zylindern? Das fertige Teil zum Überblick. Seite 6
Unterrichtsthema: 4-Takt Ottomotor 1. p~v-diagramm beim 4-Takt Ottomotor Das Verhalten eines Motors wird in einem sogenannten p~v-diagramm dargestellt. Das Volumen V wird nach rechts aufgetragen und der Druck p nach oben. FOTO! Der Punkt im Diagramm steht für Normaldruck bei kleinstem Volumen. Aufgaben 1. Zeichen anhand des Verhaltens von Volumen und Druck nun im Diagramm ein, von wo bis wo jeweils die vier Arbeitstakte verlaufen. 2. Kennzeichne den Zündpunkt. 3. Bei welchen Takten ist welches Ventil offen? Das Einlassventil ist offen beim Das Auslassventil ist offen beim Hilfen und Veranschaulichung unter: http://library.thinkquest.org/c006011/german/sites/ottomotor.php3?f=2&b=50&j=1&fl=1&v=2 Seite 7
Unterrichtsthema: 4-Takter Ottomotor 2. Der 4-Takt Ottomotor als Energiewandler (Wirkungsgrad) In Form von Benzin wird dem Ottomotor Energie in der Form von chemischer Energie zugeführt. In Energiewandlerketten zeichnet man die Energieformen als Pfeile ein und die Energiewandler als Blöcke oder Kästen. Aufgaben 1. Ergänze die Energiewandlerkette zum Ottomotor mit den folgenden Begriffen: Thermische Energie, Kolben & Pleuel, kinetische Energie, Kolben & Zylinder FOTO! 2. Stell dir einen optimalen Motor vor. Was müsste für ihn gelten, wenn du die Energiewandlerkette betrachtest? 3. Ergänze: Die gesamte Energie, die man rein steckt, 4. Welche Energieform haben die meisten Energieverluste? Seite 8
Unterrichtsthema: 4-Takter Ottomotor 3. Quiz: p~v-diagramme I Aufgabe 1. Ordne hier jedem Bild eines Ottomotors seine Position im p~v-diagramm zu und trage unten die Nummer des zutreffenden Bildes ein. TIPP: Vergleiche erst, welche Volumenangeben zu welchem Diagramm passen könnten, und achte dann auf die Ventile und ob die Zündung schon stattgefunden hat. Das Einlassventil ist immer links, das Auslassventil ist immer rechts und die Kurbelwelle unten dreht sich im Uhrzeigersinn. FOTO! Seite 9
Unterrichtsthema: 4-Takter Ottomotor 3. Quiz: p~v-diagramme II Aufgabe 1. Ordne hier jedem Bild eines Ottomotors seine Position im p~v-diagramm zu und trage unten die Nummer des zutreffenden Bildes ein. TIPP: Vergleiche erst, welche Volumenangeben zu welchem Diagramm passen könnten, und achte dann auf die Ventile und ob die Zündung schon stattgefunden hat. Das Einlassventil ist immer links, das Auslassventil ist immer rechts und die Kurbelwelle unten dreht sich im Uhrzeigersinn. FOTO! Seite 10
Unterrichtsthema: 4-Takter Ottomotor 3. Quiz: p~v-diagramme III Aufgabe 1. Ordne hier jedem Bild eines Ottomotors seine Position im p~v-diagramm zu und trage unten die Nummer des zutreffenden Bildes ein. TIPP: Vergleiche erst, welche Volumenangeben zu welchem Diagramm passen könnten, und achte dann auf die Ventile und ob die Zündung schon stattgefunden hat. Das Einlassventil ist immer links, das Auslassventil ist immer rechts und die Kurbelwelle unten dreht sich im Uhrzeigersinn. FOTO! Seite 11
Unterrichtsthema: 4-Takter Ottomotor 3. Quiz: p~v-diagramme IV Aufgabe 1. Ordne hier jedem Bild eines Ottomotors seine Position im p~v-diagramm zu und trage unten die Nummer des zutreffenden Bildes ein. TIPP: Vergleiche erst, welche Volumenangeben zu welchem Diagramm passen könnten, und achte dann auf die Ventile und ob die Zündung schon stattgefunden hat. Das Einlassventil ist immer links, das Auslassventil ist immer rechts und die Kurbelwelle unten dreht sich im Uhrzeigersinn. FOTO! Seite 12