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Verbrennungsmotoren - Referat
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 Schießpulver 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 aufwärts bewegte. Die anschließende Abkühlung des Wassers, welche durch Entfernen des Ofens beschleunigt wurde, ließ den Kolben wieder nach unten bewegen.
Erst 1765 war die Dampfmaschine, die die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens nun mittels Ventilen und Hähnen selbst steuerte, so weit entwickelt, daß sie sich auch für den Gebrauch in Fahrzeugen eignete, obwohl wegen ihrer Größe stationäre Anlagen wohl denkbar geeigneter gewesen wären.
1821 endlich konnte man sie als ausgereift und hinreichend zuverlässig 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 ließ 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-fähigkeit des Motors bei Verringerung des Verbrauchs steigerte.
Um eine weichere Verbrennung mit weniger harten Stößen im Lenoir-Motor zu erreichen, mußte das Gas-Luft-Gemisch verdichtet werden. Bei der darauf folgenden Entzündung des Gemischs durch einen elektrischen Zündfunken dehnte sich dieses aus und drückte den Kolben nach unten. Durch dessen Schwung wurde über eine Pleuelstange die Energie aus einer Abwärtsbewegung in eine Dreh-bewegung der Kurbelwelle umgewandelt. Auf dieser Kurbelwelle befanden sich Ausgleichsgewichte, die den Motorlauf ruhiger und sanfter gestalteten und außerdem, als Folge deren Trägheit, den Kolben wieder nach oben bewegten. Bei dieser Aufwärtsbewegung drückte 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-wärtsbewegenden Kolbens in den Zylinder hineingesaugt.
Verdichten. Durch die darauffolgende Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gemisch komprimiert.
Verbrennung. Befindet sich der Kolben in seiner höchsten Position (Oberer Totpunkt), ist die Verdichtung am größten und die Entzündung des Gemischs erfolgt. Durch die Ausdehnung des verbrannten Gases wird der Kolben erneut nach unten bewegt.
Ausstoß. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben, wobei er die verbrannten Gase ausstößt.
Bei den heutigen Viertakt-Motoren wird die Füllung und Entleerung der Zylinder mit Löchern im Zylinderkopf erreicht, die durch Ventile geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Nockenwelle, welche die Ventile betätigt, wird durch die Kurbelwelle im Übersetzungsverhätnis 1:2 meist über einen Zahnriemen angetrieben. Das sich die Nockenwelle halb so schnell wie die Kurbelwelle dreht, liegt daran, daß der Kolben zwei Auf- bzw. Abwärtsbe-wegungen macht, bis er einen vollständigen Arbeitstakt beendet hat (siehe oben). Die Nockenwelle kann neben den Zylindern am Motorblock liegen und die Ventile über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigen, oder sie liegt über den Ventilen und betätigt 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 Maße gewachsen als der Vergaser, der früher das Gemisch zusammenstellte und es dann von den Kolben ansaugen ließ. 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.
"Spülen" und Verdichten. Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zu seinem Oberen. Das frische Benzin-Luft-Gemisch wird auf einen Druck verdichtet, der etwas höher ist als der des Abgases. Solange der Kolben die Ein-und Auslaßschlitze noch nicht verdeckt, "spült" das frische Gemisch durch seinen höheren Druck die Abgase aus dem Zylinder hinaus. Nach dem Verschließen der Schlitze wird das Gemisch verdichtet wobei Drücke und Temperaturen mit Werten ähnlich 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 drückt den Kolben nach unten. Sobald er die Auslaßschlitze freigibt, verflüchtigt sich das verbrannte Gas in die Abgasanlage. Kurz danach werden auch die Öffnungen für den Einlaß freigegeben. Die einströmende frische Ladung wird eingespült.
1.4. Der Diesel
Der von Rudolf Diesel 1893 entwickelte Motor arbeitete durch Selbstentzündung des Gemischs aufgrund der enormen Wärmeentwicklung, die durch eine hohe Kompression des Gases in den Zylindern erreicht wurde. Mit durch Druckluft im Zündzeitpunkt in den Zylinder eingeblasenes Petroleum brachte Diesel 1894 den Motor das erste Mal zum Laufen.
Der erste serienreife Dieselmotor wurde 1897 der Öffentlichkeit vorgestellt und leistete schon damals 13,1 kW. Er unterbot mit seinem niedrigen Kraft- stoffverbrauch alle damals gebauten Wärmekraftmaschinen.
Die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum (z.B. VW´s TDi) sorgt für eine gute Verwirbelung des Kraftstoffs. Sie erfordert zwar einen hohen Einspritzdruck, ermöglicht 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 Gehäuse dreht sich ein Kolben, der die Form eines Dreiecks mit abgerundeten Seiten besitzt, exzentrisch (außerhalb des Mittelpunktes) um eine Welle. Diese Welle (Exzenterwelle) befindet sich im Mittelpunkt des Gehäuses. Um den Kolbenmittelpunkt herum befindet sich ein Loch, in dem ein Exzenter drehbar gelagert ist. Die Zähne des Exzenters greifen in die eines auf der Exzenterwelle sitzenden Zahnrades. An den drei Kolbenstirn-flächen vollzieht sich die Umwandlung von Druckenergie in mechanische Arbeit. Die dabei auftretende Kraft drückt 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 Stirnflächen aufweist, können drei Arbeitsspiele pro Kolbenumdrehung durchgeführt werden.
Er wird bisher nur als Ottomotor gebaut, da sich der langgestreckte, flache Brennraum nicht für einen Dieselmotor eignet.
Er besitzt die Vorteile, daß keine Bewegungsumformung notwendig ist und dadurch auch keine Massekräfte 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 Entzündung ausdehnt (s.o.). Man unterscheidet sie dabei lediglich nach den zwei Arten, wie die Entzündung des Gemischs erreicht wird - durch eine Zündkerze (Benzinmotor) oder durch Selbstentzündung (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 natürliche Gefüge der Natur schon allein durch seine Existenz. Und dies längst, bevor er das Automobil erfunden hatte. Er baut Unterkünfte, 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, Erdöl und Erdgas zu entnehmen. Dabei verschmutzt er das Wasser, verunreinigt die Luft und fällt den Baum, der zum Beispiel für die Wiederaufbereitung der Atemluft eine wichtige Rolle übernommen hat. Der Mensch heizt seine Wohnungen, wobei er Holz, Kohle oder Erdöl verbrennt. Er benötigt Arbeitsplätze, die Industrie schafft sie und beutet dabei zusätzlich noch die Natur aus. Doch auch sie produziert Schadstoffe. Sie entstehen durch bio-logische Prozesse. Bei Waldbränden 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 natürlich auch nicht vergessen darf, daß das Auto nicht in Gang gesetzt wird um Schadstoffe zu produzieren, sondern um dem Menschen Mobilität und Lebensfreiheit zu verschaffen.
Bei jedem Verbrennungsvorgang entstehen Abgase, die Schadstoffe enthalten. Nur bei einer vollständigen Verbrennung eines nur aus Kohlen- und Wasserstoff zusammengesetzten Kraftstoffs entstünden unter idealen Bedingungen lediglich die unschädlichen Stoffe Kohlendioxid und Wasserdampf. Da diese idealen Be-dingungen aber weder vom Kraftstoff noch vom Motor erfüllt werden konnten und können, 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 unvollständiger 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 würde auch den Katalysator effektiver arbeiten lassen.
2.2. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
Für die vollständige Verbrennung von 1 kg Kraftstoff werden 14,7 kg Luft be-nötigt. Bei diesem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 : 1 spricht man vom stöchiometrischen Gemisch. Die Abbildung 1 (siehe Anhang 2) zeigt die Konzentration der drei Abgasbestandteile CO, HC und NOx sowie den spezifischen Kraftstoffverbrauch be in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ. Im Fall λ=1 wird der Kraftstoff annähernd vollständig verbrannt. Es ist klar zu erkennen, daß - unabhängig davon, welches Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt ist - nicht alle drei Abgaskomponenten gleichzeitig ver-ringert werden können. 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 Möglichkeit besteht darin, die Auspuffgase katalytisch vollständig zu verbrennen."
Unter einem Katalysator versteht man allgemein einen Stoff, der allein durch seine Anwesenheit einen chemischen Prozeß begünstigt, beschleunigt oder überhaupt erst ermöglicht. An dem Prozeß 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 außen Luft zugeführt (Oxidation). Dann ließ man sie durch den Katalysator strömen 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 beträchtlich gereinigt, das Abgasvolumen aber steigt, da der Reduktionskatalysator ein mit mehr Kraftstoff angereichertes (fetteres) Gemisch für seine Arbeit verlangte.
Der geregelte Einbett-Dreiwege-Katalysator ist die mittlerweile beste und ge-bräuchlichste 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 mißt und Abweichungen vom Sollwert der Gemisch-aufbereitungsanlage meldet, die dann die notwendigen Veränderungen im Kraft-stoff-Luft-Gemisch durchführt. Die Lambda-Sonde arbeitet erst ab einer Temperatur von 250°C zuverlässig.
Der Katalysator dürfte 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. Abgasrückführung
Die Abgasrückführung wird zur Verringerung von Stickoxiden benutzt. Ein Teil der verbrannten Gase wird über ein Ansaugsystem des Motors dem Kraftstoff-Luft-Gemisch wieder zugefügt. Dieses führt zu Temperatursenkung und Ver-zögerung bei der Verbrennung und damit zur Reduzierung des Stickoxidanteils.
2.5. Die gesetzliche Regelung
In der Europäischen Gemeinschaft wurden zum erstenmal im Jahre 1970 Richt-linien zur Abgasbegrenzung gültig.
Ab 1997 gelten die neuen europäischen Abgasnormen (Euro II). Für die Höhe 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 genügen.
Im Jahr 2005 will die EU noch einmal die Emissionen senken. Dafür werden Ver-besserungen am Auto aber kaum ausreichen.
2.6.: Der Energieverbrauch
Bislang verbrauchen wir die überwiegende Menge der Energie zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung.
Der Verkehrssektor, und somit die Verbrennungsmotoren, hat nach den Haus-halten mit 46% den höchsten Anteil am Mineralölverbrauch.
Diesen Verbrauch zu senken ist das Ziel aller Energiesparmaßnahmen
2.6.1. Verbesserung von Motor und Getriebe
Eine Erhöhung der Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erlaubt die Ver-wendung von Superbenzin. Ein Vergleich von zwei serienmäßigen, weitgehend gleichen Ottomotoren mit 1,2 und 2 l Hubraum, jeweils für Normal- und Super-benzin ausgelegt, ergab die folgenden Verbrauchsdaten, über die wohl kaum mehr ein Kommentar zu verlieren ist:
Eine große Rolle beim Energiesparen spielt der lang übersetzte letzte Gang. Er verschiebt die vom Motor abgegebene Leistung zu niedrigen Drehzahlen. Der Motor zieht anstatt er dreht. Dabei sind Einsparungen bis zu 10 % möglich. Wie sich Fahren bei niedrigen Drehzahlen auszahlt läßt 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 Höchstdrehzahl 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 üblichen 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 % höher als bei gleichmäßigem Rollen mit 50 - 60 km/h, bei nur 20 km/h um etwa 100 % höher 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 wächst er mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, und die erforderliche Motorleistung, ihn zu überwinden, sogar mit der dritten Potenz. Ein exakter Vergleich bei einem Mittelklassefahrzeug mit 55kW/75PS und 1050 kg bei halber Zuladung, einer Stirnfläche von 1,8 m² 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 stärker 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 zusätzlich im Wagen mitgeführte kg den Verbrauch um 0,6 bis 0,7 l/100 km erhöhen.
Daraus folgt, daß der Gewichtseinsparnis primär die Aufmerksamkeit zum Zwecke der Verbrauchssenkung gewidmet werden sollte.
Doch auch hierbei treten Schwierigkeiten auf: Ein 1000 kg Mittelklassewagen enthält etwa 600 kg Stahl, 150 kg Gußeisen, aber nur 30 kg Aluminium. Der Rest entfällt auf weitere Metalle, Gummi, Glas, Kunst-stoffe und Lack. Um aber mit extremem Leichtbau das Gewicht von 1000 auf 850 kg zu senken, müßte der gesamte Energieaufwand bei der Herstellung von derzeit 12000 kW-Stunden (9000 für die Werkstoffe, 3000 für die Fertigung im Werk und bei den Zulieferern) auf 19000 kW-Stunden steigen was die Energiewirtschaft zunächst belasten und erst nach langen Laufstrecken durch eingesparten Kraftstoff aufge-wogen würde.
3. Alternativen
3.1. Der Magermotor
Dieses Antriebskonzept ist dem Eintritt in die Großserie am nächsten. Der Motor beruht auf dem Prinzip des Otto-Motors. Das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff liegt bei diesem in der Nähe von 14,6 zu 1, denn nur bei diesem Gemisch kann der Katalysator optimal arbeiten. Wird dem Gemisch mehr Luft zugefügt (Mager-gemisch), läuft 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 zugefügt, geht der Anteil dieses Schadstoffes wieder stark zurück. Dafür muß das Verhältnis 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 benötigen weder Kupplung noch Schaltgetriebe. Sie verbinden Laufruhe und Schwingungsfreiheit mit einer oft überlegenen 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 beschränkt. Zudem wäre der Preis aus Gründen derb Technik und der Fertigung höher als der eines Wagens mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor. Außerdem 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 vollständig zu betreiben. Der größte 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 Heißluftmotor, welcher extrem geräuscharm, kraftstoffgleichgültig und langlebig war. Anstatt wie beim her-kömmlichen Ottomotor das Gas selbst im Zylinder zu verbrennen, sollte es in einem geschlossenem Kreislauf verdichtet und ausgedehnt, vorher abgekühlt und zwischenzeitlich aufgeheizt werden. Dies allerdings bedurfte einer äußeren Heiz-quelle und Kühlung. Insgesamt bleibt er zu träge, beansprucht zum Lastwechsel ganze Minuten statt Sekundenbruchteile. Keine geringen Probleme bedeuten schließlich die Wärmespannungen durch die extremen Temperaturunterschiede zwischen raumkalten und 700 °C heißen Zonen. Auch kommen Stirlingantriebe als Otto-Ersatz für Personenwagen viel weniger in Betracht als – frühestens Übermorgen - für Nutzfahrzeuge. Indes errichtet der hohe Preis eine schwierige Hürde. Auch die Kühler fallen wesentlich größer und schwerer aus als bei herkömmlichen Otto- bzw Dieselmotoren. Die größten Vorzüge bietet er mit der Schadstoffarmut, mit dem ausgezeichneten Drehmomentverlauf und mit der schier unbegrenzten Vielstoffähigkeit. Trotzdem bleiben gleichwertige Lösungen 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 würde 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 könnte für ein Auto eine Fahrstrecke von 30000 km ohne Nach-laden gewährleisten. Aber auch das Nachladen stellt kein Problem dar: Es erfolgt mit einem gewöhnlichen 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 beschränkt, dann genügt ein Lademotor kleiner Leistung den man im Auto mitnimmt und notfalls an ein Stromnetz anschließt. Das bedeutet, hinsichtlich der Zeitdauer für das Aufladen sind die Schwungräder weitaus vollkommener als elektrische Akkumulatoren, die dafür bekanntlich mehrere Stunden brauchen. Ein mit einem Superschwungrad von 100 kg Masse und einer Drehzahl von 23700 bis 11900 U/min (Drehzahlen unter der Hälfte der Ursprungsdrehzahl liefern zu wenig Energie) ausgestattentes Auto kann innerhalb von 15 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigen und ist für eine Reisegeschwindigkeit von 90 km/h ausgelegt, wobei diese Geschwindigkeit kurzzeitig erheblich überschritten werden kann. Die Fahrstrecke eines solchen Autos liegt momentan noch bei ungefähr 60 km. Auch wurden Schwungräder erprobt, die eine Fahrstrecke von fast 500 km ermöglichten. Das Schwungradmobil braucht längere Pausen nicht zu fürchten: das Schwungrad dreht sich bis zu 40 Tage ohne zum Stillstand zu kommen. Aber das sind nicht die Grenzen: ein amerikanisches Schwungrad mit magnetischer Aufhängung hat sogar so geringe Verluste, das es sich über 10 Jahre lang drehen kann.
Warum aber gibt es bei so offensichtlichen Vorteilen noch nicht überall so-genannte Energiekonserven? Vor allem deshalb nicht, weil das Superschwungrad eine noch keine 20 Jahre alte Erfindung ist. Außerdem ist die Superschwungrad-Energiekonserve eine extrem komplizierte Vorrichtung.
3.6. Die Brennstoffzelle
Diese Art des Antriebs könnte in gut zehn Jahren der beste im Auto sein. Er ist absolut sauber, leise und vibrationsfrei. Dazu kommt, daß er mechanisch einfach, nahezu verschleißfrei, mit hohem Wirkungsgrad und von langer Lebensdauer ist.
Der aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Strom wird, ohne Umwege über eine schwere Speicherbatterie, direkt zum Antriebsmotor weitergeleitet. Dadurch hat sie einen Wirkungsgrad von mindestens 50 %. Von Wissenschaftlern werden sogar bis zu 80 % für möglich gehalten.
Die Brennstoffzelle verbraucht derzeit pro 100 km 10 - 15 l Wasser, d.h. daß es keine schädlichen Abgase mehr gibt. Somit macht die Brennstoffzelle das Auto zum absolutem Zero-Emission-Car. Diese Bilanz geht selbstverständlich 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 vollständig 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 überwiegend.
Die derzeitige Situation, in der sich unsere Energiewirtschaft befindet, kann man mit der eines Autofahrers vergleichen, der auf einer von Bäumen umsäumten Straße auf Glatteis gerät. Scharfes Bremsen führt nur dazu von der Strecke abzu-kommen. Auch plötzliches Gegenlenken würde selbiges bewirken. Es hilft also nur den eingeschlagenen Kurs beizubehalten, die Geschwindigkeit langsam zu verringern und eine neue Richtung einzuschlagen.
Quelle(n) für dieses Referat: 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 über Autos und Umwelt wissen wollten, Volkhard Möcker und Karl Georg Tempel, Verlag W. Kohlhammer GmbH 1987
Technik kurz und bündig: Otto- und Dieselmotoren, Heinz Grohe, Vogel-
Verlag 1981
Abgasanlage für Kraftfahrzeuge, Dieter Kattge und H.W. Leffler, Verlag für moderne Industrie 1990
Verkehrsinfarkt, Heinz Büthmann, Rohwohlt Taschenbuchverlag 1990
Verkehr, Dieter Seifried, C.H. Beck München 1990
Tabellenbuch Kraftfahrzeugtechnik, G. Hamm und G. Dürk, Holland & Josenhansverlag 1988
Der Autoknigge, Olaf Achilles, Rowohlt Taschenbuchverlag 1987
Einspritzung bei Otto- und Dieselmotoren, Wolfgang W. Gnadt, Bartsch Verlag München 1978
Otto- und Dieselwagen, Hinz Grohe, Vogelverlag 1981
Motorenfilter, Klaus Ulrich Blumenstock, Verlag für moderne Industrie 1989
Das Auto, Gerald Leugnau, R.v. Decker und C.F. Müller Verlagsgesellschaft mbH 1989
Schnelle Motoren, H. Hütten, Richard Karl Schmidt und Co. Braunschweig 1977
Automobil von A-Z, Jürgen Lewandowski, Südwest Verlag 1986
Motoren, Helmut Hütten, 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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