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Hier findest du alle Infos zur Unterrichtseinheit.

Allgemeine Hinweise zu den Themenseiten

 

Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.

 

Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.

 

Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Du den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.


Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de


Technische Industrialisierung

 

Inhalt

→ Teil 1:

Anfänge der Industrialisierung 

Papins atmosphärische Dampfmaschine

Erste praktikable Dampfmaschine (Savery)

Weiterentwicklung der Dampfmaschine (Newcomen)  

Weiterentwicklung der Dampfmaschine (Watt) 

Weiterentwicklungen der ersten Dampfmaschine von Papin (Zusammenfassung)

Industrialisierung in Deutschland 

 

Teil 2:

Fortschritte auf verschiedenen Gebieten der Technik beeinflussten sich gegenseitig  

Anwendungen der Dampfmaschine 

Weiterentwicklung der Dampfmaschine - Verbrennungsmotoren

Moteur Lenoir – 1860 

Hubkolbenmotoren 

Der Zweitakt-Ottomotor 

Der Viertakt-Ottomotor

Vergleich: Viertaktmotor ↔ Zweitakter 

Ottomotor: Die Kraftstoff-Gemischbildung 

Der Viertakt-Dieselmotor 

 

Alle Folien in einem Heft:

Produktplatzierungen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. (Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.)

Publikationen

Hinweis:
Die Inhalte dieser Unterrichtseinheit zielen ab auf die Vermittlung eines ersten Eindrucks zur Thematik. Sie richtet sich an Schüler des technisch-naturwissenschaftlichen Wahlpflichtfachs und ist als Einstieg für Schüler der 7./8. Jahrgangsstufe konzipiert.


Im Rahmen der Unterrichtseinheit hält jeder Schüler einen Kurzvortrag zu einem bestimmten Thema. Der Vortrag soll 5 Minuten dauern und mit Hilfe eines Präsentationsprogramms gehalten werden.


Als Präsentationsprogramm wird das quelloffene Office-Paket LibreOffice oder Apache OpenOffice verwendet.

 

Die Bewertung erfolgt nach den Kriterien:

Einhaltung der Zeitvorgabe (5 Pkte),
Foliengestaltung (5 Pkte),
Präsentation der Inhalte (5 Pkte).

 

Hier einige Informationen zur Vorbereitung deines Vortrags:

  • Für die Einhaltung der Zeitvorgabe sollte der Vortrag unbedingt eingeübt werden (vor dem Spiegel oder mit einem Mitschüler). Fachbegriffe verwenden!! 
  • Die Folien sollen keinen kompletten Text enthalten. Stichpunkte bei gut lesbarer Schriftgröße 28 oder 32, Überschriften entsprechend größer.
  • Der Folienhintergrund und die Schriftfarbe sollen einen guten Kontrast haben (Achtung: Die Darstellung des Beamers ist oft schlechter lesbar als am Monitor! – vorher testen).
  • Der Vortrag sollte deutlich, ruhig und langsam durchgeführt werden (angepasste Lautstärke). Während des Vortrags werden keine Fragen der Zuhörer gestellt. Diese kommen anschließend zu Wort.
  • Als Vortragender sollte man sich nicht verstecken. Für die Zuschauer ist der Vortragende die zentrale Person. An den Folien dürfen spezielle Zusammenhänge auch direkt erklärt und gezeigt werden.
  • Die Anzahl der Folien sollte bei 5 Minuten Vortragszeit nicht mehr als 7-8 sein.
  • Eine einleitende Folie kann die Struktur eines Inhaltsverzeichnisses haben und eine kurze Übersicht zu deinem Thema und deiner Vorgehensweise geben.
  • Animationen sind schön, sollen aber den Vortrag nicht zu sehr beeinflussen. Hier gilt die Devise: „Weniger ist hier manchmal mehr“.
  • Keine Angst vor dem Vortrag, eine gute Vorbereitung gibt hier Sicherheit. Gib dein Bestes, mehr kann keiner erwarten.  Evtl. kann ein kleiner Merkzettel für den Vortrag vorbereitet werden. Das gibt Sicherheit, es soll aber nicht nur abgelesen werden!! Lege den Zettel vor dir auf den Tisch, dann kannst du bei Gelegenheit auch einen kurzen Blick darauf werfen.
  • Der Vortragende sollte auch öfter ins Publikum schauen. Das ist vielleicht nicht ganz leicht, aber die Zuhörer fühlen sich dadurch angesprochen und sind aufmerksamer.
  • Hinweise zu den Quellen runden den Vortrag ab und dokumentieren eine gute Vorbereitung. 
  • Am Ende des Vortrags beendet man mit einem schönen Abschluss-Satz und leitet über zu den Publikumsfragen.

Viel Erfolg!

 


Infotext - Industrielle Fortschritte beeinflussen sich gegenseitig


Mit Kohle und Eisen zur Schwerindustrie

Im Verlauf der Entwicklung stieg die Nachfrage nach Dampfmaschinen. Die Maschinenherstellung in großem Maßstab hing aber wiederum ab von der Eisengewinnung. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts wurden erst vergleichsweise geringe Mengen Eisen produziert, und zwar allein mit Hilfe von Holzkohle. Kohle war in England bereits im Mittelalter in geringen Mengen verwendet und seit dem 19. Jahrhundert als Wärmequelle eingesetzt worden. Die Verwendung von unbehandelter Steinkohle zur Eisenerzeugung war damals wie heute nicht möglich. Die Wälder waren durch den zunehmenden Bedarf an Holzkohle (und durch die anderen Verwendungen wie Schiffbau, Bauholz, Pfahlfundamente, Kanalbau etc.) so weit ausgebeutet worden, dass die Eisenproduktion in noch bewaldete Gegenden abwandern musste. Die Holzkohle-Knappheit wurde in England zum Problem.

 

Der englische Eisenfabrikant Abraham Darby I hatte schon 1709 mit der Verkokung von Kohle zu Koks und deren Einsatz zur Eisenproduktion im Hochofen begonnen. Es dauerte aber noch Jahrzehnte, bis die angewandten Produktionsmethoden großtechnisch anwendbar wurden. 

 

Einschub: Koks, Verkokung

Koks (von englisch coke) ist ein poröser, stark kohlenstoffhaltiger Brennstoff, der aus Kohle durch Wärmeeinwirkung erzeugt wird. Beim Verbrennen von Koks fällt im Vergleich zu Kohle weniger Rauch, Ruß und Schwefel an. Deshalb wird Koks in Hochöfen bei der Stahlherstellung und auch zum Heizen verwendet. Der Vorgang zur Umwandlung von Kohle zu Koks wird als „Verkokung“ bezeichnet und findet in speziellen Industrieanlagen statt, sogenannten „Kokereien“.

 

Mit dem Verfahren der Verkokung ließ sich zwar Gusseisen in großen Mengen billig herstellen, aber Schmiedeeisen (heute als Stahl bezeichnet) musste nach wie vor mit Hilfe von Holzkohle produziert werden. Erst Anfang des 19. Jahrhunderts gelang es, Steinkohle anstelle der Holzkohle in großen Mengen zur Herstellung von Schmiedeeisen zu verwenden. Seitdem konnten Maschinen, Eisenbahnen und größere Schiffe in ganz anderem Ausmaß hergestellt werden.

 

Mit der Verwendung von und Steinkohle zur Herstellung von Schmiedeeisen stieg der Bedarf an Kohle rasant an. Anfangs wurde vorwiegend in den günstigen Bergbauformen Tagebau sowie Stollenbau abgebaut, da auf diese Weise das Problem einbrechenden Grundwassers vergleichsweise leicht gelöst werden konnte. Seit die Dampfmaschine als Wasserpumpenantrieb eingesetzt wurde, konnte Kohle dann aber aus immer größeren Tiefen gefördert werden. Das wiederum erforderte immer bessere Pumpen und effizientere Dampfmaschinen

 

Für Eisen und Stahl bestand ein immer größerer Bedarf. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde die Eisen- und Stahlerzeugung durch Erfindungen wie beispielsweise die Bessemerbirne (1855, Entwickler: Henry Bessemer, britischer Ingenieur und Erfinder) verbessert. In der so genannten Bessemerbirne, einem zylinderförmigen feuerfesten Gefäß, wird Luft durch das im Hochofen geschmolzene und sehr kohlenstoffreiche Roheisen geblasen. Der Kohlenstoff und andere Elemente verbrennen dadurch und die Temperatur der Schmelze steigt weit über die Schmelztemperatur des Roheisens von 1.150 °C mindestens auf die des Stahls, die bis zu etwa 1.550 °C betragen kann. 

 

Bessere Verfahren zur Eisen- und Stahlerzeugung führten dann wieder zu qualitativ hochwertigeren Schmiedearbeiten und diese ermöglichten wiederum die Produktion von immer besser funktionierenden und effizienteren Dampfmaschinen. Die besseren Dampfmaschinen führten dann wiederum zur Herstellung von Stahl in immer besserer Qualität

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 1 - Anwendungen der Dampfmaschine - Fabriken


Dampfmaschinen veränderten die wirtschaftlichen und sozialen Strukturen Europas grundlegend und lösten die industrielle Revolution aus. Als wichtigste Maschine der Industriellen Revolution und zugleich ihr Symbol wird deshalb die Dampfmaschine angesehen. Sie ersetzte mit der Zeit weitgehend die wesentlich unbeständigeren bzw. leistungsärmeren herkömmlichen Antriebskräfte, die auf dem Einsatz von Menschen und Tieren sowie auf der Nutzung von Windkraft und Wasserkraft beruhten. Anwendungen für Dampfmaschinen gab es in vielen Bereichen des Alltags, sie veränderten das Leben der Menschen in einem erheblichen Ausmaß. 

 

Manufakturen und Fabriken

Im 18. Jahrhundert begannen Bestrebungen die Effizienz bei Arbeitsprozessen systematisch zu verbessern. Es bildeten sich sogenannte Manufakturen. Unter einer Manufaktur versteht man die Zusammenfassung verschiedener Handwerke bzw. hochspezialisierter Teilarbeiter in einem Arbeitshaus. Zuvor dezentral eigenständige Berufsstände arbeiten nunmehr zentral unter einem Dach. Dabei war die maschinelle Ausrüstung meist nur geringfügig vorhanden, es wurde vor allem von Hand gearbeitet. Noch effizientere Arbeitsweisen wurden dann in Fabriken umgesetzt. Dort wurde eine größere Anzahl unterschiedlichen Arbeitsvorgängen vereinigt und weitestgehend mit Hilfe von Maschinen gearbeitet. Der eigentliche Aufschwung des Fabrikwesens und hiermit der Übergang von Manufakturen zu Fabriken beginnt mit dem Aufkommen leistungsfähiger mechanischer Vorrichtungen, insbesondere durch die Verwendung der Dampfmaschine im späten 18. Jahrhundert.

 

Textilindustrie

Die seit Mitte des 18. Jahrhunderts zunehmende Anzahl von mechanischen Erfindungen und die neuartige Nutzung nicht-menschlicher Energie kam insbesondere in dem als Schlüsselindustrie fungierenden Textilgewerbe produktiv zur Geltung. Erste Beispiele für die durch Maschinen ermöglichte Produktionssteigerung waren die Spinnmaschine und der mechanische Webstuhl. Ihr Mechanismus bewirkte dieselben Operationen, welche früher der Arbeiter mit ähnlichen Werkzeugen verrichteten.

 

Metallverarbeitende Industrie

In der metallverarbeitenden Industrie imitierten Maschinen zunächst oft die Aktivitäten der menschlichen Hand. Diese Art von Technik konnte als eine Fortsetzung und Erweiterung der alten Handwerke (wie beispielsweise Lastentransport oder Eisenschmieden) betrachtet werden. Durch spezielle Produktionsprozesse und des hierzu benötigten Erzes und der Kohle für den Schmelzprozess ist die Metallverarbeitende Industrie eng mit dem Bergbau vernetzt.

 

Bergbau

Im Bergbau war ein zentraler Einsatzbereich für Dampfmaschinen die Wasserhaltung. Darunter versteht man Verfahren, die den Zweck haben, die Baugrube zeitweise oder auch dauerhaft trockenzulegen. Durch die Wasserhaltung soll zum einen das anfallende Niederschlagswasser und zum anderen Wasser, das aus dem Baugrund in die Baugrube eindringt, entweder am Eindringen gehindert oder gesammelt und aus der Baugrube abgeleitet werden. Die Dampfmaschinen dienten dort zum Antrieb der verwendeten Pumpen.

 

Wasserwerke

Ein Wasserwerk ist eine Anlage zur Aufbereitung und Bereitstellung von Trinkwasser. Wesentliche Bestandteile sind unter anderem Filter, Pumpen und oft auch ein (Frisch-)Wasserspeicher bzw. Wasserbehälter. Bereits um 1600 existierten in 33 deutschen Städten und über 100 kleineren Orten technisch interessante Druckanlagen, die Wasser in Brunnen und in eine mehr oder weniger große Anzahl von Häusern und Gärten beförderten. Die erste zentrale öffentliche Wasserversorgung im heutigen Sinn errichtete Hamburg 1848. Zwei aus England importierte Dampfpumpmaschinen schickten das gereinigte Elbwasser in einen 76 Meter hohen Wasserturm, der auch den Schornstein für die Abgase der mit Kohle gefeuerten Dampfkessel umhüllte. Über 62 Kilometer Leitungen floss das Wasser dann auf die Dachböden von 4000 Stadthäusern (einem Drittel der vorhandenen). Berlin, das von leicht zu förderndem Grundwasser profitierte, folgte 1856, Frankfurt am Main 1873.

 

Elektrizitätswerke

In Europa und den USA begann die elektrische Industrialisierung in den 1880er-Jahren In Kaiserslautern wurde im Jahr 1894 ein städtisches Elektrizitätswerk gebaut und am 03. September erstrahlten erstmals Bahnhof und Bahnhofsvorplatz im elektrischen Licht. Bei den verwendeten Kraftwerken handelte es sich in Deutschland meist um Wasser- oder Kohlekraftwerke, anfangs meist mit Kolbendampfmaschinen betrieben. Die Dampfmaschinen trieben dabei elektrische Generatoren an, die dann wiederum die elektrische Energie erzeugten. Die Abbildung zeigt einen dampfmaschinenbetriebener Generator für das Elektrizitätswerk Budapest 1895.

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 2 - Anwendungen der Dampfmaschine - Transportwesen


Dampfkraftwagen

Ein Dampfkraftwagen ist ein Kraftwagen, der mittels Dampfmaschine angetrieben wird. Als Brennmaterial zur Dampferzeugung lassen sich billige Brennstoffe wie Brennholz, Kohle, Koks oder Teeröl sehr unkompliziert nutzen. Dampfkraftwagen waren die ersten Kraftwagen überhaupt: Den Anfang machte schon 1769 der französische Offizier und Erfinder Nicholas Cugnot mit einer Artilleriezugmaschine. Das 1878 von Amédée Bollée entwickelte La Mancelle war mit 50 Exemplaren das erste in Serie gebaute Dampfautomobil. 10 Jahre später präsentierte Carl Benz seinen Benz Patent-Motorwagen Nummer 3 (siehe Bildergalerie 2 auf der Themenseite) auf der Weltausstellung Paris 1889 einem breiten Publikum. 1906 stellte Fred Marriott auf dem Daytona Beach Road Course mit dem Model Stanley Rocket Steamer einen Geschwindigkeitsweltrekord für Automobile mit Dampfantrieb mit 205,44 km/h auf.

 

 

Eisenbahn und Dampflokomotiven

Der Antrieb der Eisenbahn erfolgte in den Anfangszeiten noch durch Zugtiere (Pferdebahn), später dann mit Dampfmaschinen. Dampflokomotiven beziehen ihre Primärenergie aus der Verbrennung der zumeist mitgeführten Brennstoffe, früher oftmals Torf oder Holz, dann Kohle. Sie sind eine Weiterentwicklung des Dampfkraftwagens. Der Beginn der Geschichte der Eisenbahn im heutigen Sinne ist das Jahr 1804, als der britische Erfinder Richard Trevithick die erste Dampflokomotive in Betrieb nahm. Allerdings lief seine Maschine noch auf Rädern ohne Spurkränze. Erste Eisenbahnfahr-zeuge in Bergwerken wurden noch durch Seilwinden bewegt, was auch heute noch als Standseilbahn oder Kabelstraßenbahn vorkommt.

   

Dampfschiffe

Ein Dampfschiff oder „Dampfer“ ist ein Schiff, das von einer (oder mehreren) Dampfmaschine angetrieben wird. Die Dampfmaschine treibt beim Raddampfer zunächst ein oder mehrere Schaufelräder an. 1707 baute Denys Papin bereits ein durch seinen Dampfzylinder und Muskelkraft angetriebenes Schaufelradboot, mit dem er auf der Fulda von Kassel nach Münden fuhr. Der technische Übergang vom Segelschiff zum Dampfschiff dauerte einige Jahrzehnte. Der Amerikaner Robert Fulton gebaute 1807 den Raddampfer „North River Steam Boat“ der aber zusätzlich noch immer mit Segeln bestückt war. Er erreichte eine Geschwindigkeit von 4,5 Knoten (8,3 km/h) und wurde zwischen New York und Albany im Linienverkehr eingesetzt. Erst 1889 wurde mit dem 20 Knoten schnellen „White-Star-Liner Teutonic“ der erste Hochsee-Dampfer ohne jegliches Segel in Dienst gestellt. Man vertraute allein auf die Kraft von zwei eingebauten Dampfmaschinen zum Antrieb von zwei Schiffsschrauben.

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Bildergalerie 3 - Industrialisierung

(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des DEUTSCHEN MUSEUMS München und des TECHNOSEUMS Mannheim)


Infotext 1 - Verbrennungsmotor und Motor Lenoir


Der französische Erfinder und Geschäftsmann Jean-Joseph Étienne Lenoir (1822 - 1900) war davon überzeugt, dass das Potential der Dampfmaschine 100 Jahre nach ihrer Erfindung weitgehend ausgeschöpft war. Ihre Nachteile waren offensichtlich: Die Maschine muss lange angeheizt werden, ehe gearbeitet werden kann, und sie ist schwer. Seine finanzielle Unabhängigkeit nutzte Lenoir, um einen eigenen Motor zu bauen. Er besuchte kostenlose Vorlesungen, beschäftigte sich sehr intensiv mit der Technik und begann dann mit der Umsetzung. Der Durchbruch gelang 1858. Lenoir entwickelte den zum ersten brauchbaren Gasmotor. Damit war die Energieversorgung direkt im Haus möglich. Der Motor musste bloß an die städtische Gasversorgung angeschlossen werden, er lief sehr leise, der Verbrauch hingegen war aber hoch.

 

Funktionsweise

Die Konstruktion ist eine Kombination bereits bekannter Elemente mit eigener Erfindungsgabe und hat einige Ähnlichkeiten mit der Dampfmaschine. Anstatt den Brennstoff wie bei der Dampfmaschine außerhalb zu verbrennen und danach die Wärme in den Zylinder zu leiten, entsteht sie beim Gasmotor durch die Verbrennung im Inneren. Der Lenoirsche Motor arbeitet dabei als sogenannter „Zweitaktmotor“:
Ein Zündgemisch aus Leuchtgas und Luft treibt dabei einen Kolben an, und dieser wiederum ein Schwungrad. Es wird mit einem Flachschieber abwechselnd auf jede Seite des Kolbens geleitet, sodass dieser, wie schon den der Dampfmaschine von James Watt, in beide Richtungen arbeitet (doppeltwirkend). Dabei wird durch die Bewegung des Kolbens gleichzeitig das im vorhergehenden Takt verbrannte Gas auf der anderen Seite ausgestoßen. Das Zündgemisch muss beim Betrieb des Motors immer wieder zum richtigen Zeitpunkt gezündet werden. Lenoir überlegte sich dafür ein elektrisch funktionierendes Zündsystem. Lenoir entwickelte dafür die sogenannte „Zündkerze“. Sie besteht aus einem Mantelbolzen aus Kupfer, der einen Stift aus Porzellan mit dem Zünddraht enthält.

 

Im November 1859 meldete Lenoir den Motor zum Patent an. Zur feierlichen Unterzeichnung des Dokuments am 23. Januar 1860 mit Demonstration waren etwa 20 Personen eingeladen. Das für eine Gültigkeit von 15 Jahren ausgestellte Patent umfasst einen „Luftausdehnungsmotor durch Verbrennung von Gas“.

 

Stärken und Schwächen

Vorteile des Motors waren die einfache Installation, der sofortigen Einsatzfähigkeit ohne Vorheizen, die hohe Zuverlässigkeit und die Laufruhe. Der Lenoir-Motor hatte aber auch einige grundlegende Nachteile: Auch sein Motor verbrauchte sehr viel Treibstoff. Da der Kolben beidseitig Explosionen ausgesetzt war, entwickelten sich sehr hohe Betriebstemperaturen. Mit den damaligen Werkstoffen und der möglichen Fertigungspräzision bestand schnell die Gefahr eines „Kolbenklemmers“. Dementsprechend benötigte der Motor viel Schmieröl sowie eine sehr leistungsfähige Wasserkühlung. Weiterhin waren der Kaufpreis und die Unterhaltskosten sehr hoch.

 

Produktion 

Eine zentrale Problematik mit der sich Lenoir auch auseinandersetzen musste war die zuverlässige und qualitativ hochwertige Produktion der Motoren in hoher Anzahl. Die erste Serienmaschine mit einer Leistung von 4 PS (nach damaliger Berechnungsmethode) wurde im Mai 1860 ausgeliefert. In den folgenden Monaten verließen 380 Motoren mit 1 bis 4 PS das Werk. Bis 1864 liefen allein in Paris 130 Lenoir-Motoren. Der Motor wurde sehr wohlwollend aufgenommen und wurde auf der Weltausstellung 1862 in London ausgezeichnet. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Infotext 2 - Motor Lenoir - Anwendungen


Stationäre Anwendungen

Verwendung fanden die Motoren oft als stationäre Motoren in Handwerks- und kleinen Familienbetrieben wie Kleidermanufakturen, in mechanischen Werkstätten oder in Druckereien.

 

Mobile Anwendungen

 

Boote

1861 brachte Lenoir einen 2-PS-Motor versuchsweise in einem Boot unter. Da Gas noch nicht mitgeführt werden konnte, musste er eine andere Treibstoffversorgung finden. Anstelle von Leuchtgas verwendete er dafür Petroleum. 1865 baute Lenoir einen 6-PS-Motor in ein zwölf Meter langes Boot. 

 

Hippomobile

Eine Version des Motors mit 1½ PS, der ebenfalls unabhängig von der stationären Gasversorgung funktionierte, baute er 1863 in einen dreirädrigen, Hippomobile genannten Wagen ein. Die Karosserie bestand aus einem hochliegenden quaderförmigen Aufbau. Darunter gab es ein Holzabteil mit der Antriebstechnik. Mit diesem Fahrzeug fuhr er die 18 km lange Strecke von seiner Werkstatt nach Joinville-le-Pont und zurück in etwa drei Stunden. Das ergab einen Durchschnitt von 6 km/h inklusive Pausen. Die Information über die Fahrt stammt von Lenoir selbst, gilt aber als gesichert. Das Fahrzeug wurde allerdings kein Erfolg wegen des hohen Gewichtes und des mit nur 100/min drehenden Motors. Ein zweites Automobil entstand 1865 und wurde an den russischen Zaren Alexander II. verkauft. Leider ist keines der Fahrzeuge mehr erhalten.

 

Luftschiff

Der deutsche Maschineningenieur Paul Haenlein (1835 – 1905) arbeitete seit mindestens 1864 an einem halbstarren Luftschiff, das er mit einem Gasmotor antreiben und dadurch lenkbar machen wollte. Die erste Fahrt war insofern erfolgreich, als das Luftschiff tatsächlich bis 20 Meter aufstieg und eine Geschwindigkeit von 18 km/h erreichte, es blieb aber insgesamt unter seinen Möglichkeiten.

 

Versuche von Jean Joseph Étienne Lenoir und anderen, die Motoren für mobile Zwecke zu verwenden (zwischen 1860 und 1870), scheiterten aber leider unter anderem immer wieder am ungünstigen Leistungsgewicht der Motoren. 

 

Bis etwa 1920 konkurrierte der Dampfantrieb mit Verbrennungsmotoren und Elektroautos (z. B. fuhr La Jamais Contente als erstes elektrischbetriebenes Auto über 100 km/h), bis sich letztlich mit technischen Verbesserungen und einem wachsenden Tankstellennetz der Verbrennungsmotor durchsetzte. Als Nutzfahrzeuge waren lange Zeit Dampfomnibusse und vereinzelt noch bis in die 1950er Jahre dampfbetriebene Lastkraftwagen, Zugmaschinen und Straßenwalzen im Einsatz. 

 

Auch in Deutschland wurde weiter am techni-schen Fortschritt gearbeitet. Der ortsfeste „Zweitaktmotor System Benz“ wurde vom deutschen Ingenieur und Automobilpionier Carl Benz ab 1881 bei der Mannheimer Gasmo-torenfabrik gebaut und in Tausenden von Exemplaren hergestellt. 

 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.


Exkurs: Die Anfänge des Automobils

Infotext - Die Anfänge des Automobils


Der Begriff Automobil leitet sich ab von griechisch autós (deutsch ‚selbst‘) und lateinisch mobilis (‚beweglich‘). Die Entwicklung begann schon vor langer Zeit. Die technischen Entwicklungen, die zum heutigen Automobil führten, begannen um 4000 v. Chr. mit der Erfindung des Rads, die unabhängig voneinander in mehreren Kulturen gleichzeitig stattfand. Der Ursprung des Wagens, also der dem heutigen Automobil vorangehenden starren Konstruktion mit Rädern, ist umstritten. Jüngere Forschungen vermuten eine mitteleuropäische Erfindung im Gebiet des heutigen Deutschlands. Im Jahr 308 v. Chr. wurde der Wagen des Demetrios von Phaleron von Menschen transportiert, die sich im Inneren des Wagens befanden. Auch aus der römischen Geschichte ist ein Wagen bekannt, der innen von Sklaven mit Muskelkraft bewegt wurde (um 200 n. Chr.). Um 1447 tauchten in Deutschland sogenannte Muskelkraftwagen auf. Eine interessante Idee brachte im Jahr 1490 Leonardo da Vinci zu Papier, er zeichnete eine Art selbstfahrenden Panzerwagen.

 

Der niederländische Mathematiker Simon Stevin baute im Jahr 1600 einen funktionierenden Segelwagen mit Rädern, der mit Windenergie 30 Personen transportieren konnte. 1649 baute der Nürnberger Zeugschmied Hans Hautsch dann einen vierrädrigen mechanischen Wagen, der angeblich mit 1,6 km/h von selbst fuhr. Zeitgenossen vermuteten einen kleinen Jungen im Wageninneren, der die Mechanik mit Körperkraft antrieb. Im Jahr 1673 konstruierte dann der niederländische Physiker Christiaan Huygens (1629–1695) eine Kolbenmaschine mit Pulverantrieb. Huygens gilt deshalb als Vordenker des Verbrennungsmotors und Erfinder des Kolbenmotors, nach dessen Schema auch die meisten heutigen Automotoren arbeiten. Huygens’ Motor war ein Explosionsmotor, bei dem Schießpulver als Brennstoff eingesetzt wurde. 

 

Mit der Erfindung der Dampfmaschine ergaben sich neue Möglichkeiten für den Antrieb. Der englische Physiker Isaac Newton legte bereits 1680 das Konzept eines Dampfwagens vor. Es dauerte aber noch bis zum Jahr 1769 bis der französische Militäringenieur Nicholas Cugnot für die französische Armee einen dreirädrigen Dampfwagen baute. Er sollte als Artilleriezugmaschine dienen. Der Dampfkraftwagen des Franzosen erreichte verschiedenen Quellen zufolge eine Geschwindigkeit zwischen 3 und 5 km/h. Der Cugnotsche „Dampfblockwagen“ war jedoch schwer zu lenken: Sein über der Vorderachse hängender Wasserkessel gab ihm ein zu hohes Frontgewicht, sodass bereits eine der erste Vorführfahrt an einer Kasernenmauer endete. Das Original befindet sich heute im Pariser Conservatoire National des Arts et Métiers. 

 

Die Geschichte des Automobils im engeren Sinn begann im 19. Jahrhundert. Es wurden eine Vielzahl an Dampfautomobilen gebaut. Im Jahr 1803 baute Ricard Trevithick in England ein selbstfahrendes Fahrzeug, das London Steam Carriage. Es war im Prinzip eine mit einer Dampfmaschine ausgerüstete Postkutsche. Es erregte die Aufmerksamkeit von Publikum und Presse, war aber im Betrieb wesentlich teurer als eine gewöhnliche Pferdekutsche und konnte sich deshalb nicht durchsetzen.
Mit dem Jahr 1860 beginnt die Zeit der Verbrennungsmaschinen. Der Franzose Étienne Lenoir ein Patent auf einen betriebsfähigen Gasmotor. Im September 1863 fuhr er mit seinem „Hippomobile“ genannten Straßenfahrzeug mit Verbrennungsmotor von Paris nach Joinville-le-Pont und zurück. Es war das erste betriebsfähige Fahrzeug mit interner Verbrennung. 

 

Obwohl bereits seit Anfang des 19. Jahrhunderts verschiedene Dampfkraftwagen und Dampfomnibusse wurden, gilt 1886 mit dem Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 (siehe hierzu auch: Bildergalerie 3 - Industrialisierung) des deutschen Erfinders Carl Benz als Geburtsjahr des Automobils als Personenkraftwagen mit Verbrennungsmotor. Es erregte große mediale Aufmerksamkeit und führte zu einer Serienproduktion.

 

Als Antriebssystem wurde aber auch weiterhin mit anderen Techniken experimentiert. Erfinder und Ingenieure in ganz Europa arbeiteten auch mit Muskelkraftwagen und auch mit Segelwagen. Schon im Jahr 1839 wurde von Robert Anderson in Aberdeen das erste Elektrofahrzeug gebaut. Das Elektroauto ist also keineswegs eine Erfindung die erst in unserer modernen Zeitalter stattfand.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Aufgaben


Fragen zum Text:

 

  1. Erkläre die Herkunft des Begriffs „Automobil“.
  2. Bereits bei den Römer versuchte man starre Konstruktionen mit Rädern zu bauen. Wie wurden diese damals angetrieben?
  3. Eine andere Antriebskraft nutze Simon Stevin für seinen Wagen. Was hatte er sich überlegt?
  4. Was ist ein „Muskelkraftwagen und wann wurden sie erstmals in Deutschland gebaut?
  5. Mit der Erfindung der Dampfmaschine gabe viele neue Ideen auch für Automobile. Beschreibe den Dampfwagen von Nicolaus Cugnot und seinen Einsatzbereich.
  6. 1803 baute Ricard Trevithick in England das London Steam Carriage. Was war das und warum war es nicht erfolgreich?
  7. Wer erfand das erste betriebsfähige Fahrzeug mit innerer Verbrennung und wie hieß es?
  8. Wer brachte erstmals Personenkraftwagen mit Verbrennungsmotor zu einer Serienproduktion und wie hieß das Fahrzeug?




Infotext - Hubkolbenmotoren


In einem Hubkolbenmotor führt die Expansion eines Gases dazu, dass mechanische Energie abgegeben bzw. Arbeit verrichtet wird.
Die Ausdehnung des Gases in einem Zylinder verrichtet Arbeit an einem Kolben, die auf die Pleuelstange übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung (oszillierend: „pendelnd“, „schwingend“) des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt.
Beispiele für Hubkolbenmotoren sind Verbrennungsmotoren mit innerer oder äußerer Verbrennung. Auch die Dampfmaschinen zählen zu den Hubkolbenmotoren.

 

Begriffe und Bezeichnungen

  • Im Zylinder gleitet der Kolben auf und ab. Zwischen Kolben und Zylinder dichten die Kolbenringe den Expansionsraum des Gases ab.
  • Der Kolben bildet im Expansionsraum eine bewegliche Wand. Durch die Bewegung wird die Expansion des Gases in mechanische Arbeit umgewandelt. 
  • In den Totpunkten kehrt der Kolben seine Bewegung um. Der obere Totpunkt (OT) ist erreicht, wenn das Expansionsraum im Zylinder das kleinste Volumen hat. Der untere Totpunkt (UT) ist erreicht, wenn der Expansionsraum sein größtes Volumen hat.
  • Der Hubraum ist die Differenz zwischen dem Zylindervolumen im UT und im OT.
  • Der Kurbeltrieb wandelt die Kraft der Gasexpansion und die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine rotierende Bewegung der Kurbelwelle um und steuert den Ablauf des Gasaustauschprozesses, sowie ggf. weitere synchrone Vorgänge. 
  • Die Kurbelwange dient zur Begrenzung der Drehschwingungen und als Zwischenspeicher für die Energie zum Gaswechsel und zur Gasverdichtung vor der Verbrennung.
  • Massenkräfte entstehen durch die oszillierende Bewegung des Kolbens. Die rotierenden Massen beim Betrieb des Motors können durch Gegengewichte ausgeglichen werden. Dadurch können die Vibratio-nen des Motors reduziert werden.
  • (Weitere Bezeichnungen: siehe Folie)

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Infotext - [14a] Industrialisierung - Zweitaktmotor - Anwendungen und Eigenschaften

 

Ein Zweitaktmotor ist ein Hubkolbenmotor, der aus der Verbrennung von Kraftstoff mechanische Leistung erzielt. Ein „Arbeitsspiel“, d.h. ein komplett abgeschlossener Kreisprozess beim Betrieb, währt eine Kurbelwellenumdrehung. Der Kolben des Motors bewegt sich dabei einmal nach oben und einmal wieder zurück, also zwei Takte. Die meisten Zweitaktmotoren sind unkompliziert und kostengünstig, zudem haben sie ein geringes Leistungsgewicht.
 
Die ersten Zweitaktmotoren wurden zwischen 1860 und 1870 von Jean Joseph Étienne Lenoir und anderen für mobile Zwecke verwendet. Verbreitet wurden Zweitaktmotoren angewendet in Motorrädern, Mopeds und Motorrollern, aber auch in Personenkraftwägen (PKW) eingesetzt. Dort konnte sich das Zweitaktverfahren allerdings nicht erfolgreich etablieren. Inzwischen werden „Zweitakter“ auch bei Außenbordmotoren und tragbaren Geräten wie Kettensägen, Motorsensen, Rasentrimmern, Laubsaugern und Laubbläsern verwendet. Dabei kommt es darauf an, dass sie leicht und leistungsstark sein sollen. Auch im Bereich von Kraftwerken und sehr großen Schiffsantrieben werden große Zweitaktmotoren verwendet und zählen insgesamt zu den effizientesten Kraftmaschinen, die auch Restöle verwerten können. Bezüglich der Umweltverträglichkeit ist das allerdings sehr negativ zu bewerten, dort zählt in erster Linie die Wirtschaftlichkeit, da Abgasemissionen in der Schifffahrt nur langsam reglementiert werden.
 
Vorteile von Zweitaktmotoren:
  • Großes Beschleunigungsvermögen durch ein hohes maximales Drehmoment.
  • Gleichmäßigere Beschleunigungsvermögen, da er bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle zündet.
  • Wartungsarmer und zuverlässiger Betrieb aufgrund von nur drei beweglichen Teilen (Kolben, Pleuel und Kurbelwelle).
  • Geringes Gewicht
  • kein Motorölwechsel erforderlich
  • Sehr kurze Warmlaufphase, besseres Kaltstartverhalten
 
Prinzipbedingte Nachteile dieser Motorbauart sind:
  • Gaswechsel: Für das Ausstoßen des Abgases und das Füllen des Zylinders mit Frischgas steht nur eine sehr kurze Zeit zur Verfügung. Das führt zu Spülverlusten. 
  • Spülverluste: Ab- und Frischgas können sich beim Ladungswechsel vermischen, dadurch können Reste vom Frischgas in den Auspuff gelangen oder Abgas im Zylinder verbleiben. Das bewirkt einen ineffizienten Verbrennungsprozess (Verbrauchsnachteil) und führt zu Problemen bei der Luftreinerhaltung (starke Geruchsbelästigung, z.B. bei Mopeds und Motorrollern).
  • Thermische Belastung: Für Zylinder, Kolben und Kolbenbolzen stellen sich hohe Wärmeströme ein. Diese müssen beispielsweise durch Kühlung oder geringere Leistung gemindert werden. 
  • Mechanische und elektrische Belastung: Speziell die Dichtungsringe (Kolbenringe) sind mechanisch sehr gefährdet. Die Zündanlage unterliegt einer besonders starken Beanspruchung und damit auch Störanfälligkeit. Der Verschleiß der Zündkerzen ist deshalb bedeutend größer.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.



Infotext - Steckbrief - Nikolaus August Otto


Nicolaus August Otto (1832 - 1891) war ein deutscher Erfinder vieler noch in Verbrennungsmotoren verwendeter Details. Unter dem heutige Begriff „Ottomotor“ versteht aber nicht seinen damaligen Motor, sondern wurde zu seiner Ehrung 1936 vom VDI (Verein Deutscher Ingeniure) als Bezeichnung für alle Hubkolbenmotoren mit Fremdzündung vorgeschlagen und 1946 in einer DIN-Norm eingeführt. Der Autodidakt absolvierte nie ein Hochschulstudium, erhielt aber trotzdem später die Würde eines Ehrendoktors. 

 

Familie

Otto war Sohn einer Land- und Gastwirtsfamilie, sein Vater hatte auch die Posthalterei des Ortes. Otto durchlief eine Lehre als Kaufmann und verdiente seinen Lebensunterhalt nach seiner Lehrzeit als Handlungsgehilfe in Frankfurt am Main und Köln. Otto lernte 1858 im Kölner Karneval Anna Gossi kennen. Er durfte sie jedoch erst zehn Jahre später heiraten, nachdem er nach langen Mühen endlich das notwendige sichere Einkommen für eine Eheschließung erreicht hatte. Sie hatten sieben Kinder, sein einziger Sohn Gustav wurde Flugzeugbauer.

 

Lebenslauf

Bereits 1862 begann er erste Experimente mit Motoren. 1864 gründete er zusammen mit dem Ingenieur Eugen Langen zunächst die erste Motorenfabrik der Welt, „N.A. Otto & Cie“. Zum 5. Januar 1872 erfolgte die Umwandlung in eine Aktiengesellschaft (Gasmotoren-Fabrik Deutz AG).
Im Jahre 1876 gelang es Otto einen Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung zu entwickeln, der durch Wilhelm Maybach und Gottlieb Daimler die Serienreife erlangte. Dieser Gasverbrennungsmotor wurde auf der Grundlage einer Erfindung von Étienne Lenoir entwickelt. Dieser Motortyp ist die Grundlage für den Bau von Verbrennungsmotoren bis zum heutigen Tag. 
Auf der Pariser Weltausstellung im Jahre 1867 präsentierten sie ihre Version eines Gasmotors zum ersten Mal der Öffentlichkeit. Diese neue Motorenentwicklung hatte ein Drittel des Kraftstoffverbrauchs der bis dahin bekannten Motoren. Sie wurde mit einer Goldmedaille ausgezeichnet. Im Jahre 1876 erfolgte die Markteinführung des Motors. 1884 erfand Otto für seine Gasmotoren die elektrische Zündung. Durch diese Neuerung wurde es möglich, flüssige Brennstoffe alternativ zum bisher ausschließlich verwendeten Gas zu benutzen.

 

Patentstreitigkeiten

Unabhängig voneinander hatten schon vor Nicolaus August Otto andere Erfinder Patente auf vergleichbare Motoren erhalten, was später zu Gerichtsverfahren führte. Am 30. Januar 1886 und 1889 wurden die „Otto-Patente“, die der Gasmotorenfabrik Deutz gehörten, in Deutschland für nichtig erklärt, worauf andere Länder folgten. Damit Nicolaus Otto weiterhin im Deutschen Reich als Erfinder des Viertaktmotors gelten konnte, mussten Entschädigungs- bzw. Ausgleichszahlungen getätigt werden.

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Infotext - [14b] Industrialisierung - Zweitaktmotor - Funktionsweise

 

Funktionsweise

Zweitaktmotoren setzten den nachfolgend beschriebenen Ablauf um. Die Beschreibung beginnt dabei mit dem unteren Totpunkt, der Kolben befindet sich also in der untersten Position und bewegt sich dann nach oben. Die Vorgänge finden dabei teilweise „Hand in Hand“ statt, das heißt, dass sich mache Vorgänge auch überschneiden können. Bei der schrittweisen Beschreibung der Funktion unterscheiden wir die Vorgänge im Zylinderraum (über dem Kolben) und dem Kurbelraum (unter dem Kolben). 

 

Aufwärtsbewegung des Kolbens

Zylinderraum (Verdichten): Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Brennstoff-Luft-Gemisch verdichtet. Durch die Verdichtung erhöhen sich die Temperatur und Druck des Gases. 
Kurbelraum: Der nach oben laufende Kolben vergrößert das Volumen im Kurbelraum unter dem Kolben, wodurch dort ein „Unterdruck“ entsteht (Voransaugen). 

 

Kolben im Bereich des oberen Totpunktes und anschließend beginnende Bewegung des Kolbens nach unten
Zylinderraum: Kurz vor dem oberen Totpunkt wird das Brennstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündkerze gezündet, das heiße Gas expandiert und drückt dabei auf den Kolben. Dieser beginnt sich dadurch nach unten zu bewegen. Das Gas kühlt dabei ab, Wärme wird in mechanische Energie umgewandelt (Arbeiten).
Kurbelraum: Sobald durch die Position des Kolbens der Einlasskanal in den Kurbelraum freigegeben wird, strömt Frischgas ein (Ansaugen). Durch die anschließende Bewegung des Kolbens nach unten verschließt sich der Einlasskanal.

 

Kolben bei der Bewegung nach unten und anschließend im Bereich des unteren Totpunktes 
Zylinderraum: Das heiße Gas treibt den Kolben weiter nach unten. In der Nähe des unteren Totpunktes öffnet sich dann der Auslasskanal. Das verbrannte Abgas beginnt dadurch zu entweichen (Ausströmen). 
Kurbelraum: Sobald der Einlasskanal verschlossen ist, verdichtet der nach unten laufende Kolben das zuvor angesaugte Frischgas. Das Kurbelgehäuse mit der Kolbenunterseite funktioniert dabei wie eine Pumpe (Vorverdichten).

 

Kolben im Bereich des unteren Totpunktes und anschließend beginnende Bewegung des Kolbens nach oben
Kurbelraum: Mit dem Öffnen des Überströmkanals kann das vorverdichtete Frischgas aus dem Kurbelraum in den Zylinderraum überführt werden (Überströmen). 
Zylinderraum: Das einströmende Frischgas aus dem Überströmkanal spült den Rest der verbrannten Abgase aus (Spülen). Anschließend beginnt die Kolbenbewegung nach oben. Dabei verschließen sich Auslasskanal und Überströmkanal dann wieder.

 

Der gesamte Ablauf beginnt jetzt wieder von vorne. 

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Technik:
Der Zweitakt-Ottomotor [6:40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Infotext - [15a] Industrialisierung - Viertakt-Ottomotor (1)

 

Ein Viertaktmotor ist eine Wärmekraftmaschine mit innerer Verbrennung, die Wärmeenergie aus der Verbrennung von Kraftstoff in mechanische Energie umwandelt. Die Maschine benötigt ganz allgemein für einen Kreisprozess-Umlauf (ein „Arbeitsspiel“) vier Arbeitsschritte die als „Takte“ bezeichnet werden, d.h. es finden vier Kolbenhübe statt. Beim Zweitaktmotor umfasst im Vergleich ein Arbeitsspiel nur zwei Takte (also zwei Hübe des Kolbens).

 

Hubraum

Ein wichtiger Indikator für die Leistungsfähigkeit eines Motors ist die Größe des Hubraums. Der Hubraum bezeichnet das Volumen, das vom Kolben zwischen unterem und oberem Totpunkt verdrängt wird. Der Hubraum gibt also an, wieviel Luft und Kraftstoff bei einem Kolbenhub verdichtet und verwertet werden können, deswegen ist der Hubraum eine sehr wichtige Größe. Bei Kraftfahrzeugen waren/sind Hubräume ab ca. 0,4 Litern üblich, kleinste Motoren für haben nur 0,16 cm³ Hubraum. Mit 13,5 Litern markierte der Pierce Arrow von 1912 eine obere Marke. 

 

Heutiger Gebrauch

Viertaktmotoren dominieren heute im gesamten Automobil- und Motorradbau. Auch bei Kleinkrafträdern, bei Rasenmähern und bei anderen Kleingeräten kommen sie vor. Sie erreichen einem Wirkungsgrad von etwa 30% (Im Betrieb teilweise auch deutlich weniger), das bedeutet, dass von der Wärmeenergie für den eigentlichen Zweck nur etwa ein Drittel in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.

 

Der Ottomotor

Der Ottomotor ist eine spezielle Version eines Viertaktmotors. Kennzeichen ist hier die Kompression eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft mit anschließender Fremdzündung durch Zündkerzen. Ottomotoren mit Hubkolben gibt es als Zweitaktmotoren oder als Viertaktmotoren. Der Viertaktmotor ist heute die gebräuchlichere Bauart. Der Name „Ottomotor“ geht auf eine Anregung des VDI aus dem Jahre 1936 zurück. Namensgeber ist Nicolaus August Otto, dem die Erfindung des Viertaktverfahrens zugeschrieben wurde. 
 
Als Kraftstoffe für Ottomotoren können außer Motorenbenzin theoretisch auch alle brennbaren Gase verwendet werden. Motoreinstellungen müssen dabei auf den Treibstoff abgestimmt werden. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eine Ventilsteuerung notwendig, das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als bei Zweitaktmotoren. Das wird aber meist durch einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch gerechtfertigt.

 

Zwei wichtige Merkmale des Ottomotors sind:

  • Fremdzündung: Das Gemisch wird zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Funken einer Zündkerze gezündet.
  • Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden schon vor der Verdichtung gemischt (Ausnahme Benzindirekteinspritzung).

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Infotext - [15b] Industrialisierung - Viertakt-Ottomotor (2)

 

Funktionsweise eines Viertakt-Hubkolbenmotors - Die vier Takte:

 

Takt 1: Ansaugen

Zu Beginn des 1. Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil wird geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Luftkraftstoffgemisch durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen und der erste Takt ist beendet.

 

Takt 2: Verdichten und Zünden

Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung oberer Totpunkt. Die dafür benötigte mechanische Arbeit stammt aus der Rotationsenergie der Schwungmasse bzw. bei Mehrzylindermotoren aus der Schwungmasse sowie dem Arbeitstakt eines anderen Zylinders. Das Gasgemisch im Zylinder wird nun auf einen Bruchteil des ursprünglichen Volumens verdichtet. Durch die Kompression wird das Gasgemisch bei Ottomotoren auf etwa 450 °C erhitzt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird die Zündung ausgelöst. Der Zeitpunkt wird abhängig von Last und Drehzahl geregelt.

 

Takt 3: Arbeiten

Die Temperatur im brennenden Gasgemisch eines Ottomotors erreicht ca. 2000 °C (teilweise auch bis zu 2500°C). Der Druck im Kolben erreicht bei Volllast bis zu 120 bar, das heißt der Druck ist 120 Mal höher als der Normaldruck. Zum Vergleich: ein Autoreifen hat etwa einen Druck von 2 bar, das entspricht dem doppelten Normaldruck in unserer Atmosphäre. Der Kolben wird durch den hohen Druck in Richtung des unteren Totpunktes vorangetrieben, das Brenngas verrichtet dabei mechanische Arbeit am Kolben und kühlt sich ab. Kurz vor dem unteren Totpunkt besteht beim Ottomotor noch ein Restdruck von knapp 4 bar. Das Auslassventil beginnt sich zu öffnen.

 

Takt 4: Ausstoßen

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes kommt es zur so genannten Ventilüberschneidung. Das Einlassventil wird geöffnet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht und bevor das Auslassventil geschlossen hat. Erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, schließt das Auslassventil.

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Technik:
Der Viertakt-Ottomotor [5:23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Infotext - [16] Industrialisierung

 

Vergleich von Zweitakter und Viertakter

 
Vorteile des Viertaktmotors gegenüber dem Zweitaktmotor
  • Viertaktmotoren haben einen größeren Wirkungsgrad als Zweitakter. Nach einer Faustregel führt das (bei gleichem Hubraum) etwa zur doppelten Leistung im Vergleich zum Zweitaktmotor.
  • Der Gaswechsel erfolgt beim Viertakter größtenteils durch Volumenverdrängung im ersten und vierten Takt (Ausstoßen / Ansaugen). Dadurch werden Frischgas und Abgas gut voneinander getrennt, was den Kraftstoffverbrauch verringert und das Abgasverhalten verbessert und deshalb umweltschonender ist.
  • • Ein geschlossener Ölkreislauf ist beim Viertakter Standard, dadurch ist der Schmierölverlust sehr niedrig. Durch die Fertigungsqualität moderner Motoren tendiert dieser Schmierölverlust gegen Null. Vergleich zum Zweitakter: Dieser Motortyp arbeitet oft mit einer „Mischungsschmierung“, dabei wird Öl zum Kraftstoff zugemischt. Dadurch wird beim Verbrennungsvorgang der Ölbestandteil mit verbrannt. Dabei entsteht beim Zweitakter die typische „blaue Abgasfahne“ und die damit verbundene Geruchsbelästigung! Nachteilig ist beim Zweitakter auch die beim Verbrennungsvorgang entstehende Ölkohle, die sich im Arbeitsraum sowie in der Auspuffanlage ablagert und die Leistung des Motors beeinträchtigt. 
  • Die thermische Belastung ist beim Viertakter tendenziell geringer, da nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung eine Verbrennung erfolgt.
 
Nachteile des Viertakters
  • Höhere Herstellungskosten durch das höhere Gesamtgewicht, den höheren Anteil an bewegter Masse.
  • Das höhere Gesamtgewicht und die größere Anzahl an Bauteilen machen ihn auch teurer bei Reparaturen.
  • Viertaktmotoren bestehen aus mehr Bauteilen, sind dadurch komplexer aufgebaut als Zweitakter und sind schwerer. Mehr Bauteile (z.B. Ventile) bedeuten mehr Funktionalität und damit aber auch dadurch wartungsintensiver

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Infotext - [17] Industrialisierung - Kraftstoffgemisch (Otto)

 

Der Betrieb eines Motors erfordert ein entsprechendes Kraftstoff-Luft-Gemisch. Das kann für einen Ottomotor auf verschiedene Art bereitgestellt werden. Wir sind bei den bisherigen Ausführungen in dieser Unterrichtseinheit davon ausgegangen, dass das Luft-Kraftstoffgemisch zunächst erzeugt wird und bereits im fertigen Zustand in den Motor gelangt. Das wird mit dem Begriff „äußere Gemischbildung“ bezeichnet. Das dafür erforderliche Gerät ist der sogenannte Vergaser. Alternativ kann der Kraftstoff auch direkt in geeigneter Weise in den Motor eingespritzt werden (Benzineinspritzung). Wir betrachten an dieser Stelle beide Verfahren etwas genauer.

 

Der Vergaser

Der Vergaser ist eine Vorrichtung zur äußeren Gemischbildung eines Ottomotors. Er erzeugt durch Zerstäuben von Benzin in Luft ein verbrennungsfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in den Brennraum des Verbrennungsmotors geleitet wird. Im Vergaser befindet sich auch eine Vorrichtung, die sogenannte Drosselklappe, mit der die Leistung des Motors eingestellt werden kann. 
Physikalisch ist die Bezeichnung „Vergaser“ nicht ganz exakt, da der Kraftstoff nicht durch Verdampfen sofort in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht, sondern zunächst ein Aerosol aus Kraftstofftröpfchen und Luft erzeugt wird, welches dann aufgrund des hohen Dampfdrucks größtenteils verdampft.

 

Funktionsweise des Vergasers

Der Vergaser stellt dem Motor das Kraftstoff-Luft-Gemisch bereit. Das Verbrennungsluftverhältnis, bei dem der Kraftstoff optimal verbrennt, ohne dass Sauerstoff übrigbleibt, liegt für die heute üblichen Ottokraftstoffe bei etwa 14,7 kg Luft auf 1,0 kg Kraftstoff. Der Vergaser arbeitet nach dem Prinzip des Venturi-Rohrs, benannt nach dem italienischen Physiker Giovanni Battista Venturi. Dabei strömt Luft durch eine Engstelle in einem Lufttrichter (Rohr). Am Ort der Engstelle strömt die Luft schneller als im Bereich vor der Engstelle. Am Ort der Engstelle ich zudem eine kleine Düse, durch die Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter in den Luftstrom geleitet werden kann. Durch den Luftstrom wird der Treibstoff über die Hauptdüse in den Lufttrichter angesaugt, wo er zu einem Aerosol zerstäubt. Um die Leistung des Motors zu variieren, wird die Gemischmenge des Kraftstoff-Luft-Gemischs mit einer Drosselklappe eingestellt. 

 

In KFZ-Verbrennungsmotoren wurde der Vergaser in den 1990er Jahren zunehmend durch Einspritzanlagen ersetzt. Heute werden Vergaser überwiegend nur noch in Motoren ohne Katalysator verwendet, wie beispielsweise in Kleinmotoren von Rasenmähern und Motorsägen, kleinen Zweitaktmotoren von Rollern und Motorfahrrädern, Oldtimern und Motorrädern und Flugmotoren von Leichtflugzeugen.

 

Benzineinspritzung

Allgemein ist der Begriff „Kraftstoffeinspritzung“ ein Sammelbegriff für alle Gemischbildungssysteme für das Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Verbrennungsmotoren, die keine Vergaser haben. Dabei gelangt Kraftstoff über eine Einstritzdüse in den Brennraum des Motors. Man unterscheidet hier verschiedene Systeme. Als "Direkteinspritzung" wird der Kraftstoff unmittelbar in den Brennraum eingespritzt. Bei "indirekter Einspritzung" wird der Kraftstoff in den Nebenbrennraum eines in Haupt- und Nebenbrennraum unterteilten Brennraumes eingespritzt. Hierbei erfolgen eine feine Zerstäubung und Verdampfung des Kraftstoffs durch Verwirbelung und Erhitzung während der Kompression.
Verschiedene Arten und Systeme der Kraftstoffeinspritzung unterschieden sich teils erheblich voneinander, wobei das wichtigste Unterscheidungskriterium die Position der Einspritzdüse ist. 

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Infotext - [18a] Industrialisierung - Viertakt-Dieselmotor (1)

 

Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung ohne Zündkerze. Man bezeichnet das auch als Kompressionszündung, das bedeutet, dass die Zündung durch Verdichtung des im Kolben befindlichen Gases bewirkt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird innerhalb der Brennkammer gebildet (innere Gemischbildung). Die Leistung des Dieselmotors wird über die Menge des eingespritzten Kraftstoffes eingestellt. Dieselmotoren gibt es als Zweitakt- oder Viertakt-Hubkolbenmotoren; sie zeichnen sich durch einen relativ hohen Wirkungsgrad und die Möglichkeit aus, sie sowohl mit kleiner als auch großer Leistung auszulegen.
Erfinder des Dieselmotors ist der deutsche Ingenieur Rudolf Diesel (1858 - 1913), der seine Überlegungen zu einem Motor mit besonders hohem Wirkungsgrad erstmals 1893 im Werk „Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors“ veröffentlichte. In den Jahren nach 1893 gelang es ihm in einem Labor der Maschinenfabrik Augsburg (heute MAN) einen solchen Motor zu bauen. Durch seine in vielen Ländern angemeldeten Patente und seine rege Öffentlichkeitsarbeit wurde er zum Namensgeber des Motors sowie des zugehörigen Dieselkraftstoffs.

 

Funktionsweise der Zündung ohne Zündkerze

Viertakt-Dieselmotoren saugen beim Ansaugtakt eine Zylinderfüllung Luft an – verbranntes Abgas wird dabei durch frische Luft ersetzt. Die frische Luft wird beim Verdichtungstakt stark komprimiert und dadurch auf etwa 700–900 °C erhitzt. Kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens beginnt die Einspritzung des Kraftstoffs, der dabei in die heiße Luft im Brennraum feinst verteilt und zerstäubt wird. Die hohe Temperatur reicht aus, um das Gemisch zu zünden – es ist also kein Zündfunke einer Zündkerze notwendig. Das ist der zentrale Unterschied zum Ottomotor.

 

Vorteile des Dieselmotors

Der Dieselmotor hat aufgrund der hohen Verdichtung einen guten Wirkungsgrad. Kleinere Dieselmotoren erreichen Wirkungsgrade von etwa 35%. bei Pkw-Dieselmotoren liegt er bei etwa 40 %. Große Schiffsdieselmotoren erreichen sogar bis zu 50%. Geringere Ladungswechselverluste führen, insbesondere im Teillastbereich, zu einem geringen spezifischer Kraftstoffverbrauch. Das macht den Dieselmotor besonders wirtschaftlich. Darüber hinaus sind die eingesetzten Kraftstoffe einfacher herzustellen und weniger gefährlich, da sie langsamer verdampfen. 

 

Nachteile des Dieselmotors

Das Verbrennungsgeräusch des Dieselmotors ist lauter und die spezifische Leistung ist niedriger als beim Ottomotor. Um die hohen Drücke aushalten zu können, müssen Gebrauchsdieselmotoren vergleichsweise robust gebaut sein; das führt zu einer größeren Masse des Motors. Weiterhin bestehen beim Dieselmotor besondere Herausforderungen bei der Abgasreinigung. Einerseits entstehen bei der Verbrennung Stickstoffoxide, die gegebenenfalls ein kompliziertes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich machen. Dadurch wird der Dieselmotor deutlich teurer in der Anschaffung und entsprechend auch bei Reparaturen. Andererseits neigt der Dieselmotor zum rußen, weshalb sich die ersten Maßnahmen zur Abgasminderung ab Ende der 1950er Jahre auf die Begrenzung der Rauchdichte von Dieselfahrzeugen richteten. Heute kann die Rauch- und Feinstaubentwicklung in den meisten Betriebssituationen auf ein Minimum reduziert werden.

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Infotext - [18b] Industrialisierung - Viertakt-Dieselmotor (2)

 

Funktionsweise des Viertakt-Dieselmotors

 

Takt 1: Ansaugen

Zu Beginn des ersten Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil wird geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich nach unten. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird Luft durch das Einlassventil in den Zylinder "gesaugt"*. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen und der erste Takt ist beendet.

 

Takt 2: Verdichten und Zünden

Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung oberer Totpunkt. Die dafür benötigte mechanische Arbeit stammt aus der Rotationsenergie der Schwungmasse bzw. bei Mehrzylindermotoren aus der Schwungmasse sowie dem Arbeitstakt eines anderen Zylinders. Die Luft im Zylinder wird nun auf einen Bruchteil des ursprünglichen Volumens verdichtet. Durch die Kompression wird die Luft auf etwa 600°C bis 900°C erhitzt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird die Voreinspritzung des Kraftstoffs ausgelöst. 

 

Takt 3: Arbeiten

Nach dem oberen Totpunkt folgt noch die Haupteinspritzung des Kraftstoffs. Die Temperatur im brennenden Gasgemisch erreicht ca. 2000 °C. Der Kolben wird in Richtung Kurbelwelle angetrieben, das Brenngas verrichtet mechanische Arbeit am Kolben und kühlt sich dabei ab. Kurz vor dem unteren Totpunkt beginnt sich das Auslassventil zu öffnen.

 

Takt 4: Ausstoßen

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes beginnt sich das Einlassventil zu öffnen. Erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, schließt das Auslassventil.

 


*Anmerkung: Der Begriff „angesaugt“ wird umgangssprachlich verwendet. Eigentlich wird die Luft durch den äußeren Luftdruck durch das Einlassventil in den Zylinder gedrückt.

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Technik:
Der Viertakt-Dieselmotor [6:00] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Elektrizität: [5:30]

Der Elektromotor

Anschaulich wird die Funktionsweise eines Elektromotors erklärt.

→ siehe Themenseite Elektrizität

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Elektrizität: [8:37]

Der Generator

Die Funktion eines Generators wird beschrieben und anschaulich vorgeführt. Weiterhin wird der Induktionsstrom gemessen, mit und ohne Verwendung eines Polwenders und die zugehörigen Induktionsspannungen mittels eines Oszilloskops anschaulich dargestellt.

siehe auch: Themenseite - Elektrizität



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Infotext ([15b] Industrialisierung - Viertakt-Ottomotor (2))

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Infotext ([17] Industrialisierung - Kraftstoffgemisch (Otto))

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Infotext ([18a,b] Industrialisierung - Viertakt-Dieselmotor)

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