Energieumwandlung im Verbrennungsmotor

Energieumwandlung im Verbrennungsmotor Übung

• Nenne den Takt des Verbrennungsmotors, der für die Bewegung der Kurbelwelle verantwortlich ist.

  Tipps

  Der erste Takt wird auch Einlasstakt genannt. Der Kraftstoff wird in den Zylinder gesaugt. Der zweite Takt wird Verdichtungstakt genannt. Der Kraftstoff wird durch den Kolben verdichtet.

  Der dritte Takt heißt Arbeitstakt. Der Kraftstoff wird entzündet. Es entsteht ein sich ausdehnendes Gas. Der vierte Takt heißt Ausstoßtakt. Das Gas wird ausgestoßen.

  Wenn Wärme zugeführt wird, wird diese in Volumenarbeit umgewandelt. Damit wird der Kolben nach unten gedrückt und die Kurbelwelle dreht sich. In welchem Takt findet dieser Vorgang statt?

  Lösung

  Der entscheidende Takt ist der dritte Takt. Dieser wird auch Arbeitstakt genannt.

  Im ersten Takt wird der Kraftstoff durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Im zweiten Takt wird es dann verdichtet.

  Im dritten Takt wird der Kraftstoff dann entzündet. Bei der Verbrennung des Kraftstoffes entsteht viel Wärme. Die Temperatur und damit auch der Druck steigt.
  Die Wärme wird in Volumenänderungsarbeit umgewandelt. Der Kolben wird nach unten gedrückt und stößt damit die Kurbelwelle an. Dabei wird das Volumen größer.
  Dies hat wiederum zur Folge, dass Temperatur und Druck wieder sinken.

  Im vierten Takt werden die entstandenen Verbrennungsgase dann aus dem Zylinder gedrückt und alles beginnt wieder von vorne.

  Im Arbeitstakt bekommt die Kurbelwelle so viel Schwung, dass es ausreicht, um die anderen Takte zu bewerkstelligen.

• Nenne die Energieumwandlungen, die im Auto stattfinden.

  Tipps

  Das entscheidende Bauteil ist der Verbrennungsmotor. Was passiert dort mit dem Kraftstoff und wie kann dieser das Auto antreiben?

  Der Kraftstoff entspricht der chemischen Energie. Dieser wird in den Verbrennungsmotor gebracht. Am Ende treibt die Kurbelwelle die Räder an. Welcher Energieform entspricht dies und was passiert dazwischen?

  Im Verbrennungsmotor wird der Kraftstoff verbrannt. Dabei entsteht Wärme. Das entstandene Gas dehnt sich aus und bringt damit die Kurbelwelle in Schwung. Welche Energieformen wurden hier ineinander umgewandelt?

  Lösung

  Der Kraftstoff beinhaltet chemische Energie.
  Der Kraftstoff wird in den Verbrennungsmotor gesaugt. Im dritten Takt wird er dort mit der Zündkerze entzündet.

  Bei der Verbrennung entsteht viel Wärme. Die chemische Energie wurde demnach in Wärmeenergie umgewandelt.

  Durch die Wärme steigt die Temperatur und der Druck im Zylinder des Verbrennungsmotors. Das nun entstandene Verbrennungsgas dehnt sich aus.
  Die Wärmeenergie wird in Volumenänderungsarbeit umgewandelt.

  Dadurch, dass sich das Gas ausdehnt, wird der Kolben nach unten gedrückt. Dieser ist mit der Kurbelwelle verbunden, welche so Schwung erhält. Die Volumenänderungsarbeit wurde in mechanische Arbeit umgewandelt.

  Die Kurbelwelle dreht die Räder und bewegt damit das Auto vorwärts.

• Erkläre die Bewegung des Kolbens.

  Tipps

  Es ist bei den Drücken ähnlich wie beim Tauziehen. Was passiert, wenn beide gleich stark oder einer stärker zieht?

  Das ideale Gasgesetz zeigt den Zusammenhang zwischen Druck, Volumen und Temperatur.

  Da Druck auch durch Kraft pro Fläche ausgedrückt werden kann, ist ein Druckgleichgewicht auch ein Kräftegleichgewicht.

  Lösung

  Es gilt: $F = \frac{p}{A}$.
  Wenn ein Gleichgewicht der Drücke herrscht, dann herrscht deswegen auch ein Kräftegleichgewicht.

  Wenn sich der Kolben nicht bewegt, dann sind die Drücke von innen und von außen gleich groß.
  Wenn dem Zylinder von außen Wärme zugeführt wird, dann steigt die Temperatur.
  Wegen des idealen Gasgesetzes steigt damit auch der Druck.

  Der innere Druck ist dann größer als der äußere – der Kolben wird nach außen gedrückt. Dabei wird das Volumen größer.

  Mit steigendem Volumen werden Druck und Temperatur wieder geringer. Der Kolben bewegt sich so lange, bis wieder ein Kräftegleichgewicht herrscht.

• Erkläre, wie Volumenänderung und Energieumwandlung zusammenhängen.

  Tipps

  Das ideale Gasgesetz zeigt den Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Volumen. Die Teilchenzahl ist bei einem geschlossenen Zylinder konstant.

  Wird eine Luftpumpe bei geschlossenem Ventil nach unten gedrückt, so geht es immer schwerer, je weiter der Kolben nach unten gedrückt wird. Wird das Volumen im Zylinder dabei kleiner oder größer? Wie ist es mit dem Druck?

  Wird einem Luftballon Wärme zugeführt, dann wird er immer größer und platzt irgendwann. Wie verhalten sich dabei Temperatur, Druck und Volumen?

  Lösung

  Bei idealen Gasen hängen Druck, Temperatur und Volumen direkt zusammen. Dieser Zusammenhang wird beim idealen Gasgesetz deutlich:
  $p \cdot V = N \cdot k_b \cdot T $.

  Wenn das Volumen größer wird, sinken Druck und Temperatur.
  Wird das Volumen kleiner, dann steigen Druck und Temperatur.

  Bei Zufuhr von Wärme dehnt ein Gas sich aus. Das lässt sich leicht mit einem Experiment zeigen:
  Stülp dazu einen leeren Luftballon über eine leere Flasche. Wenn man diese Flasche in ein heißes Wasserbad stellt, dann bläst sich der Luftballon etwas auf.
  Die Luft in der Flasche dehnt sich also aus.

  Erhitzt man einen aufgeblasenen Luftballon sogar sehr stark, dann dehnt er sich immer weiter aus. Irgendwann platzt er. Erst steigt das Volumen. Irgendwann geht das nicht mehr und der Druck kann nicht durch steigendes Volumen verringert werden. Er wird immer größer und lässt den Luftballon platzen.

• Nenne das Prinzip von Wärmekraftmaschinen.

  Tipps

  Dieses Diagramm zeigt eine Wärmekraftmaschine. Was wird zugeführt, was wird abgeführt? Q steht für die Wärme und W für die Arbeit.

  Wegen des idealen Gasgesetzes hängen Druck, Volumen und Temperatur direkt zusammen.

  Wenn der Druck bei gleichbleibender Teilchenzahl und Volumen steigt, dann steigt auch die Temperatur. Wenn das Volumen steigt, wird der Druck und damit auch die Temperatur geringer.

  Im Arbeitstakt des Viertaktmotors wird der Kraftstoff verbrannt. Das Verbrennungsgas dehnt sich aus und drückt den Kolben nach unten. Der Kolben ist fest mit der Kurbelwelle verbunden.

  Lösung

  Bei einer Wärmekraftmaschine wird Wärme zugeführt und Arbeit abgeführt.
  Es kann jedoch nie die gesamte Wärme in Arbeit umgewandelt werden. Deswegen entsteht immer ein Teil Abwärme. Dieser wird an die Maschine und die Umgebung abgegeben.

  Der Verbrennungsmotor ist ein Viertaktmotor und besteht aus vier Takten. Im dritten Takt ist der Vorgang zu beobachten, der die eigentliche Wärmekraftmaschine ausmacht.
  Dieser Takt wird auch Arbeitstakt genannt.

  Nachdem im ersten und zweiten Takt der Kraftstoff in den Zylinder eingeführt und verdichtet wurde, wird er im dritten Takt entzündet.
  Bei der Verbrennung entsteht viel Wärme. Wenn die Temperatur des Verbrennungsgases steigt, dann steigt auch der Druck.

  Der bewegliche Kolben wird dann durch den Druck nach unten gedrückt. Die Kurbelwelle ist fest mit dem Kolben verbunden und wird deswegen gedreht.
  Das Volumen wird größer – dabei sinken der Druck und die Temperatur dann wieder.

  Somit wurde die Wärme in Volumenänderungsarbeit umgewandelt.

• Berechne die zugeführte Arbeit.

  Tipps

  Für die Volumenänderungsarbeit gilt:

  In welcher Einheit kann die Arbeit angegeben werden? Führe eine Einheitenrechnung durch.

  Berechne die Volumenänderung. Das Vorzeichen muss hierbei positiv sein.

  Lösung

  Die zugeführte Arbeit $W_{zu}$ kann mit
  $W_{zu}=p \cdot \Delta V$
  berechnet werden.

  Weiter gilt für die Differenz des Volumens:
  $\Delta V= | V_2 - V_1 |=|2,5 ~ m^3 - 3 ~m^3|=|-0,5 ~ m^3|=0,5 ~m^3$.

  Wenn die gegebenen Werte in die erste Formel eingesetzt werden, folgt:
  $W_{zu}=p \cdot \Delta V=80000 Pa \cdot 0,5 ~m^3=80000 ~ \frac{kg}{m \cdot s^2}\cdot 0,5 ~m^3=40000 ~\frac{kg \cdot m^2}{s^2}=40000 ~Nm=40000~ J $.