SACH INFORMATION Schon Leonardo da Vinci plante um 1506 einen atmosphärischen Schießpulvermotor, wie ihn als kleine Versuchsmaschine Ch. Huygens 1673 baute. Die ältesten, praktisch verwendeten Verbrennungsmotoren sind Gasmotoren, so auch der erste lauffähige Viertaktmotor von Nikolaus August Otto (1876). Der Otto-Motor wurde von Gottfried Daimler und Karl Maybach 1883 zum schnelllaufenden Benzinmotor weiterentwickelt. Aber erst der 1897 von Rudolf Diesel geschaffene Dieselmotor brachte den entwicklungsfähigen Ölmotor. Der Verbrennungsmotor trat im 20. Jahrhundert seinen Siegeszug um die Welt an. UNTERSCHIED VON OTTO- UND DIESEL Der Otto-Motor unterscheidet sich durch diverse Merkmale vom Dieselmotor. Zunächst arbeitet er (vom Direkteinspritzer abgesehen) mit äußerer Einspritzung außerhalb des Brennraums in den Ansaugtrakt im Gegensatz zum Diesel, der in den Brennraum einspritzt. Bei Motoren mit Vergaser wird der Brennstoff mit Hilfe der vorbeiströmenden Luft im Ansaugtrakt verdampft. Der Vergaser ist mit der Einführung schärferer Abgasbestimmungen aus den Pkw verschwunden, für Kleinmotoren hat er jedoch weiterhin eine große Bedeutung, vor allem bei Motorrädern, Rasenmähern, Kettensägen, Notstromaggregaten usw. wird er wegen seiner Einfachheit, Robustheit und niedrigen Kosten bevorzugt. Er kommt hauptsächlich für Einzylinder zum Einsatz. Bei beiden Methoden entsteht ein homogenes Luft-Kraftstoffgemisch, dessen Zündfähigkeit u.a. von der Zusammensetzung abhängt. Der Otto-Motor ist anders als der Diesel von Zündgrenzen abhängig. Darunter versteht man die Tatsache, dass eine bestimmte Mischung von Brennstoff und Luft vorliegen muss, sonst kann keine Verbrennung gestartet werden. Entlang österreichischer Autobahnen gibt es rund alle 30 km eine Tankstelle nicht überall in Europa ist die Dichte so hoch. Motoren, besonders verchromte Motorrad-Motoren, besitzen noch immer den Hauch des Abenteuers. Ein echter Motorrad-Freak kann seinen Motor selbst zerlegen und auch wieder funktionsfähig zusammenbasteln. ALTERNATIVE TREIBSTOFFE Als Antrieb für Otto- bzw. Dieselmotoren werden hauptsächlich aus Erdöl gewonnene Benzin- bzw. Dieselkraftstoffe verwendet. Da Erdöl eine endliche und zudem klimaschädigende Ressource ist, ist die Suche nach Alternativen in vollem Gang. Am weitesten etabliert ist mittlerweile Biodiesel. Gewonnen aus Ölpflanzen wie Raps oder Altspeiseölen, stellt der nachwachsende Kraftstoff eine emissionsarme, regional verfügbare und für das Grundwasser unschädliche Alternative zum Fossildiesel dar. In Österreich gibt es bereits mehrere Biodiesel-Produzenten und Dutzende Tankstellen. Eine ÖKO LOG NIEDERÖSTERREICH 4.10
SACH INFORMATION prinzipiell saubere Lösung stellt Strom dar. Elektromotoren sind, wie auf der Schiene, auch für Autos im Grunde besser geeignet als der komplizierte Verbrennungsmotor. Kupplung, Schaltgetriebe und Schalldämpfer entfallen ersatzlos. E-Autos verursachen auch keine lokalen Luftschadstoffe und sind geräuscharm. Ihr großes Manko: Die schwergewichtigen Batterien erzielen nur relativ geringe ZUSAMMENFASSUNG: Im vergangenen Jahrhundert hat der Verbrennungsmotor seinen Siegeszug um die Welt angetreten. Mit wenigen Ausnahmen wie Elektro- oder Erdgasautos wird fast jeder Pkw und Lkw von einem Benzin- (oder Otto-) bzw. Dieselmotor angetrieben. Doch die Endlichkeit der fossilen Treibstoffe und die durch deren Verbrennung wachsenden Umweltprobleme lassen Wissenschaft und Autoindustrie nach Alternativen forschen.viele glauben, dass im 21. Jahrhundert das Wasserstoff-Zeitalter anbrechen wird. INFO SERVICE: Wirkungsgrade Unter dem technischen Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis der nutzbaren zur eingesetzten Energie. Der theoretisch mögliche Wert von 100% kann in der Praxis nicht erreicht werden, weil bei allen Vorgängen Energieverluste z.b. durch Wärme oder Reibung entstehen. Maschine max. Wirkungsgrad Ottomotor 20-25% Dieselmotor 35% Elektromotor 90-95% Fahrraddynamo 20-45% Sonnenkollektor 30-50% Solarzelle bis ca. 35% Generator 90-95% Glühbirne 3-4% Leuchtstoffröhre 20% Leuchtdiode 10-15% Brennstoffzelle 50% Transformator 95% Dampfturbine 90% Nähere Informationen zum Thema Biodiesel erhalten Sie im Ordner Konsum, Kapitel Produkltion regional - Biodiesel. Reichweiten (bis 250 km) und müssen stundenlang wieder aufgeladen werden. Außerdem: Der Nutzen für die Umwelt hängt wesentlich von der Art der Stromerzeugung ab. Die größte Zukunftshoffnung heißt Wasserstoff und damit zusammenhängend die prinzipiell bereits 1839 (!) vom Waliser William Grove erfundene Brennstoffzelle. Doch erst in den 1950er Jahren wurde diese revolutionäre Energieumwandlungsmethode wiederentdeckt: Wasserstoff wird unter Zugabe von Sauerstoff mittels elektrochemischer Reaktion ( kalte Verbrennung ) direkt in elektrische Energie umgewandelt. Ganz ohne Kolben, Kurbel- oder Nockenwellen und somit ohne Motorlärm, ohne Vibrationen und das Entscheidende ohne schädliche Abgase: Aus dem Auspuff kommt nur reiner Wasserdampf. Ford-Chairman Bill Ford prophezeit, die neue Technik werde die einhundertjährige Vorherrschaft des Verbrennungsmotors beenden. Das Problem an der Sache: H2 ist zwar in unbegrenzter Menge vorhanden, jedoch nicht in natürlicher Form, er muss also erst unter Aufwand von Energie produziert werden. Aus ökologischer Sicht macht das freilich nur mit erneuerbaren Energiequellen (Sonne, Wind, Wasser) Sinn. Kernenergie etwa wäre dafür sicherlich der falsche Weg. Auch technische und logistische Probleme stehen dem Durchbruch des Wasserstoffzeitalters vorerst noch im Weg. 4.10 ÖKO LOG NIEDERÖSTERREICH
DIDAKTISCHE UMSETZUNG Der Motor ist eine Kraftmaschine, die die im Treibstoff gespeicherte Energie in Bewegung umsetzt. Da Benzin im Zylinder nur schwer zu entzünden ist, zerstäubt ihn der Vergaser. Mit Sauerstoff gemischt, beginnt der Benzinnebel zu brennen, wenn ihn der elektrische Funke der Zündkerze entzündet. Der Strom dazu stammt aus der Autobatterie. Dass im Motor die Temperaturen nicht zu hoch steigen, dafür sorgen der Kühlwasserkreislauf und der Luftventilator. Im Motorblock wird die Bewegung der Kolben über Antriebswellen und Zahnräder (Getriebe) auf die Räder des Autos übertragen. Der Wirkungsgrad liegt nur bei 10-30%. Der Rest verliert sich als Wärme, Luftund Reibungswiderstand sowie an der elektrischen Versorgung im Auto. Der Motor treibt an und stößt Abgase aus, die nicht alle gefiltert werden können. Für den krebserregenden Ruß aus Dieselmotoren gibt es erst bei wenigen Autos und Lkw Partikelfilter. LERNZIELE: Technik wird über einfache Alltagsgegenstände spielerisch erfahrbar. Im Rollenspiel aller Motorteile kann das Ineinanderwirken nachvollzogen werden. Die Kinder sollen die Funktionsweise und Teile des Motors kennen lernen. Das Entstehen von Abgasen und die Fortbewegung des Autos sollen als Arbeitsresultate des Motors begriffen werden. VERGASUNGS- UND VERBRENNUNGSPROZESS ORT: Klassenzimmer. ZEITAUFWAND: 10 Minuten MATERIALIEN: Vergaser: Glas, Lebensmittelfarbe, Wasser, Strohhalm, Messer, Schneideunterlage, Blatt Papier. Verbrennung: Schüssel,Teller,Teelicht. KOSTEN: ca. 2,- Euro. UMSETZUNG: Beim Vergasereffekt strömt Luft am Schlitz aus und verliert an Luftdruck. Obwohl in den Halm geblasen wird, saugt der Unterdruck im unteren Halmteil Wasser an. Beim Verbrennungsprozess wird der Sauerstoffverbrauch demonstriert. Für den Bau eines einfachen Vergasers wird ein Strohhalm in der Mitte geknickt und ein Querschlitz geschnitten.vor dem Glas mit gefärbtem Wasser Treibstoff steht eine flache Der Pumpenteil einer Flüssigseife wird zum anschaulichen Objekt für die Funktionsweise der Benzinpumpe. ÖKO LOG NIEDERÖSTERREICH 4.10
DIDAKTISCHE UMSETZUNG Die Autobatterie funktioniert wie herkömmliche Taschenlampenbatterien und liefert den nötigen Zündfunken für das Benzin-Luft- Gemisch. Eine Sprühflasche demonstriert den Zerstäubereffekt des Vergasers im Motor. Das Auffinden der wichtigsten gut sichtbaren Motorteile beim Blick unter die Motorhaube am Schulhof, in einer Autowerkstätte oder einer KFZ-Prüfstelle des Landes kann das Verständnis erheblich erleichtern. Schüssel und ein senkrecht am Schüsselrand angeklebtes Blatt. Die Wirkung beim Durchblasen durch das Rohr wird in unterschiedlicher Knickstellung ausprobiert, bis das Wasser fein aus dem Schlitz in Richtung Blatt sprüht. Um einen Verbrennprozess im Zylinder darzustellen wird ein Teelicht auf einen Teller gestellt und eine Glasschüssel darüber gestülpt. Wenn der Sauerstoff in der Luft unter der Schüssel verbraucht ist, erlischt die Kerze. WIR SPIELEN ORT: Klassenraum. ZEITAUFWAND: 30 Minuten. MATERIALIEN: z.b. als Benzintank: eine Flasche Rapsöl. Benzinpumpe: Pum-penteil einer Flüssigseife. Vergaser: Zerstäuber. Autobatterie: Taschenlampenbatterie. Zündkerze: Feuerzeug. Kolben: vier Tortenspritzen. Ventilator: Föhn mit Kaltlufteinstellung. Auspuff mit Katalysator: Klopapierrolle mit übergespanntem Stück Papiertaschentuch Gummiring. KOSTEN: ca. 3,- Euro für eventuelle Anschaffungen, Haushaltsreste von zu Hause mitnehmen. UMSETZUNG: In dem Spiel, bei dem jedes Kinder einen technischen Teil als Rolle übernimmt, soll der komplexe Wirkungsablauf, der zum Funktionieren des Motors führt, dargestellt werden. Unterstützend können Requisiten oder Geräusche eingesetzt werden. Bei einem ersten Durchlauf stellen sich die Kinder entsprechend dem Ineinanderwirken der technischen Teile im Motor auf und beginnen mit einer jeweils kurzen Vorstellung der Rolle ( Ich bin der Benzintank ) und der Aufgabe ( In mir ist der Treibstoff. Beim zweiten Mal starten alle gemeinsam mit jeweils rollentypischen Bewegungen und Geräuschen, die sie entweder mit einem Requisit produzieren oder selber hervor bringen. Die Lärmentwicklung des Motors und seine Arbeitsweise wird erlebbar. 4.10 ÖKO LOG NIEDERÖSTERREICH
ARBEITSBLATT WAS BRAUCHT DER ALLES, DAMIT ER FUNKTIONIERT? Unter der Motorhaube geht es ganz schön fleißig zu.viele kleine technischen Helfer sind notwendig, damit der Motor gut läuft und die Autoräder antreiben kann. Damit der Motor in Bewegung kommt, braucht er Benzin, den er verbrennt. Schadstoffe entstehen und kommen durch den Auspuff in die Luft. Jedes Jahr muss das Auto in der Werkstatt überprüft werden, ob alle Teile richtig funktionieren. Sonst kann es passieren, dass noch mehr Abgase die Luft verschmutzen. Hilf dem Mechaniker und benenne die Teile im Auto, die dem Motor bei seiner Arbeit helfen! 1 Benzintank 2 Benzinpumpe 3 Vergaser 4 Zündkerze 5 Kühler 6 Motor mit Zylinder 7 Kolben und Kolbenstange 8 Kurbelwelle, Zahnräder, Autoräder 9 Auspuff mit Abgasfilter (Katalysator) ÖKO LOG NIEDERÖSTERREICH Lösung von links nach rechts: 5, 6, 7, 4, 3, 8, 2, 1, 9 4.10
ARBEITSBLATT Die meisten Autos haben heute einen Viertakt-Motor, das heißt, dass der Motor seine Arbeit in vier Schritten erledigt. Dazu musst du wissen, wo die Arbeit stattfindet. Suche in der Zeichnung die vier Zylinder und ihre vier Kolben und male sie in vier verschiedenen Farben an! Versuche nun die vier Schritte den einzelnen Kolben zuzuordnen! 1) Ansaugen: Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt Luft und Treibstoff durch die Ventile an. 2) Verdichten: Der Kolben geht wieder hinauf und drückt das Luft-Benzin Gemisch zusammen. Wenn er ganz oben ist, ist die Luft mit dem Benzin ganz heiß (Das ist wie bei einer Fahrradpumpe! Wenn du viel pumpst, wird die Luft innen heiß.). 3) Verbrennen: Ein elektrischer Funke der Zündkerze entzündet das Luft-Benzin Gemisch. Es kommt zu einer kleinen Explosion und der Kolben wird nach unten geschleudert. 4) Ausstoßen: Das Schwungrad, auf dem der Kolben sitzt, dreht sich und schubst den Kolben wieder in die Höhe. Beim Weg hinauf stößt der Kolben die Abgase durch den Auspuff in die Luft. 4.10 ÖKO LOG NIEDERÖSTERREICH