Verbrennungsmotoren



VERBRENNUNGSMOTOREN
Geöffnetes Ventil



1.: Verschiedene Motoren und deren Arbeitsweisen

1.1.: Die Dampfmaschine

    Nach der Entdeckung der Kraftwirkung des Luftdrucks 1643 wurde die erste "Krafterzeugungsmaschine" 1680 entworfen. Sie basierte auf dem Prinzip des Vakuums, das in einem Zylinder entsteht, wenn Schie√üpulver explodiert. Das war also der erste Verbrennungsmotor. 1690 schon wurde die erste Kondensationsdampfmaschine gebaut. In ihr wurde Wasser in einem Zylinder durch einen untergestellten Ofen erhitzt, wodurch sich der Kolben im Zylinder aufw√§rts bewegte. Die anschlie√üende Abk√ľhlung des Wassers, welche durch Entfernen des Ofens beschleunigt wurde, lie√ü den Kolben wieder nach unten bewegen. Erst 1765 war die Dampfmaschine, die die Auf - und Abw√§rtsbewegung des Kolbens nun mittels Ventilen und H√§hnen selbst steuerte, so weit entwickelt, dass sie sich auch f√ľr den Gebrauch in Fahrzeugen eignete, obwohl wegen ihrer Gr√∂√üe station√§re Anlagen wohl denkbar geeigneter gewesen w√§ren. 1821 endlich konnte man sie als ausgereift und hinreichend zuverl√§ssig halten.

1.2.: Der Lenoir - Motor

    Der Lenoir - Motor basiert auf dem Prinzip der Dampfmaschine, jedoch wird er mit Leuchtgas betrieben und der Kolben muss das Gemisch selbst ansaugen. funktionierte ähnlich wie ein heutiger Zweitakt - Motor (siehe unten).

1.3.: Der Otto - Motor

1.3.1.: Das Viertakt - Arbeitsverfahren

    Nicolaus August Otto lie√ü sich einen solchen Lenoir - Motor bauen, an dem er seine Theorien experimentell erprobte. Er fand Schwachstellen in Lenoirs Prinzip, welche er im Laufe seiner Versuche immer weiter beseitigte und so die Leistungs - f√§higkeit des Motors bei Verringerung des Verbrauchs steigerte. Um eine weichere Verbrennung mit weniger harten St√∂√üen im Lenoir - Motor zu erreichen, musste das Gas - Luft - Gemisch verdichtet werden. Bei der darauf folgenden Entz√ľndung des Gemischs durch einen elektrischen Z√ľndfunken dehnte sich dieses aus und dr√ľckte den Kolben nach unten. Durch dessen Schwung wurde √ľber eine Pleuelstange die Energie aus einer Abw√§rtsbewegung in eine Dreh - bewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Auf dieser Kurbelwelle befanden sich Ausgleichsgewichte, die den Motorlauf ruhiger und sanfter gestalteten und au√üerdem, als Folge deren Tr√§gheit, den Kolben wieder nach oben bewegten. Bei dieser Aufw√§rtsbewegung dr√ľckte der Kolben die Abgase, die bei der Explosion entstanden, aus dem Zylinder hinaus. Das sich daraus ergebende Viertakt - Verfahren besteht also aus:
    Ansaugen. Das brennbare Gemisch wird durch den Saugeffekt des sich ab - w√§rtsbewegenden Kolbens in den Zylinder hineingesaugt. Verdichten. Durch die darauffolgende Aufw√§rtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gemisch komprimiert. Verbrennung. Befindet sich der Kolben in seiner h√∂chsten Position (Oberer Totpunkt), ist die Verdichtung am gr√∂√üten und die Entz√ľndung des Gemischs erfolgt. Durch die Ausdehnung des verbrannten Gases wird der Kolben erneut nach unten bewegt. Aussto√ü. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben, wobei er die verbrannten Gase ausst√∂√üt.
    Bei den heutigen Viertakt - Motoren wird die F√ľllung und Entleerung der Zylinder mit L√∂chern im Zylinderkopf erreicht, die durch Ventile ge√∂ffnet bzw. geschlossen werden. Die Nockenwelle, welche die Ventile bet√§tigt, wird durch die Kurbelwelle im √úbersetzungsverh√§tnis 1:2 meist √ľber einen Zahnriemen angetrieben. Das sich die Nockenwelle halb so schnell wie die Kurbelwelle dreht, liegt daran, dass der Kolben zwei Auf - bzw. Abw√§rtsbe - wegungen macht, bis er einen vollst√§ndigen Arbeitstakt beendet hat (siehe oben). Die Nockenwelle kann neben den Zylindern am Motorblock liegen und die Ventile √ľber St√∂√üel, Sto√üstangen und Kipphebel bet√§tigen, oder sie liegt √ľber den Ventilen und bet√§tigt diese direkt. Das Benzin - Luft - Gemisch gelangt bei heutigen Motoren durch eine mechanische oder eine elektronische Einspritzung in die Zylinder. Sie ist den Anforderungen der immer strenger werdenden Abgasvorschriften in besserem Ma√üe gewachsen als der Vergaser, der fr√ľher das Gemisch zusammenstellte und es dann von den Kolben ansaugen lie√ü. Die erste direkte Einspritzung beim Benzinmotor geht derzeit in Serie. Sie wird sich langfristig beim Ottomotor ebenso durchsetzen wie beim Diesel (s.u.). Denn der Verbrauchsvorteil ist so vielversprechend, dass auf Dauer kein Hersteller daran vorbeigehen kann. Dieser Vorteil liegt bei rund 10 %.

1.3.2.: Das Zweitakt - Arbeitsverfahren

    Bei diesem Verfahren dauert das Arbeitsspiel nur eine Kurbelwellenumdrehung. Der Zweitakt - Motor arbeitet ohne Ventile. Die Ein - und Auslasslöcher befinden sich in der Zylinderwand, so dass sie vom sich auf und abwärtsbewegenden Kolben zeitweise verschlossen werden.

    "Sp√ľlen" und Verdichten. Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zu seinem Oberen. Das frische Benzin - Luft - Gemisch wird auf einen Druck verdichtet, der etwas h√∂her ist als der des Abgases. Solange der Kolben die Ein - und Auslassschlitze noch nicht verdeckt, "sp√ľlt" das frische Gemisch durch seinen h√∂heren Druck die Abgase aus dem Zylinder hinaus. Nach dem Verschlie√üen der Schlitze wird das Gemisch verdichtet wobei Dr√ľcke und Temperaturen mit Werten √§hnlich denen des Vier - Takt - Motors entstehen. Arbeitstakt. Die Verbrennung beginnt wie beim Vier - Takt - Motor etwa dann, wenn der Kolben seine oberen Totpunkt erreicht hat. Danach dehnt sich das Gas aus und dr√ľckt den Kolben nach unten. Sobald er die Auslassschlitze freigibt, verfl√ľchtigt sich das verbrannte Gas in die Abgasanlage. Kurz danach werden auch die √Ėffnungen f√ľr den Einlass freigegeben. Die einstr√∂mende frische Ladung wird eingesp√ľlt.

1.4.: Der Diesel

    Der von Rudolf Diesel 1893 entwickelte Motor arbeitete durch Selbstentz√ľndung des Gemischs aufgrund der enormen W√§rmeentwicklung, die durch eine hohe Kompression des Gases in den Zylindern erreicht wurde. Mit durch Druckluft im Z√ľndzeitpunkt in den Zylinder eingeblasenes Petroleum brachte Diesel 1894 den Motor das erste Mal zum Laufen. Der erste serienreife Dieselmotor wurde 1897 der √Ėffentlichkeit vorgestellt und leistete schon damals 13,1 kW. Er unterbot mit seinem niedrigen Kraft - stoffverbrauch alle damals gebauten W√§rmekraftmaschinen. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum (z.B. VW¬īs TDi) sorgt f√ľr eine gute Verwirbelung des Kraftstoffs. Sie erfordert zwar einen hohen Einspritzdruck, erm√∂glicht aber ein leichtes Anlassen des Motors und verbraucht wenig Kraftstoff.

1.5.: Der Wankelmotor

    Der Kreiskolbenmotor arbeitet nicht wie ein Hubkolbenmotor, bei dem sich ein Kolben auf und ab bewegt. In seinem Geh√§use dreht sich ein Kolben, der die Form eines Dreiecks mit abgerundeten Seiten besitzt, exzentrisch (au√üerhalb des Mittelpunktes) um eine Welle. Diese Welle (Exzenterwelle) befindet sich im Mittelpunkt des Geh√§uses. Um den Kolbenmittelpunkt herum befindet sich ein Loch, in dem ein Exzenter drehbar gelagert ist. Die Z√§hne des Exzenters greifen in die eines auf der Exzenterwelle sitzenden Zahnrades. An den drei Kolbenstirn - fl√§chen vollzieht sich die Umwandlung von Druckenergie in mechanische Arbeit. Die dabei auftretende Kraft dr√ľckt auf den Exzenter und bewirkt eine Drehung der Exzenterwelle. Auch der Wankelmotor arbeitet nach dem Viertakt - Verfahren. Jedoch dreht sich die Exzenterwelle bei einer Umdrehung des Kolbens dreimal, denn da der Kolben drei Stirnfl√§chen aufweist, k√∂nnen drei Arbeitsspiele pro Kolbenumdrehung durchgef√ľhrt werden. Er wird bisher nur als Ottomotor gebaut, da sich der langgestreckte, flache Brennraum nicht f√ľr einen Dieselmotor eignet. Er besitzt die Vorteile, dass keine Bewegungsumformung notwendig ist und dadurch auch keine Massekr√§fte auftreten.

1.6.: Allgemein

    Man unterscheidet also Hub - und Drehkolbenmotoren. Beide Begriffe kenn - zeichnen die Kolbenbewegung. Bei der Hubkolbenmaschine bewegt sich der Kolben zwischen zwei Endpunkten, dem oberen und dem unteren Totpunkt, hin und her. Der Weg zwischen den Totpunkten ist der Hub. Bei der Kreis - kolbenmaschine dreht sich ein Kolben um seine eigene Achse und kreist gleichzeitig um den Mittelpunkt der Maschine. Alle Verbrennungsmotoren arbeiten nach dem Prinzip, dass sich komprimiertes Gas bei Entz√ľndung ausdehnt (s.o.). Man unterscheidet sie dabei lediglich nach den zwei Arten, wie die Entz√ľndung des Gemischs erreicht wird - durch eine Z√ľndkerze (Benzinmotor) oder durch Selbstentz√ľndung (Dieselmotor).

1.7.: Wirkungsgrade im Vergleich

    Unser Vergleich bezieht sich ausschließlich auf Otto - und Dieselmotoren, da diese in der Praxis am häufigsten vertreten sind.













2.: Wirkung auf die Umwelt

2.1.:Abgas

    Der Mensch belastet das nat√ľrliche Gef√ľge der Natur schon allein durch seine Existenz. Und dies l√§ngst, bevor er das Automobil erfunden hatte. Er baut Unterk√ľnfte, baut Verkehrswege, er macht es sich bequem mit Freizeitein - richtungen und Versorgungsanlagen, er schafft Fabriken und arbeitet sich in die Erde vor, um ihr Kohle, Erz, Erd√∂l und Erdgas zu entnehmen. Dabei verschmutzt er das Wasser, verunreinigt die Luft und f√§llt den Baum, der zum Beispiel f√ľr die Wiederaufbereitung der Atemluft eine wichtige Rolle √ľbernommen hat. Der Mensch heizt seine Wohnungen, wobei er Holz, Kohle oder Erd√∂l verbrennt. Er ben√∂tigt Arbeitspl√§tze, die Industrie schafft sie und beutet dabei zus√§tzlich noch die Natur aus. Doch auch sie produziert Schadstoffe. Sie entstehen durch bio - logische Prozesse. Bei Waldbr√§nden und aus Vulkanen werden Schadstoffe freigesetzt, Bakterien im Boden verursachen Verbrennungs - und Verfallsprozesse und aus den Weltmeeren werden ebenfalls Schadstoffe emittiert. Deshalb darf man nicht vergessen, dass neben dem Auto zahlreiche weitere Verursacher von Schadstoffen betrieben werden. Wobei man nat√ľrlich auch nicht vergessen darf, dass das Auto nicht in Gang gesetzt wird um Schadstoffe zu produzieren, sondern um dem Menschen Mobilit√§t und Lebensfreiheit zu verschaffen. Bei jedem Verbrennungsvorgang entstehen Abgase, die Schadstoffe enthalten. Nur bei einer vollst√§ndigen Verbrennung eines nur aus Kohlen - und Wasserstoff zusammengesetzten Kraftstoffs entst√ľnden unter idealen Bedingungen lediglich die unsch√§dlichen Stoffe Kohlendioxid und Wasserdampf. Da diese idealen Be - dingungen aber weder vom Kraftstoff noch vom Motor erf√ľllt werden konnten und k√∂nnen, werden Verbrennungsmotoren jeglicher Art auch immer ein schad - stoffenthaltendes Abgas des verbrannten Gemischs hinterlassen. Das ist der Grund, warum es keine abgasarmen sondern nur schadstoffarme Autos gibt. Im Abgas heutiger Motoren befinden sich als Ergebnis unvollst√§ndiger Verbrennung folgende Schadstoffe:




Diese Schadstoffe machen jedoch nur ein bis zwei Prozent des gesamten Ab - gases aus. So ist nach dem 3. Immissionsschutzgesetzes der Bundesregierung vom 25.04.1984 der Verkehr, und dazu zählen neben dem Auto auch Bahn, Schiffe und Flugzeuge, mit nur 18,4% am sauren Regen beteiligt. Doch aufgrund der Menge aller Autos sind sie in Städten tatsächlich der Luftverschmutzer Nr. 1. Da die Schadstoffabgabe nicht wie bei Schornsteinen in großer Höhe erfolgt sondern in Atemhöhe, beträgt der Anteil an der gesamten Verschmutzung z.B. bei Kohlen - monoxid ca. 60%, bei Stickoxiden ca. 57%. In engen Straßenschluchten der Innenstädte beträgt die Konzentration einzelner Stoffe sogar zwischen 80 und 99%.
    Untersuchungen haben gezeigt, dass allein durch verbesserte Kraftstoffe




eingespart werden können.
    Diese auch von den Autoherstellern geforderte Verbesserung des Kraftstoffs w√ľrde auch den Katalysator effektiver arbeiten lassen.

2.2.: Das Luft - Kraftstoff - Verhältnis

    F√ľr die vollst√§ndige Verbrennung von 1 kg Kraftstoff werden 14,7 kg Luft be - n√∂tigt. Bei diesem Luft - Kraftstoff - Verh√§ltnis von 14,7 : 1 spricht man vom st√∂chiometrischen Gemisch. Die Abbildung 1 (siehe Anhang 2) zeigt die Konzentration der drei Abgasbestandteile CO, HC und NOx sowie den spezifischen Kraftstoffverbrauch be in Abh√§ngigkeit vom Luft - Kraftstoff - Verh√§ltnis λ. Im Fall λ=1 wird der Kraftstoff ann√§hernd vollst√§ndig verbrannt. Es ist klar zu erkennen, dass - unabh√§ngig davon, welches Luft - Kraftstoff - Verh√§ltnis eingestellt ist - nicht alle drei Abgaskomponenten gleichzeitig ver - ringert werden k√∂nnen. Im Falle λ<1 arbeitet der Motor im "fetten" Bereich, also mit hohem Verbrauch. Bei λ>1 wird der Motor im "mageren" Bereich, also sparsam, betrieben.

2.3.: Der Katalysator

    Dass der Gedanke, das Abgas mit Hilfe eines Katalysators (siehe unten) zu reinigen nicht neu ist, belegt die "Autotechnische Bibliothek", Band 39 von Walter Oswald, erschienen 1910 in Berlin. Dazu schreibt er:"[...] Die zweite M√∂glichkeit besteht darin, die Auspuffgase katalytisch vollst√§ndig zu verbrennen." Unter einem Katalysator versteht man allgemein einen Stoff, der allein durch seine Anwesenheit einen chemischen Proze√ü beg√ľnstigt, beschleunigt oder √ľberhaupt erst erm√∂glicht. An dem Proze√ü selbst nimmt dieser Stoff nicht teil, nutzt sich also auch nicht ab.

    Der Einbett - Oxidations - Katalysator war der erste Schritt zur Abgasreinigung mittels Katalysatoren. Den Abgasen wurde von au√üen Luft zugef√ľhrt (Oxidation). Dann lie√ü man sie durch den Katalysator str√∂men wo Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in Wasserdampf und Kohlendioxid umgewandelt wurden. Die Stickoxide blieben unbehandelt. Der Doppelbett - Katalysator arbeitet dagegen mit zwei voneinander getrennten Wirkmechanismen, dem Reduktions - und dem Oxidationskatalysator. Im ersten Schritt, dem Reduktionskatalysator, wird dem Abgas Sauerstoff entzogen und somit der Anteil von Stickoxiden reduziert. Danach wird dem verbleibenden Abgas Luft beigemischt und der Oxidationskatalysator tritt in Kraft (siehe oben). Das Abgas wird zwar von allen drei Schadstoffen betr√§chtlich gereinigt, das Abgasvolumen aber steigt, da der Reduktionskatalysator ein mit mehr Kraftstoff angereichertes (fetteres) Gemisch f√ľr seine Arbeit verlangte. Der geregelte Einbett - Dreiwege - Katalysator ist die mittlerweile beste und ge - br√§uchlichste Form, Abgase von Schadstoffen zu reinigen. Alle drei Schadstoffe werden bei ihm in einem einzigen Arbeitsgang umgesetzt, daher der Name Dreiwege - Katalysator. Weil er am wirkungsvollsten arbeiten kann, wenn ein bestimmtes Kraftstoff - Luft - Gemisch eingehalten wird, wird dieses geregelt. Zwischen dem Katalysator und dem Motor sitzt eine Lambdasonde, die den Sauerstoffgehalt im Abgase mi√üt und Abweichungen vom Sollwert der Gemisch - aufbereitungsanlage meldet, die dann die notwendigen Ver√§nderungen im Kraft - stoff - Luft - Gemisch durchf√ľhrt. Die Lambda - Sonde arbeitet erst ab einer Temperatur von 250¬įC zuverl√§ssig. Der Katalysator d√ľrfte aber auch in Zukunft noch ein Entwicklungspotential be - sitzen, wenn es darum geht zum Beispiel den Gegendruck zu verringern oder das Anspringverhalten zu verbessern.

2.4.: Abgasr√ľckf√ľhrung

    Die Abgasr√ľckf√ľhrung wird zur Verringerung von Stickoxiden benutzt. Ein Teil der verbrannten Gase wird √ľber ein Ansaugsystem des Motors dem Kraftstoff - Luft - Gemisch wieder zugef√ľgt. Dieses f√ľhrt zu Temperatursenkung und Ver - z√∂gerung bei der Verbrennung und damit zur Reduzierung des Stickoxidanteils.

2.5.: Die gesetzliche Regelung

    In der Europ√§ischen Gemeinschaft wurden zum erstenmal im Jahre 1970 Richt - linien zur Abgasbegrenzung g√ľltig. Ab 1997 gelten die neuen europ√§ischen Abgasnormen (Euro II). F√ľr die H√∂he
der Steuer soll dann ausschließlich der Schadstoffausstoß ausschlaggebend sein.
    Drei Jahre später sollen verschärfte Grenzwerte folgen. Um diese einhalten zu
können, werden in der Regel noch Modifikationen an Motor und Abgassystem
gen√ľgen.
    Im Jahr 2005 will die EU noch einmal die Emissionen senken. Daf√ľr werden Ver - besserungen am Auto aber kaum ausreichen.
2.6.: Der Energieverbrauch

    Bislang verbrauchen wir die √ľberwiegende Menge der Energie zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung. Der Verkehrssektor, und somit die Verbrennungsmotoren, hat nach den Haus - halten mit 46% den h√∂chsten Anteil am Mineral√∂lverbrauch. Diesen Verbrauch zu senken ist das Ziel aller Energiesparma√ünahmen

2.6.1.: Verbesserung von Motor und Getriebe

    Eine Erh√∂hung der Verdichtung des Kraftstoff - Luft - Gemischs erlaubt die Ver - wendung von Superbenzin. Ein Vergleich von zwei serienm√§√üigen, weitgehend gleichen Ottomotoren mit 1,2 und 2 l Hubraum, jeweils f√ľr Normal - und Super - benzin ausgelegt, ergab die folgenden Verbrauchsdaten, √ľber die wohl kaum mehr ein Kommentar zu verlieren ist:




    Eine gro√üe Rolle beim Energiesparen spielt der lang √ľbersetzte letzte Gang. Er verschiebt die vom Motor abgegebene Leistung zu niedrigen Drehzahlen. Der Motor zieht anstatt er dreht. Dabei sind Einsparungen bis zu 10 % m√∂glich. Wie sich Fahren bei niedrigen Drehzahlen auszahlt l√§sst sich an der Grafik 2 (siehe Anhang 2) schnell erkennen. Ein Wagen, ausgestattet mit Vier - Gang - Getriebe, verbraucht bei konstanter Fahrt mit 60 km/h im zweiten Gang etwa 13 l, im dritten Gang 9 l und im vierten Gang nur ca. 7,5 l Kraftstoff. Einen 2 - l - Motor mit 6000/min als Nenn - oder H√∂chstdrehzahl ersetzen 2,3 l und 5000/min oder gar 2,7 l und 4200/min. Dies bedeutet eine Senkung der Drehzahl welche vergleichbar mit oben genannter Grafik aufzufassen ist. Dieses Verfahren verspricht Einsparungen bis zu 15 %. Nebenbei wird der Motor elastischer. Ob jedoch dieses Verfahren von der heute √ľblichen Verwendung von 16 V - Motoren relativiert wurde, bleibt eine dahingestellte Frage. Aus der Grafik geht auch hervor, dass der Verbrauch bei 30 km/h Durchschnitts - geschwindigkeit um 50 % h√∂her als bei gleichm√§√üigem Rollen mit 50 - 60 km/h, bei nur 20 km/h um etwa 100 % h√∂her und unter 10 km/h etwa dreimal so hoch liegt.




2.6.2.: Der Luftwiderstand

    Den Widerstand den die Luft einem Auto entgegensetzt nennt man Luftwider - stand. Leider w√§chst er mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, und die erforderliche Motorleistung, ihn zu √ľberwinden, sogar mit der dritten Potenz. Ein exakter Vergleich bei einem Mittelklassefahrzeug mit 55kW/75PS und 1050 kg bei halber Zuladung, einer Stirnfl√§che von 1,8 m¬≤ lieferte folgende Verbrauchs - mengen in l/100km:




Auffällig ist die bei verringertem Cw - Wert gestiegene Höchstgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Verbrauchs.

2.6.3.: Das Fahrzeuggewicht

    Das Fahrzeuggewicht wirkt sich im Alltagsdurchschnitt st√§rker als der Luftwider - stand aus, da erstens die meisten Personenwagen im Stadtverkehr fahren wo sich der Luftwiderstand laut obenstehender Grafik fast gar nicht bemerkbar macht und zweitens schon 100 zus√§tzlich im Wagen mitgef√ľhrte kg den Verbrauch um 0,6 bis 0,7 l/100 km erh√∂hen. Daraus folgt, dass der Gewichtseinsparnis prim√§r die Aufmerksamkeit zum Zwecke der Verbrauchssenkung gewidmet werden sollte. Doch auch hierbei treten Schwierigkeiten auf: Ein 1000 kg Mittelklassewagen enth√§lt etwa 600 kg Stahl, 150 kg Gu√üeisen, aber nur 30 kg Aluminium. Der Rest entf√§llt auf weitere Metalle, Gummi, Glas, Kunst - stoffe und Lack. Um aber mit extremem Leichtbau das Gewicht von 1000 auf 850 kg zu senken, m√ľsste der gesamte Energieaufwand bei der Herstellung von derzeit 12000 kW - Stunden (9000 f√ľr die Werkstoffe, 3000 f√ľr die Fertigung im Werk und bei den Zulieferern) auf 19000 kW - Stunden steigen was die Energiewirtschaft zun√§chst belasten und erst nach langen Laufstrecken durch eingesparten Kraftstoff aufge - wogen w√ľrde.





3.: Alternativen

3.1.: Der Magermotor (s.o.)

    Dieses Antriebskonzept ist dem Eintritt in die Gro√üserie am n√§chsten. Der Motor beruht auf dem Prinzip des Otto - Motors. Das Verh√§ltnis von Luft zu Kraftstoff liegt bei diesem in der N√§he von 14,6 zu 1, denn nur bei diesem Gemisch kann der Katalysator optimal arbeiten. Wird dem Gemisch mehr Luft zugef√ľgt (Mager - gemisch), l√§uft der Motor sparsamer, der Anteil der Stickoxide im Abgas aber steigt rapide an. Ist das Gemisch jedoch extrem in Richtung mager ausgelegt, d.h. wird noch mehr Luft zugef√ľgt, geht der Anteil dieses Schadstoffes wieder stark zur√ľck. Daf√ľr muss das Verh√§ltnis Luft - Kraftstoff jenseits von 20 zu 1 liegen. Die Vorteile des Magermotors sind also ein extrem niedriger Verbrauch und ein geringer Anteil von Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen im Abgas.

3.2.: Der Elektromotor

    Elektromotoren laufen mit maximaler Zugkraft an und ben√∂tigen weder Kupplung noch Schaltgetriebe. Sie verbinden Laufruhe und Schwingungsfreiheit mit einer oft √ľberlegenen Lebensdauer und Wartungsarmut. Die Idee diese Motoren in Autos einzubauen ist nicht neu. Jedoch hat diese Fahrzeugart das Entwicklungsstadium noch nicht verlassen. Ihre Fahrleistungen und Reichweiten sind arg beschr√§nkt. Zudem w√§re der Preis aus Gr√ľnden derb Technik und der Fertigung h√∂her als der eines Wagens mit einem herk√∂mmlichen Verbrennungsmotor. Au√üerdem wird immer wieder vergessen, woher der Strom kommt, mit dem die Batterien, die zum Betrieb eines Elektromotors notwendig sind, aufgeladen werden. Die Stromgewinnung aus der Luft, dem Wasser oder aus der Sonne ist so gering, dass sie gerade dazu beitragen, ihre gewonnene Energie ins vorhandene Netz einzubringen, aber nicht dieses vollst√§ndig zu betreiben. Der gr√∂√üte Teil des in der BRD erzeugten Stroms kommt von Braun - und Steinkohle - kraftwerken. Und auch diese holen ihre Energie aus dem Verbrennen von Roh - material, wobei auch wieder Abgase mit Schadstoffen produziert werden.

3.3.: Der Wasserstoffmotor

    Wasserstoff ist als Energieträger gerade im Gegensatz zum begrenzt vorhandenen Mineralöl praktisch ohne Einschränkungen vorhanden. Er setzt bei seiner Verbrennung neben sehr geringen Mengen Stickoxiden lediglich den unbedenk - ichen Wasserdampf frei. Die Motoren selbst arbeiten nach dem Hub - Prinzip herkömmlicher Otto - Motoren. Jedoch gibt es noch einige Schwierigkeiten mit diesem Energieträger. Seine Herstellung benötigt eine Primärenergie (z.B. Erdöl) und ist nach dem jetzigen Stand der Technik ein ziemlich teures Unterfangen. Denoch wird diesem Kraftstoff eine aussichtsreiche Zukunft zugesprochen.


3.4.: Der Stirling - Motor

    Reverend Robert Stirling ersann um 1816 einen Hei√üluftmotor, welcher extrem ger√§uscharm, kraftstoffgleichg√ľltig und langlebig war. Anstatt wie beim her - k√∂mmlichen Ottomotor das Gas selbst im Zylinder zu verbrennen, sollte es in einem geschlossenem Kreislauf verdichtet und ausgedehnt, vorher abgek√ľhlt und zwischenzeitlich aufgeheizt werden. Dies allerdings bedurfte einer √§u√üeren Heiz - quelle und K√ľhlung. Insgesamt bleibt er zu tr√§ge, beansprucht zum Lastwechsel ganze Minuten statt Sekundenbruchteile. Keine geringen Probleme bedeuten schlie√ülich die W√§rmespannungen durch die extremen Temperaturunterschiede zwischen raumkalten und 700 ¬įC hei√üen Zonen. Auch kommen Stirlingantriebe als Otto - Ersatz f√ľr Personenwagen viel weniger in Betracht als - fr√ľhestens √úbermorgen - f√ľr Nutzfahrzeuge. Indes errichtet der hohe Preis eine schwierige H√ľrde. Auch die K√ľhler fallen wesentlich gr√∂√üer und schwerer aus als bei herk√∂mmlichen Otto - bzw Dieselmotoren. Die gr√∂√üten Vorz√ľge bietet er mit der Schadstoffarmut, mit dem ausgezeichneten Drehmomentverlauf und mit der schier unbegrenzten Vielstoff√§higkeit. Trotzdem bleiben gleichwertige L√∂sungen un - wahrscheinlich, extrem teuer und zeitraubend.

3.5.: Das Superschwungrad

    Ein aus Kohlenstoff, Glas und Quarz, das es auf der Welt mehr als genug gibt, hergestelltes Superschwungrad (siehe Anhang 1) mit 20 kg Masse w√ľrde in einem Auto, welches eine Tonne wiegt, eine Fahrstrecke von 500 km garantieren. Ein Schwungrad aus dichtgepacktem Stickstoff von 30 cm Durchmesser und einer Dicke von 6 cm k√∂nnte f√ľr ein Auto eine Fahrstrecke von 30000 km ohne Nach - laden gew√§hrleisten. Aber auch das Nachladen stellt kein Problem dar: Es erfolgt mit einem gew√∂hnlichen Elektromotor. Falls das Aufladen schnell erfolgen soll, so muss das Schwungrad mit einer Welle eines ortsfesten Elektromotors verbunden werden, der einige Hundert Kilowatt Leistung hat. Dieser Motor bringt das Schwungrad in wenigen Minuten oder sogar Sekunden auf die volle Drehzahl. Ist das Aufladen nicht zeitlich beschr√§nkt, dann gen√ľgt ein Lademotor kleiner Leistung den man im Auto mitnimmt und notfalls an ein Stromnetz anschlie√üt. Das bedeutet, hinsichtlich der Zeitdauer f√ľr das Aufladen sind die Schwungr√§der weitaus vollkommener als elektrische Akkumulatoren, die daf√ľr bekanntlich mehrere Stunden brauchen. Ein mit einem Superschwungrad von 100 kg Masse und einer Drehzahl von 23700 bis 11900 U/min (Drehzahlen unter der H√§lfte der Ursprungsdrehzahl liefern zu wenig Energie) ausgestattentes Auto kann innerhalb von 15 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigen und ist f√ľr eine Reisegeschwindigkeit von 90 km/h ausgelegt, wobei diese Geschwindigkeit kurzzeitig erheblich √ľberschritten werden kann. Die Fahrstrecke eines solchen Autos liegt momentan noch bei ungef√§hr 60 km. Auch wurden Schwungr√§der erprobt, die eine Fahrstrecke von fast 500 km erm√∂glichten. Das Schwungradmobil braucht l√§ngere Pausen nicht zu f√ľrchten: das Schwungrad dreht sich bis zu 40 Tage ohne zum Stillstand zu kommen. Aber das sind nicht die Grenzen: ein amerikanisches Schwungrad mit magnetischer Aufh√§ngung hat sogar so geringe Verluste, das es sich √ľber 10 Jahre lang drehen kann.
Warum aber gibt es bei so offensichtlichen Vorteilen noch nicht √ľberall so - genannte Energiekonserven? Vor allem deshalb nicht, weil das Superschwungrad eine noch keine 20 Jahre alte Erfindung ist. Au√üerdem ist die Superschwungrad - Energiekonserve eine extrem komplizierte Vorrichtung.

3.6.: Die Brennstoffzelle

    Diese Art des Antriebs k√∂nnte in gut zehn Jahren der beste im Auto sein. Er ist absolut sauber, leise und vibrationsfrei. Dazu kommt, dass er mechanisch einfach, nahezu verschlei√üfrei, mit hohem Wirkungsgrad und von langer Lebensdauer ist. Der aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Strom wird, ohne Umwege √ľber eine schwere Speicherbatterie, direkt zum Antriebsmotor weitergeleitet. Dadurch hat sie einen Wirkungsgrad von mindestens 50 %. Von Wissenschaftlern werden sogar bis zu 80 % f√ľr m√∂glich gehalten. Die Brennstoffzelle verbraucht derzeit pro 100 km 10 - 15 l Wasser, d.h. dass es keine sch√§dlichen Abgase mehr gibt. Somit macht die Brennstoffzelle das Auto zum absolutem Zero - Emission - Car. Diese Bilanz geht selbstverst√§ndlich nur dann auf, wenn auch der Wasserstoff regenerativ hergestellt wird.

















4.: Stellungnahme

    Nach dem heutigen Stand also lassen sich Verbrennungsmotoren nur noch weiter - hin optimierenn aber nicht vollst√§ndig ersetzen. Auch wenn sie nur einen mechanischen Wirkungsgrad unter der 50% - Marke haben, sind deren Vorteile im Bereich der Sicherheit und auch der Kraftstoffaufbewahrung im Gegensatz zu Alternativen (z.B. Wasserstoffmotor) weiterhin √ľberwiegend. Die derzeitige Situation, in der sich unsere Energiewirtschaft befindet, kann man mit der eines Autofahrers vergleichen, der auf einer von B√§umen ums√§umten Stra√üe auf Glatteis ger√§t. Scharfes Bremsen f√ľhrt nur dazu von der Strecke abzu - kommen. Auch pl√∂tzliches Gegenlenken w√ľrde selbiges bewirken. Es hilft also nur den eingeschlagenen Kurs beizubehalten, die Geschwindigkeit langsam zu verringern und eine neue Richtung einzuschlagen.




























5.: Qellen

    Auto Bild, Axel Springer Verlag 1995 Auto Bild Special 3/91 Auto - Technik leicht verständlich, Stefan Woltereck,
Axel Springer Verlag 1991
    Das Katalysatorbuch, Wolfgang Peters, VfZ - Verlag 1987 Was sie schon immer √ľber Autos und Umwelt wissen wollten, Volkhard M√∂cker und Karl Georg Tempel, Verlag W. Kohlhammer GmbH 1987 Technik kurz und b√ľndig: Otto - und Dieselmotoren, Heinz Grohe, Vogel -
Verlag 1981
    Abgasanlage f√ľr Kraftfahrzeuge, Dieter Kattge und H.W. Leffler, Verlag f√ľr moderne Industrie 1990 Verkehrsinfarkt, Heinz B√ľthmann, Rohwohlt Taschenbuchverlag 1990 Verkehr, Dieter Seifried, C.H. Beck M√ľnchen 1990 Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik, G. Hamm und G. D√ľrk, Holland & Josenhansverlag 1988 Der Autoknigge, Olaf Achilles, Rowohlt Taschenbuchverlag 1987 Einspritzung bei Otto - und Dieselmotoren, Wolfgang W. Gnadt, Bartsch Verlag M√ľnchen 1978 Otto - und Dieselwagen, Hinz Grohe, Vogelverlag 1981 Motorenfilter, Klaus Ulrich Blumenstock, Verlag f√ľr moderne Industrie 1989 Das Auto, Gerald Leugnau, R.v. Decker und C.F. M√ľller Verlagsgesellschaft mbH 1989 Schnelle Motoren, H. H√ľtten, Richard Karl Schmidt und Co. Braunschweig 1977 Automobil von A - Z, J√ľrgen Lewandowski, S√ľdwest Verlag 1986 Motoren, Helmut H√ľtten, Motorbuch Verlag Stuttgart 1982 Der Energiekonserve auf der Spur, N.V. Gulia, Verlag Harri Deutsch 1986 Automotor, Werner Schwoch, Georg Westermann Verlag 1976 Turboautos Turbomotoren, Gert Hack, Motorbuch Verlag Stuttgart 1985

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