Gasmotoren – Entwicklung und Geschichte sowie die exemplarische Behandlung des PKW Betriebes mit Autogas


Hausarbeit, 2008

19 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Anfänge und Entwicklung des Kolbenmotors

3. Die ersten Kolbenkraftmaschinen

4. Der Otto Motor

5. Motorkenngrößen
5.1 Luft – Kraftstoff- Verhältnis λ
5.2 Verdichtung

6. Der Betriebsstoff Gas im Auto

7. Autogas LPG
7.1 Was ist Flüssiggas
7.2 Aufbau und Funktion einer Autogasanlage
7.2.1 Venturitechnik
7.2.2 Sequenzielle Autogasanlagen
7.2.3 Liquid Propane Injection – Autogasanlagen

8. Fazit – Ökologische/Ökonomische Betrachtung

9. Literaturverzeichnis

10. Quellenverzeichnis

11. Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

„Der Gasmotor stand lange abseits, obwohl doch alle Verbrennungsmotoren ihren Anfang im Gasmotor des 19. Jahrhunderts haben“ (Zacharias 2001, S.15). Es sind steigende Energiepreise und die immer finsterer werdenden Prognosen über die Verfügbarkeit von Rohöl als Ausgangsprodukt für Primärenergielieferanten, welche die Forschung und Entwicklung von alternativen Energieträgern immer stärker begünstigen. Gasmotoren arbeiten mit diesen Energieträgern und wurden schon immer, auch in Zeiten von redundanter Verfügbarkeit von Kraftstoffen, genutzt um dann meist energetisch schwache Gase wie z.B. aus Abfällen zu verwerten um Strom und Nutzwärme zu erzeugen. Nun ist mittlerweile aber nicht mehr nur die Anlagentechnik zur Verwertung und Entsorgung von Problemgasen interessant, sondern steigende Energiepreise machen die Nutzung von Gasmotoren in sämtlichen Bereichen der Energieerzeugung generell wichtig. Gerade im Bereich der Personenkraftwagen ist durch die Umstellung auf den Betrieb mit Flüssiggas eine Einsparung sowohl von Betriebskosten als auch von Emissionen möglich. In der Debatte zur Schonung der Umwelt und Reduktion der Abgase wird die Verwendung von Gasen als Energieträger viel diskutiert. Durch der Forschung neuste Entwicklungen der letzten Jahre kennzeichnen den Gasmotor heute ein hoher Wirkungsgrad, sauberere Abgase als bei anderen vergleichbaren Brennstoffen sowie günstigere Preise und niedrigere Betriebskosten (vgl. Zacharias 2001, S.15f).

Da nun der Gasmotor eine Kolbenverbrennungskraftmaschine ist und daher dem Benzin-Ottomotor und dem Dieselmotor ähnlich ist, wobei der Gasmotor eben mit Gasen oder Gas - Treibstoffmischungen betrieben wird, betrachtet diese Arbeit zunächst die Entwicklung des Kolbenmotors. Ein Anspruch auf Vollständigkeit kann, angesichts der Fülle von Patenten und Erfindungen welche im Zusammenhang mit der Geschichte der Motoren stehen, nicht erhoben werden. Hier soll das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung des Ottomotors liegen.

Nach einer historischen Betrachtung der Entwicklung des Ottomotors bzw. des Gasmotors soll, in der Moderne angekommen, der Schwerpunkt bei der Betrachtung von Gas als Kraftstoff und somit der kommerziell breiteren Nutzung von Gasmotoren, hier im Betrieb von Personenkraftwagen, liegen. Es sollen Funktionsweise, die Möglichkeiten von Aus- und Umrüstung eines PKW zum Autogasbetrieb sowie technische, ökonomische und ökologische Details angerissen werden. Im Mittelpunkt soll hier die so genannte LPG-Autogasanlage stehen, welche den Bivalenten (im Gegensatz zum Monovalenten, also ausschließlich mit Gas betriebenen Motor) Betrieb repräsentiert.

2. Anfänge und Entwicklung des Kolbenmotors

Der Gasmotor ist in der Regel ein Verbrennungsmotor welcher nach dem Otto Prozess funktionierende Abläufe zur Energieumwandlung nutzt, eine so genannte Brennkraftmaschine. Diese unterscheidet man in Kraftmaschinen mit äußerer Verbrennung, also solche bei denen eine Verbrennung außerhalb eines Zylinders stattfindet, sowie Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung. Gasmotoren sind Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung. Bei der inneren Verbrennung findet eine chemische Umwandlung eines Energieträgers im inneren der Maschine statt, wo ebenfalls die Abnahme von mechanischer Energie stattfindet. Dies geschieht durch die Nutzung eins Kolben-Zylinder-Systems wobei der Zylinder mit Luft gefüllt wird, welchem am oberen oder am unteren Ende des Hubes Kraftstoff beigemischt wird. Die Verbrennung dieses Gemisches ergibt dann eine Erhöhung der Temperatur der arbeitenden Gase und damit eine Drucksteigerung, welche durch den Dehnungshub an den Kolben abgegeben wird und darüber in mechanische Energie gewandelt wird (vgl. Löhner 1963, S.5). Um sich dem Thema zu nähern soll nun zunächst eine Betrachtung der Geschichte des Gasmotors mit dem Anfang der Entwicklung von Kolben-Verbrennungskraftmaschinen beginnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Jahre 1673 entwickelte Christian Huygens[1] seine Kolben-Verbrennungskraftmaschine, welche mit durch Verbrennung gewonnener Kraft, mittels eines Kolbens, Wärme in mechanische Arbeit umwandelte. Im Ruhezustand befand sich der Kolben am oberen Ende eines Zylinders, häufig ein Kanonenrohr, welches mit Öffnungen kurz unterhalb des Kolbens versehen war, sowie einer Pulverladung am unteren Ende des Zylinders. Der Kolben war mittels Umlenkungen und Seilen an die zu bewegende Last gebunden. Wurde nun das Pulver gezündet, trieben die heißen Verbrennungsgase aus den Öffnungen heraus und der bei der anschließenden Abkühlung entstehende Unterdruck im Rohr setzte den Kolben in Bewegung, welcher seinerseits die Last anhob (vgl. Zacharias 2001, S.21). Dieses grundlegende Prinzip der Verbrennung im Kolben wurde vielfach aufgegriffen und immer wieder verfeinert und verbessert um dann irgendwann in einer kontinuierlich, zyklisch funktionierenden Maschine mechanische Arbeit zu erzeugen. Als bedeutendste Weiterentwicklung wird der Motor von Jean Joseph Lenoir[2] gehandelt. Er baute einen Gasmotor, der einer liegenden Dampfmaschine ähnelte. So saugt der Motor während der ersten Hälfte des Kolbenweges ein Gas-Luftgemisch an. Dieses wird dann elektrisch, mithilfe eines Funkeninduktors, gezündet und treibt auf dem restlichen Weg den Kolben an, was wiederum genützt wird um Arbeit zu leisten. Beim Rückweg werden die Verbrennungsgase durch den vorwärts fahrenden Kolben ausgeschoben, während sich auf der anderen Kolbenseite der Ansaug- und Arbeitsvorgang wiederholt. Lenoirs Motor, der 1860 patentiert wurde, kam in mehreren Exemplaren in der Praxis zum Einsatz. Es war die Suche kleinerer Betriebe nach einer Kraftmaschine, welche die viele Handarbeit erleichtern sollte, welche den Verkauf der Lenoir Maschine begünstige. In Bezug auf ihre Bedürfnisse glich dieser Motor viele, der bis zu diesem Zeitpunkt erfahrenen Unzulänglichkeiten der Dampfmaschine aus, auch wenn schlechte Füllung, langsame Verbrennung, starkes Nachbrennen und geringe Dehnung letztlich einen schlechten Wirkungsgrad von 3% - 4% ergaben[3]. Die Erkenntnisse, welche mit dieser Maschine gewonnen wurden und das wirtschaftliche Interesse trieben die Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen immer stärker an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Lenoir Motor war eine bahnbrechende Erfindung wegen seines zyklischen Funktionsprinzips welches eine kontinuierliche Kraftabgabe leistete. Er wurde entsprechend viel verbaut und inspirierte letztlich auch Nikolaus August Otto[4] zum Bau seines „Viertaktmotors mit Verdichtung“ (vgl. Zacharias 2001, S.21f).

3. Die ersten Kolbenkraftmaschinen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nikolaus August Otto entwickelte mit dem Viertaktmotor eine Maschine, die für den Einsatz in den ersten Automobilen Ende des 19. Jahrhunderts geeignet war. Dieser breite Einsatz machte den Ottomotor weltberühmt und noch heute funktionieren moderne Motoren nach dem von Otto 1861 gefundenen Viertaktprinzip. Der Entwicklung des ersten Viertakters ging die Konstruktion des Ottoschen Flugkolbenmotors voraus. Es war ein Zufall, der den ersten Erfolg brachte: Beim Experimentieren entdeckt Otto erstmals die Wirksamkeit des atmosphärischen Prinzips. Es beruht auf dem Druckunterschied zwischen einem erzeugten Unterdruck und dem atmosphärischen Außendruck, der auf jeden Körper wirkt. In Kombination mit der in einem Zylinder erfolgten Zündexplosion lassen diese Kräfte eine nutzbare Leistung entstehen. Mit dieser Entdeckung entstehen die ersten Planungen zur atmosphärischen Gaskraftmaschine 1863. Der Flugkolbenmotor, der „Urgroßvater“ der modernen Motoren, wurde stehend konstruiert. Er besitzt einen oben offenen Zylinder in welchem sich ein Kolben an einer Zahnstange befindet, welche wiederum auf einem Zahnrad arbeitet. Dieses Zahnrad sitzt mit Freilauf nach oben auf einer Schwungradwelle welche zugleich einen Schieber zur Steuerung des Motors antreibt. Die Arbeitsweise dieses Motors sieht nun aus wie folgt: Zunächst wird der Kolben auf 1/12 des Hubes gehoben um Gemisch anzusaugen. Es erfolgt die Zündung, welche den Kolben, durch die Entzündung des Gemisches und dem Ansteigen des Druckes, nach oben schleudert. Hierbei expandiert das Gemisch und es kommt zu starkem Abfallen des Druckes im Zylinder unter dem Einfluss von atmosphärischem Druck. Nachdem nun die kinetische Energie des Kolbens vollständig in potentielle Energie umgewandelt ist erfolgt das Abwärtssinken des Kolbens. Hierbei kuppelt das Zahnrad mit der Schwungradwelle und gibt die potentielle Energie des Kolbens an das Schwungrad ab. Der Druck gleicht sich aus und durch ein weiteres Abfallen des Kolbens werden gleichzeitig die Abgase ausgeschoben. Mit dem erhalten gebliebenen Schwung des Schwungrades beginnt das Arbeitsspiel dann von vorn. Der Motor erreicht eine Leistung von ungefähr 2,24kW (vgl. Oehler 1965, S.13). Trotz langsamer Verbrennung ließen sich Wirkungsgrade von bis über 10% erzielen, was einen beachtlichen Fortschritt zum Lenoir Motor darstellte.

Aufgrund des hohen Gewichtes dieses Flugkolbenmotors und der nur geringen Leistung gingen die Verkaufszahlen trotzdem schon nach kurzer Zeit zurück. So entwickelte Otto dann zusammen mit Carl Eugen Langen[5] in der von den beiden gegründeten Deutz Motorenfabrik 1876 das Viertaktverfahren, dessen Prinzip Otto schon 1862 im Kopf hatte (vgl. Löhner 1963, S.7). Der von ihnen entwickelte Motor, mit Verdichtung des angesaugten Gemisches im Arbeitszylinder, bildet den entscheidenden Schritt für die Entwicklung der modernen Brennkraftmaschine. Mit Blick auf das Thema dieser Arbeit sei an dieser Stelle erwähnt das die ersten Maschinen mit Leuchtgas betrieben wurden.

[...]


[1] Christiaan Huygens (* 14. April 1629 in Den Haag; † 8. Juli 1695 ebenda), auch Christianus Hugenius, war ein niederländischer Astronom, Mathematiker und Physiker. Entwickelte auch Wellentheorie des Lichts (vgl. Microsoft Encarta Enzyklopädie 2005, Huygens)

[2] Jean Joseph Étienne Lenoir (* 12. Januar 1822 in Mussy-la-Ville, Luxemburg, seit 1839 Belgien; † 7. August 1900 bei Paris, Frankreich) war Motorenbauer und Mechaniker (vgl. Microsoft Encarta Enzyklopädie 2005, Lenoir).

[3] Wirkungsgrad – Der Wirkungsgrad eines Motors oder einer Maschine beschreibt die Ausnutzung der zugeführten, im Kraftstoff gespeicherten Energie, wobei im Allgemeinen der Nutzen die Motorleistung und der betriebene Aufwand die zugeführte chemische Energie ist. Dabei wird prozentual wiedergegeben wie vollständig die chemische Energie in Nutzenergie umgewandelt wird. Je nach Betrachtungsweise werden unterschiedliche Wirkungsgrade unterschieden (vgl. van Basshuysen/ Schäfer 2004, S.1022).

[4] Nicolaus August Otto (* 10. Juni 1832 in Holzhausen an der Haide/Taunus; † 26. Januar 1891 in Köln) war ein Autodidakt, gelernter Kaufmann, Maschinenbauer und Unternehmer (vgl. Microsoft Encarta Enzyklopädie 2005, Otto).

[5] Carl Eugen Langen (* 9. Oktober 1833 in Köln; † 2. Oktober 1895 bei Elsdorf (Rheinland)) war ein deutscher Unternehmer, Ingenieur und Erfinder (vgl. Microsoft Encarta Enzyklopädie 2005, Langen).

Ende der Leseprobe aus 19 Seiten

Details

Titel
Gasmotoren – Entwicklung und Geschichte sowie die exemplarische Behandlung des PKW Betriebes mit Autogas
Hochschule
Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg
Veranstaltung
Maschinenbauliche Grundlagen an Beispielen der Motorentechnik
Note
1,7
Autor
Jahr
2008
Seiten
19
Katalognummer
V166612
ISBN (eBook)
9783640829538
ISBN (Buch)
9783640829699
Dateigröße
839 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
gasmotoren, entwicklung, geschichte, behandlung, betriebes, autogas
Arbeit zitieren
B.A. Maximilian Stangier (Autor), 2008, Gasmotoren – Entwicklung und Geschichte sowie die exemplarische Behandlung des PKW Betriebes mit Autogas, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/166612

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