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  • Publizist und Freier Dozent, von Hause aus Ingenieur sowie gelernter Mechaniker und gelernter Maurer, Querdenker, Naturfreund und -nutzer, technisch interessiert aber auch technikkritisch, glaube nicht alles was mir erzählt wird.
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Andreas Quiring  

IT / EDV - Lösungen
Theodor-Veiel-Str. 17
70374 Stuttgart - Bad Cannstatt

Biohof-Gemeinschaft Baum des Lebens

4. Juni 2012 1 04 /06 /Juni /2012 09:07

     Wenn wir im Alltag "Edelstahl" sagen, meinen wir in der Regel nicht rostendenen - genau genommen müsste man sagen "rostträgen" - Chromnickelstahl, eventuell auch Chrom-Vanadium-Stähle. Warum rostet der aber im Gegensatz zu "schwarzem" Stahl (so nennen wir Metaller den gewöhnlichen, rostenden Stahl) nicht?

   Das Prinzip des "rostfreien" Stahls funktioniert genauso wie die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium: Dieses ist an sich ein sehr unedles Metall, das bei Berührung mit Luft sofort oxidiert und sich daher an der Luft sofort mit einer Oxidschicht überzieht. Deswegen macht es ja auch mächtig Ärger beim Löten.

     Im Gegensatz zu Eisenoxid, also Rost, bildet Aluminiumoxid eine kompakte, luftundurchlässige Schicht auf dem blanken Metall. Daher kann es, wenn sich die Schicht einmal gebildet hat, nicht weiter oxidieren. Wird die Schicht angekratzt, so das blankes Metall an die Luft gerät, überziehrt sich die betreffende Stelle augenblicklich wieder mit Oxid - sie heilt sich also quasi selbst. Beim so genannten Eloxieren ("elektrisch oxidieren") übrigens unterstützt man die Oxidation an der Oberfläche des Aluminiums auf elektrischem Wege, so dass eine dickere Oxidschicht entsteht, als wenn das Metall nur von selbst oxidiert 

     Ganz ähnlich verhält sich Chrom. Ist nun in einem legierten Stahl genügend von diesem Metall vorhanden, bildet es auf der Oberfläche eine Oxidschicht, die sich genauso verhält wie die auf dem Aluminium und den Hauptbestandteil des Stahls, das Eisen, mit schützt.

   Das Attribut "edel" bei "Edelstahl" hat nun übrigens nichts mit edel im Sinne von "Edelmetall", also mit der elektrochemischen Spannungsreihe zu tun. Es bezieht sich genau genommen ja auch gar nicht auf die Rostfreiheit, sondern auf die Reinheit eines Stahls. Es gibt durchaus auch rostende Stähle, die Edelstähle im Wortsinn sind, auch wenn man im alltäglichen Sprachgebrauch mit dem Begriff "Edelstahl" eben solche meint die unter"normalen" Umständen nicht rosten.

  Tatsächlich sind sowohl Chrom, als auch Nickel keine besonders edlen Metalle, sie sind beide sogar unedler als Eisen. Dass der Rostschutz beim Chromnickelstahl tatsächlich nur von der Oxid-, man nennt sis auch Passivschicht, kommt, sieht man auch daran, dass solcher Stahl unter gewissen Umständen eben doch rostet. Ein Beispiel ist der so genannte Passungsrost. Er tritt auf, wenn beispielsweise ein Edelstahlwelle in einer Bohrung sitzt. Wenn sich dabei nun die Passivschicht abreibt, kann auch der tollste Edelstahl rosten.

   Umgekehrt kann man die Passivschicht bei Edelstahlteilen aber auch verbessern, ähnlich, wie man das macht, wenn man Aluminium eloxiert. Bei Edelstahl macht man das, indem man z.B. durch das so genannte Passivieren die Bildung der Passivschicht chemisch unterstützt.                     

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30. Dezember 2010 4 30 /12 /Dezember /2010 14:59

Eine fast vergessene Technik, die jedoch derzeit im Zusammenhang mit regenerativen Energiequellen an Aktualität gewinnt, ist der Stirling-Motor. Anfang des 19. Jahrhunderts von einem schottischen Pfarrer dieses Namens erfunden, kann er Temperaturgefälle ausnutzen um mechanische Energie zu gewinnen. Da er beim Arbeiten Wärme von der einen Seite zur anderen transportiert, kann er beispielsweise in Kühlsysteme eingeschaltet werden und so Abwärme von irgendwelchen Anlagen nutzen.

Robert Stirling's engine patentZeichnung zu Robert Stirlings Patent auf seinen Motor 

 Die Funktionsweise des Stirling-Motors

     Der Stirling-Motor arbeitet mit Luft oder einem anderen Gas, das sich an der heißen Seite des Motors erwärmt und somit ausdehnt und Arbeit leistet. Anschließend wird es an der kalten Seite abgekühlt, so dass es sich zusammenzieht und dann zur heißen Seite zurück transportiert wird, wo es sich wiederum ausdehnt. Ähnlich wie ein Zweitakt-Ottomotor, den manche als den „Motor mit nur drei beweglichen Teilen“ (Kolben, Pleuel und Kurbelwelle) bezeichnen, ist ein Stirling-Motor mechanisch recht einfach aufgebaut und daher preisgünstig in der Herstellung. 

       Es gibt unterschiedliche Bauweisen des Stirling-Motors, die auf unterschiedliche Weise erreichen, dass Luft oder ein anderes als Arbeitsmedium verwendetes Gas zwischen der warmen und der kalten Seite hin und her gedrückt wird. Die Animation ein Stück weiter unten auf dieser Seite zeigt einen Alpha-Stirling Motor, der zwei Zylinder mit je einem Kolben besitzt, die jeweils als Verdränger- und Arbeitskolben beziehungsweise -zylinder wirken. Man kann hier auch von einem heißen und einem kalten Kolben beziehungsweise Zylinder sprechen.

Der Alpha-Stirling-Motor

   Wie man in der kleinen GIF-Animation hier sieht, dehnt sich die Luft im warmen Zylinder aus und treibt dessen Kolben nach unten, leistet also Arbeit. Der Clou bei der Sache ist, dass die Zylinder um 90° versetzt arbeiten: Während der Kolben im warmen Zylinder hinunter geschoben wird, sitzt er gewissermaßen „am längeren Hebel“, weil der kalte Kolben zu dieser Zeit in der in der Nähe des oberen Totpunktes ist. Das bewirkt, dass der warme Kolben und nicht der im kalten Zylinder nach unten geht. Weil sich dieser ja in der Nähe des oberen Totpunktes befindet, bewegt der kalte Kolben sich auch kaum und daher ändert sich das Volumen des kalten Zylinders auch sehr wenig, so dass die warme Luft dort nicht hin kann. Die Ausdehnung der erwärmten Luft findet daher im warmen Zylinder statt, wo sie dessen Kolben nach unten drückt und dabei eben mechanische Arbeit leistet.

 

Alpha Stirling

So arbeitet ein Alpha-Stirling-Motor (Quelle: Wikimedia, lizensiert nach GNU)

 

   Wenn sich der warme Kolben seinem unteren Totpunkt nähert, ist auch der kalte auf dem Weg zu dem seinen und macht Platz für die Luft die jetzt mehr und mehr aus dem warmen Zylinder durch das Verbindungsrohr herüber kommt. Da sich die Luft dabei abkühlt und zusammenzieht, kann der warme Kolben sie auch vollends in den kalten Zylinder schieben, wenn er seinen unteren Totpunkt überschritten hat und sich wieder dem oberen nähert.

   Schließlich überschreitet 90° Kurbelwellendrehung nach dem warmen Kolben auch der kalte seinen unteren Totpunkt und beginnt, die zwischenzeitlich abgekühlte Luft in den warmen Zylinder zurückzuschieben. Das klappt auch, weil sie sich ja beim Abkühlen zusammengezogen hat. Wenn der kalte Kolben schließlich in die Nähe seines oberen Totpunktes gelangt, hat der warme den seinen aufgrund der 90° Voreilung bereits überschritten und kann von der Luft, die sich nun im warmen Zylinder wiederum erwärmt, erneut nach unten gedrückt werden, so das ein neues Arbeitsspiel beginnt.

Der Beta-Stirling-Motor

   Auch beim Beta-Stirling-Motor wird Luft (oder ein anderes Gas) von einer warmen auf eine kalte Seite transportiert und umgekehrt. Es gibt hier eine Arbeitskolben, dessen Außenfläche dicht mit der Zylinderwarndung abschließt und einen Verdrängerkolben, zwischen dessen Außenfläche und der Zylinderwand Platz ist, so das die Luft ihn umströmen kann. Bewegt sich dieser Kolben in seinem Zylinder, schiebt er die Luft zwischen den beiden Enden dieses Zylinders hin und her. Da dessen eines Ende warm und das andere kalt ist, wird die Luft daher abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Wenn sich die Luft erwärmt, dehnt sie sich aus und drängt damit aus dem Verdrängerzylinder hinaus, so das sie in einem Arbeitszylinder einen Kolben hinunterdrücken kann. Wenn dieser seinen Totpunkt überschritten hat und wieder nach oben geht, drückt er die Luft wieder zurück in den Verdrängerzylinder, dessen Kolben mittlerweile seine kalte Seite freigegeben hat, so dass die Luft sich dort abkühlt und deswegen Platz findet.

Beta stirling animation

Arbeitsweise eines Beta-Stirling-Motors (Bildquelle: Wikimedia Commons, lizensiert nach GNU)

 

   Da sich der Verdrängerkolben jedoch weiterbewegt, wird die kalte Luft auch wieder auf die warme Seite des Verdrängerzylinders geschoben, wo sie sich wiederum ausdehnt und aus dem Zylinder hinaus drückt. Mittlerweile hat aber auch schon der Arbeitskolben seinen oberen Totpunkt überschritten, so dass die heiße Luft ihn wiederum nach unten drücken kann, womit ein weiteres Arbeitsspiel beginnt.

     Beim Beta-Stirling-Motor können Arbeits- und Verdrängerkolben hintereinander in einem Zylindern angeordnet sein, so wie das bei der Abbildung oben der Fall ist. Sie können aber auch in getrennten Zylindern laufen, wie man das meist bei einfachen Stirling-Motoren sieht, die mit Bastlermitteln gebaut wurden. Das liegt wohl vor allem daran, dass es zwar elegant, aber auch technisch aufwendig ist, die Kolbenstange des Verdrängerkolbens durch den Arbeitskolben zu führen.

Wärmegefälle mit Stirling-Motoren nutzen

   Im Prinzip kann man mit Stirling-Motoren jedes Wärmegefälle nutzen. Es gibt sogar kleine Modelle, die man sich auf die Handfläche stellt und die dann mit dem Temperaturunterschied zwischen Hautoberfläche und Umgebungsluft arbeiten.

   Natürlich ist, wie bei allen Wärmekraftmaschinen, auch beim Stirling-Motor der Unterschied zwischen der Temperatur des Arbeitsgases am Anfang des Arbeitshubes und der an dessen Ende der entscheidende Faktor für die erzeugbare mechanische Leistung: Je höher das Temperaturgefälle, desto größer die mögliche Leistung im Verhältnis zur Menge des Arbeitsgases. Stirling-Motoren für sehr kleine Temperaturgefälle müssen daher sehr groß im Verhältnis zur abgegebenen Leistung sein. Der Vorteil jedoch ist, dass man auch Wärme, die sonst allenfalls zu Heizzwecken verwenden könnte, noch in mechanische Arbeit verwandeln kann.

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23. November 2010 2 23 /11 /November /2010 11:44

Im Zeitalter des Individualverkehrs konnte das Auto zunächst seinen großen Vorteil voll ausspielen, nämlich den, dass es sich unabhängig von Schienenwegen benutzen lässt, um individuelle Ziele zu erreichen. Der höhere Energieverbrauch spielte zunächst keine Rolle, da Kraftstoff verhältnismäßig billig war. Mittlerweile sind die Gegebenheiten jedoch dabei, sich zu verändern und die Rad-Schiene-Technik wird wieder interessant. 

Dampfzug in gruenem Tal vor Wald 

Technik-Nostalgie Dampfzug: Die Eisenbahntechnik an sich ist jedoch alles andere als antiquiert und kann helfen, unsere Energieprobleme zu lösen

 

   Einer der drei großen Vorteil der Eisenbahn ist die geringe Reibung zwischen Rad und Schiene. Der Zweite besteht darin, dass ein schienengeführtes Fahrzeug ohne weiteres Zutun den durch die Gleisführung vorgegebenen Weg verfolgt. Und zum Dritten bleibt ein Schienenfahrzeug auch in der Spur, wenn bei einer Vollbremsung die Räder blockieren, da die seitliche Führung nicht wie bei  einem Straßenfahrzeug von der Reibung zwischen Rad und Untergrund kommt.

   Dass der erste Vorteil heute wieder an Bedeutung gewinnt, liegt auf der Hand: Steigende Energiepreis und das in Sicht rückende Ende der fossilen Energiereserven zwingen zum Umdenken. Die Umstellung auf Energie aus regenerativen Quellen wird um so leichter fallen, je weniger Energie wir benötigen; deswegen ist das Energiesparen der zweite große Gedanke neben der Nutzung regenerativer Energiequellen.

Reibung kostet Energie 

  Wie groß der Unterschied zwischen den Reibpaarungen Reifen-Straße und Eisenrad-Schiene hinsichtlich des Energiebedarfs ist, kann man an praktischen Beispielen nachvollziehen: Als man noch bei Erdbewegungen noch Feldbahnen einsetzte, wurden die tonnenschweren Kipploren oft von Hand bewegt. Bei gleich schweren Fahrzeugen auf Straßenrädern wäre das kaum möglich. Ein einigermaßen kräftiger Mensch kann zum Beispiel auch einen Eisenbahnwagen mit Muskelkraft in Bewegung setzen, bei einem gleich schweren LKW ist das nur einem echten Muskelprotz möglich.

    Die beiden anderen Vorteile kommen speziell im Zeitalter der Automatisierung zum Tragen: An Autos, die fahrerlos ihren Weg finden, wird seit Jahrzehnten gearbeitet, eine alltagstaugliche Lösung ist aber noch lange nicht in Sicht. Die schwierige Aufgabe eines fahrerlosen Fahrzeugs, den Weg zu erkennen und zu verfolgen stellt sich bei einem Schienenfahrzeug jedoch erst gar nicht: Es kann ja gar nicht anders, als seinem vorgegebenen Weg, dem Gleis zu folgen. Alle anderen Probleme des automatischen Betriebes sind jedoch verhältnismäßig leicht zu lösen wie man nicht zuletzt auch bei Modelleisenbahnern sehen kann, die Züge automatisch fahren lassen.

Das Problem der Vollbremsung

    Ein weiteres großes Problem beim fahrerlosen Betrieb besteht darin, dass ein nicht von Schienen geführtes Fahrzeug bei blockiernden Rädern nicht mehr in der Spur bleibt. Das liegt daran, dass hier nicht nur Vortrieb- und Bremskräfte durch die Reibung zwischen Rad und Untergrund übertagen werden müssen, sondern diese auch für die Seitenführung zuständig ist.

    Ein sich bewegender Körper sucht sich immer den leichtesten Weg. Steht er auf Rädern, die sich drehen können, ist dies deren Rollrichtung. Blockieren diese jedoch, ist die zu überwindende Reibung praktsich in alle Richtungen gleich groß. Daher folgt das Fahrzeug dann in gerader Linie der Vektorsumme aller angreifenden Kräfte - und die führt es eben meistens in den Graben oder gegen irgendwelche Gegenstände.

   Ein Schienenfahrzeug hingegen wird die seitlich von den Spurkränzen an den Rädern geführt. Diese Führung bleibt auch erhalten, wenn bei einer Vollbremsung die Räder blockieren. Daher kann man bei schienengeführten Fahrzeugen in Notfällen praktisch immer mit einer Vollbremsung die Sicherheit wieder herstellen.

   Aus diesem Grunde hat ein Omnibus ja auch im Gegensatz zur Eisenbahn keine Notbremse. So wie man das Stoppen eines Eisenbahnzuges im Notfall einem Passagier überlassen kann, kann man ein computergesteuertes Schienenfahrzeug so programmieren, dass bei Fehlern eine Vollbremsung ausgelöst wird. Passiert das fälschlicherweise, entsteht wie beim unnötigen Betätigen der Notbremse in der Eisenbahn im Wesentlichen lediglich eine Störung im Betriebsablauf.

   Eine Vollbremsung im Störungsfall ist auch bei den mittlerweile schon lange alltagstauglichen fahrerlosen Transportsystemen möglich, obwohl diese in der Regel nicht spurgeführt sind. Das liegt ganz einfach an den geringen Geschwindigkeiten, mit denen sich solche Fahrzeuge bewegen, die einen praktisch nicht vorhandenen Bremsweg bewirken. Sprich: Wenn ein fahrerloser Transportwagen im Störfall stoppt, bleibt er halt mehr oder weniger einfach stehen. Bei höheren Geschwindigkeiten funktioniert das jedoch eben nicht und daher nutzt es nichts, dass es im Prinzip schon lange Lösungen gibt, mit denen man fahrerlose Fahrzeuge ihren Weg finden lassen kann: Selbst wenn das Ausfallrisiko noch so klein ist, sind die Folgen eines Störfalles bei höherer Geschwindigkeit katastrophal.

Problem Gleisgebundenheit?

   Die Gleisgebundenheit von Schienenfahrzeugen wird ja auch immer wieder als Nachteil angeführt. Allerdings ist dies nur ein scheinbares Manko, denn bei genauem Hinsehen stellt man fest, dass man in der Praxis mit dem Auto auch nur Orte erreichen kann, zu denen Straßen führen und der Bau einer Straße auch nicht oder nicht wesentlich billiger ist, als der eines Eisenbahngleises.

   Nun ist es aber so, dass Straßen ja überall vorhanden sind und auch in Zukunft vorhanden sein werden, da es individuellen Personenverkehr mit dem Auto weiterhin geben wird, auch wenn man den Gütertransport und große Teile des Personenverkehrs - wie etwa den Berufsverkehr - auf die Schiene verlagert. Daher könnte man meinen, dass beim LKW-Verkehr keine Kosten für den Fahrweg entstehen.

   Das ist jedoch ein Trugschluss: LKW nutzen die Straße ungleich stärker ab als PKW. Das schlägt sich in erheblichen Kosten für Reparaturen nieder, die nur zu einem geringen Teil durch die Kfz- und Mineralölsteuer und die LKW-Maut gedeckt werden. Auf dem Rest bleibt der Steuerzahler sitzen.

   Bei genauem Hinsehen kommt also der Steuerzahler für die Kosten auf, die beim Versand per LKW gegenüber dem Bahnversand (scheinbar) eingespart werden. Oder anders ausgedrückt: Der LKW ist nur deswegen billiger als die Bahn, weil die Transportunternehmen beim Steuerzahler schmarotzen.

   Es ist natürlich richtig, dass beim Transport per Eisenbahn Gewerbegebiete mit Anschlussstrecken erschlossen sowie mit Freiladegleisen und/oder individuellen Gleisanschlüssen versehen werden müssen. Das kostet natürlich Geld. Allerdings ist das sehr wahrscheinlich dennoch billiger, als Bau und kostspielige Instandhaltung von Straßen, die durch die LKW überlastet werden.

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8. Juni 2009 1 08 /06 /Juni /2009 19:19

Der Selbstversorger-Gedanke bezieht sich nicht nur auf den einzelnen Menschen und die einzelne Familie, sondern ist ein Konzept, das auch – und gerade – auf der regionalen Ebene Sinn macht. Hier spielt der Begriff der „Mittleren Technologie“ eine große Rolle.

Mittlere Technologie ist etwas, das nicht so einfach ist wie Bleistift und Papier, aber nicht so aufwendig, wie eine riesige, computerisierte Druckerei. Sondern etwas, das in der Mitte liegt und daher ein Optimum zwischen Aufwand und Wirkung bietet.

Mit Kanonen auf Spatzen geschossen

Der Hintergrund ist, das bei den heutigen technischen Möglichkeiten nur allzu oft mit Kanonen auf Spatzen geschossen wird und vor lauter Technikbegeisterung Lösungen geschaffen werden, die wesentlich mehr können als sie müssen und daher viel zu teuer sind. Ein Beispiel, das Norbert Rost auf der Website „Regionales Wirtschaften“ anführt zeigt, was hier gemeint ist:

Ende 2006 wurden für 2007 Investitionen in Höhe von 1,7 Milliarden Euro angekündigt, welche in die die Region Hoyerswerda fließen und dort 1500 neu Arbeitsplätze schaffen sollten. Das klingt auf den ersten Blick sehr gut, aber Norbert Rost rechnete nach und fand heraus, dass jeder dieser Arbeitsplätze im Schnitt gut 1,1 Millionen Euro kosten würde. Wenn dies nun der Preis für einen Arbeitsplatz ist, wundert man sich nicht mehr, dass kaum noch neue geschaffen werden.

Allerdings ist hier ein kleiner Denkfehler unterlaufen: Die 1,7 Milliarden Euro sollten nicht wirklich investiert werden, um 1700 Arbeitsplätze zu schaffen, sondern eine weitaus größere Anzahl von sonst erforderlichen Arbeitsplätzen durch massiven Technikeinsatz auf 1700 zu reduzieren. Aber genau das ist das Problem: Arbeitskraft wird mit massiven finanziellen Aufwendungen für Hochtechnologie eingespart, wobei oft mehr als fraglich ist, ob sich das tatsächlich rechnet.

Ist nicht menschliche Arbeitskraft doch billiger?

Offenbar ist es bereits so, dass die Einsparung von menschlicher Arbeitskraft so sehr zu einem Dogma geworden ist, dass es jetzt bereits passieren kann, dass Technik eingesetzt wird, wo menschliche Arbeitskraft billiger wäre und mit einfacheren Mitteln günstiger produziert werden könnte.

Hier setzt nun der Gedanke der mittleren Technologie an. „Mittlere Technologie“ mag, ähnlich wie „Mittelweg“ manchem doch arg nach „mittelmäßig“ klingen. Das mag ja sein, aber bei genauem Hinsehen zeigt sich, dass das gerne abfällig angesehene Mittelmäßige doch in den meisten Fällen auf die Dauer am erfolgreichsten ist. So peinlich es klingen mag: Bei genauem Hinsehen sind es die mittelmäßigen Menschen, die durch die ganze Geschichte die Basis des Erfolgs von Hochkulturen, ruhmreichen Heeren und riesigen Unternehmen waren. Selbst in der Natur regiert da Mittelmaß, di meisten Lebewesen stellen mittelmäßig effiziente Mechanismen dar, die jedoch unter allen möglichen Bedingungen funktionieren und überleben.

Deswegen sollte man sich nicht von brillant erscheinenden, in Wirklichkeit aber lediglich unnötig komplizierten technischen Lösungen beiendrucken lassen. Die einfachste und billigste Lösung, die den Zweck erfüllt ist die beste.

Beispiel Erneuerbare Energiequellen

Ein gutes Beispiel für mittlere Technologie ist die regionale Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen: Kleine Biogas-, Hackschnitzel- und Windkraftwerke sind technisch ausgereifte, nicht zu komplizierte Lösungen, die sich nun schon seit Jahren bewähren und die von mittelständischen Unternehmen gebaut und gewartet werden können. Größere, wesentlich aufwendigere Lösungen, wie etwa Offshore-Windparks sind technischer Overkill, der vor allem denjenigen nutzen, die sie bauen und betreiben. Und das sind ganz gewiss nicht die mittelständischen Betriebe der Region, die den Leuten vor Ort Arbeit geben.
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6. Mai 2009 3 06 /05 /Mai /2009 13:22

Wer schon einmal spaßeshalber Zollrohr eines bestimmten Nenndurchmesser nachgemessen hat, wird sich vielleicht gewundert haben, dass z.B. ein 1 ''-Rohr weder außen noch innen genau dieses Maß hat. Warum aber ist das so?

Das hat einen historischen Grund: Als man die Norm für Zollrohre festlegte, legte man zunächst tatsächlich den Innendurchmesser als Nennmaß fest. Dieser ist ja bei einem Rohr das wichtigste Maß, weil er darüber entscheidet, wieviel Flüssigkeit oder Gas hindurch strömen kann. Die Wandstärke wiederum entscheidet darüber, wieviel Druck das Rohr aushält.

So ergibt sich bei gegebenen Werkstoff aus dem geforderten Innendurchmesser und dem Druck, den das Rohr aushalten soll, die Wandstärke und damit der Außendurchmesser. Beim Messen des Innendurchmessers dieser alten ½ ''-, ¾''- , 1''- und so weiter Rohre konnte man tatsächlich das jeweilige Nennmaß ablesen.

Mit der Zeit wurde es jedoch möglich, besseren Stahl herzustellen und man konnte die Wandstärke der Rohre verringern um Material zu sparen. Hätte man jetzt den alten Innendurchmesser beibehalten, hätte sich der Außendurchmesser ebenfalls verringert und die neuen Rohre hätten weder zu den bereits vorhanden Anlagen, noch zu den mit ihnen zusammen genormten Werkzeugen zum Gewindeschneiden gepasst.

Deswegen behielt man den alten Außendurchmesser bei und machte mit der geringeren Wandstärke einfach den Innendurchmesser ein wenig größer, was nicht weiter schadete. Aus diesem Grund sind Zollrohre heute innen immer etwas größer als der Nenndurchmesser.  

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6. Februar 2009 5 06 /02 /Februar /2009 19:19

Wie die künstliche Intelligenz und das automatisch fahrende Auto gehört das alltagstaugliche Elektroauto zu den technischen Errungenschaften, die schon seit Jahrzehnten „demnächst kommen“. Glücklicherweise kann man elektrischen Strom aus praktisch allen Energiequellen gewinnen und daher mit seiner Hilfe auch die erneuerbaren Energieträger problemlos nutzbar machen, so dass der Gedanke eines elektrischen Autos gerade heutzutage sehr nahe liegt.

Elektroautos gibt es eigentlich schon lange: Oma Ducks Elektroauto oder zumindest ein ähnliches Modell von der Detroit Motor Company (Bild: Claus Ableiter, lizensiert nach GNU FDL)

Vorteile des Elektroantriebs 

 In der Tat passen die mechanischen Eigenschaften von Elektromotoren gut zu den Anforderungen eines Fahrzeugantriebes: Sie können unter Last anlaufen und auch bei niedrigen Drehzahlen bereits ein hohes Drehmoment erzeugen. Verbrennungsmotoren können beides nicht und daher benötigt ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mindestens eine Kupplung und für höhere Geschwindigkeiten darüber hinaus ein Getriebe mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis.

 Wo bei hohen Leistungen und/oder schnellen Lastwechseln Zahnradgetriebe an ihre Grenzen kommen, hat man, bevor es hydraulische Getriebe und Drehmomentwandler gab, daher schon sehr früh die Elektrizität als Mittel benutzt, die Leistung eines Verbrennungsmotors zu den Antriebsrädern eines Fahrzeuges zu übertragen. Dieselelektrische Lokomotiven wurden durch die später entwickelten Hydrogetriebe, vor allem von dem schwäbischen Maschinenbau-Unternehmen Voith in Heidenheim/Brz., zwar zu einem großen Teil, jedoch bei weitem nicht vollständig verdrängt.

 Zum Beispiel sind bei der AKN Eisenbahn AG, die Hamburg mit den ländlichen Gebieten in seinem Norden verbindet, auch heute noch dieselelektrische Triebwagen im Einsatz. Im Verbundverkehr mit der Hamburger S-Bahn werden Fahrzeuge benutzt, die auf dem Netz der S-Bahn den für die Fahrmotoren notwendigen Strom aus dessen Fahrleitungen entnehmen und ihn auf den nicht elektrifizierten AKN-eigenen Strecken auf dem Land mit Hilfe von Dieselmotoren und Generatoren selbst erzeugen. Innerhalb der Stadt werden so Lärm und Abgase vermieden ohne dass man die ländlichen Strecken elektrifizieren musste.

 Ein weiterer Vorteil des Elektroantriebs besteht darin, dass man die beim Bremsen anfallende Energie nicht nutzlos vollständig in Wärme umwandeln und so quasi „vernichten“ muss, sondern aus ihr wieder elektrische Energie für den Antrieb gewinnen kann. Vor allem bei Bergbahnen lohnt sich eine entsprechende Ausrüstung; hier können zwei bis drei talfahrende Züge den kompletten Strom für einen bergfahrenden erzeugen.

 

Nachteile des Elektroantriebs

 Wer als Kind eifrig Micky-Maus-Hefte gelesen hat, erinnert sich vielleicht an das Auto von Onkel Dagoberts Schwester Dorette, besser bekannt als Oma Duck. Wer genau aufgepasst hat, weiß vielleicht auch noch, dass es sich dabei um ein Elektroauto handelte. Dieses Elektroauto war keineswegs eine futuristische Erfindung Daniel Düsentriebs, sondern gehörte durchaus zum Ambiente des ländlichen Amerikas der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, welches liebevoll und detailgetreu gezeichnet die Kulisse der Geschichten um Oma Duck bildet. 

Der Tesla Roadster, das derzeit wohl modernste Elektroauto (Bildquelle: fogcat5, lizensiert nach CCL)

 Auch beim Auto experimentierte man nämlich bereits sehr früh mit dem Elektroantrieb und gerade auch in den USA hatten Elektroautos längere Zeit eine gewisse Verbreitung. Antriebstechnisch ist ein Elektroauto kein großes Problem. Es gab bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts elektrische Postautos, Droschken, Lieferwagen und sogar PKW. Das Problem liegt nicht in der technischen Machbarkeit des eigentlichen Antriebs, sondern in der Energieversorgung. Schienenfahrzeugen sind sowieso an ihre Schienen gebunden; daher entsteht durch die Fahrleitung für elektrische Triebfahrzeuge keine weitere Einschränkung der Beweglichkeit. Anders bei Straßenfahrzeugen: Oberleitungs- oder Trolley-Busse sind zwar eigentlich genauso lenkbar wie andere Straßenfahrzeuge, können aber den Bereich ihrer Fahrleitungen dennoch nicht verlassen.

 Außerdem ist hier die Konstruktion der Stromabnehmer und der Fahrleitung wesentlich aufwendiger: Ein Eisenbahnfahrzeug benötigt nur einen Fahrdraht, da die zweite Leitung durch die Schienen ersetzt wird und es nimmt auch immer in etwa die selbe Lage zum Fahrdraht ein. Ein Straßenfahrzeug hingegen benötigt zwei Fahrdrähte und eine aufwendige Führung der Stromabnehmer, weil man es nicht so genau unter dem Fahrdraht her lenken kann, wie die Schienen ein Schienenfahrzeug führen und im Straßenverkehr auch des öfteren kleinere Ausweichmanöver notwendig werden.

 Für Straßenfahrzeuge, vor allem für den Individualverkehr braucht man daher eine Stromversorgung, welche ohne Fahrleitung auskommt, nämlich eine mit Akkumulatoren. Diese sind notwendigerweise aber schwer, weil ihre Kapazität an die Masse gebunden ist. In einem Kilogramm Akkumulator kann man ganz einfach weniger Energie unterbringen als in einem Kilogramm Benzin enthalten ist. Ein Elektrofahrzeug schleppt daher außer seiner Nutzlast immer auch eine erhebliche Menge „totes Gewicht“ in Form seiner Batterie mit, was sich wiederum natürlich auch auf seinen Energiebedarf auswirkt. Abhilfe scheinen hier in Zukunft möglicherweise die neuartigen Lithium-Ionen-Akkus zu schaffen, die bei gleichem Gewicht wesentlich mehr elektrische Energie speichern können als herkömmliche Batterien. 

Dieselelektrischer Triebwagen der AKN (Bild: M. Bienick, lizenziert nach CCL

 Ein weiteres Hindernis sind die langen Ladezeiten von Akkumulatoren. Wenn der Tank eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor leer gefahren ist, kann man ihn in wenigen Minuten an der Tankstelle wieder auffüllen, das Laden eines Akkus dauert Stunden. Wer schon einmal eine neue Autobatterie gekauft hat, weiß auch, dass Akkumulatoren eine teure Sache sind. Besonders stark würden sich die hohen Anschaffungskosten der Batterien auswirken, wenn man, wie das schon vorgeschlagen würde, die Akkus nicht im Fahrzeug laden, sondern an den Ladestationen einfach austauschen würde. In diesem Falle müsste dann pro Fahrzeug nicht nur mehr als ein Akku vorhanden sein, sondern auch ein genormtes System aus Akkumulatoren, Aufnahmen dafür im Fahrzeug und Vorrichtungen zum Wechseln geschaffen werden

 

Wo Akkumulatoren gut funktionieren

Trotz der genannten Nachteile gibt es einige Anwendungsgebiete, auf denen Akkumulatoren bereits durchaus eingesetzt werden können. Es gab bei der Eisenbahn jahrzehntelang Akkumulator-Triebwagen, die sich gut bewährten. Da die Reibung zwischen Eisenbahnrad und Schiene wesentlich geringer ist als die zwischen Gummireifen und Straße, benötigen Eisenbahnfahrzeuge sehr viel weniger Energie als Straßenfahrzeuge.

 Aus diesem Grund kann bei gleichen Fahrleistungen und gleicher Reichweite der Akkumulator eines Schienenfahrzeugs wesentlich kleiner und leichter ausfallen als der eines vergleichbaren Straßenfahrzeuges. Dadurch verbessert sich das Verhältnis zwischen Fahrzeugmasse und Nutzlast, so dass das tote Gewicht durch den Akku eher verschmerzt werden kann. Außerdem ist das Laden der Akkus bei einem fahrplanmäßigen Betrieb planbar, so dass die Einsatzfähigkeit nicht unter den langen Ladezeiten leiden muss.

 Auch bei Flurförderzeugen lässt sich der Elektroantrieb mit Akku gut einsetzen. Auch hier sind die Fahr- und Ladezeiten anhand der Arbeitszeiten im Betrieb gut planbar. Bei Gabelstaplern und Schleppern stellt das hohe Gewicht der Akkus zudem keinen Nachteil, sondern einen Vorteil dar, da diese aus technischen Gründen nicht nur schwer sein dürfen sondern schwer sein müssen. Das gilt auch für Akku-Lokomotiven, die man früher auf kleinen Werksbahnen einsetzte und auch heute noch im Bergbau verwendet.

 

Ist Wasserstoff die Lösung?

 Aufgrund der beschriebenen Unzulänglichkeiten der derzeit technisch möglichen Akkumulatoren gibt es auch nach weit mehr als einem Jahrhundert des Experimentierens kein Elektroauto, welches den herkömmlichen PKW mit Benzin-, Diesel- oder auch Gasmotor vollwertig ersetzen kann. Eine Möglichkeit, Fahrzeuge mit elektrischen Strom zu betreiben und dabei auf den unhandlichen Akku verzichten zu können, könnte der Einsatz von Wasserstoff zum Speichern elektrischer Energie sein. 

Brennstoffzelle im Laborversuch (Bildquelle: NASA)

 Wasserstoff ist ein brennbares Gas und kann daher, wie z.B. auch Methan (Erd- und Biogas), Kohlenmonoxid (Stadtgas) oder Ethin (Azetylen), als Brennstoff verwendet werden. Der Einsatz von Gasen als Treibstoff für Verbrennungsmotoren ist eine Sache, die schon lange einwandfrei funktioniert und so könnte man daher prinzipiell auch Autos mit Gasmotoren ausrüsten, die mit Wasserstoff betrieben werden.

 Eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zum Antrieb von Fahrzeugen zu nutzen, ist die so genannte Brennstoffzelle. Bei dieser Technik werden Wasserstoff und Sauerstoff derartig zu Wasser verbunden, dass dabei, anders als bei der Verbrennung von Knallgas, nicht Wärme, sondern elektrische Energie entsteht, die dann für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs sorgt.

 

Ein einfaches Prinzip

Aber woher bekommt man den Wasserstoff? Das Prinzip ist im Grunde einfach: Jeder kennt Knallgas, eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, die bei der geringsten Funkenbildung explosionsartig zu Wasser verbrennt. Umgekehrt kann man Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten und zwar unter anderem mit Hilfe von elektrischem Strom. Der so mit Hilfe von elektrischer Energie erzeugte Wasserstoff (und, falls man zur Verbrennung nicht Luftsauerstoff einsetzen will, auch den zugehörigen Sauerstoff) könnte in Fahrzeugen in Tanks mitgeführt werden und zum Antrieb eines Verbrennungsmotors dienen. Bei der Oxydation des Wasserstoffs zu Wasser wird nämlich rechnerisch genau die Energie wieder frei, die hineingesteckt wurde, als man ihn vom Wasser getrennt hat.

 

Der Wirkungsgrad

 In der Praxis bekommt man nun nicht die ganze zur Spaltung des Wassers aufgewendete Energie wieder zurück, weil bei der Elektrolyse Verluste in Form von Abwärme entstehen. Das ist aber bei allen Energieübertragungen und -umwandlungen der Fall, ganz egal ob es sich um chemische, elektrische oder mechanische Energie handelt, um Verbrennungsmotoren, elektrische Leitungen, Transformatoren, Zahnradgetriebe, ketten- oder Riementriebe oder was auch immer: stets bekommt man weniger Energie heraus als man hineinsteckt weil es Verluste, vor allem in Form von Wärme, gibt. 

In der Natur werden unglaubliche Energiemengen umgesetzt. Die Elektrizität von Blitzen wird man wohl kaum jemals nutzen können, dafür aber die nicht weniger gewaltigen und nie versiegenden Energien von Sonne und Wind (Bild: Andre Karwath, lizensiert nach CCL)

 Das Verhältnis zwischen der hinein gesteckten und der heraus bekommenen Energie oder Leistung bezeichnet man als Wirkungsgrad und drückt ihn in Prozenten oder einer Zahl zwischen 0 und 1 aus. Daraus ergibt sich rechnerisch etwas, was auch dem gesunden Menschenverstand einleuchtet: Je öfter bzw. weiter wir Energie auf dem Weg von der Quelle zum Verbraucher umwandeln und/oder übertragen müssen, um so weniger bleibt für die eigentliche Nutzung übrig.

 Aus diesem Grund wäre es zum Beispiel auch unsinnig, Strom aus Biogas zum Antrieb von Fahrzeugen zu verwenden: Die Wärmeverluste bei der Umwandlung der chemischen Energie des Biogases in mechanische Energie mit einem Gasmotor sind aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten unvermeidlich. Will man nun mit der Energie aus dem Biogas ein Elektroauto betreiben, kommen die Verluste im Generator, beim Laden und Entladen des Akkus, sowie beim Antriebsmotor des Autos hinzu. Baut man dagegen den Gasmotor direkt in das Auto ein, treten lediglich lediglich dessen Wärmeverluste, sowie die des dann notwendigen Schaltgetriebes auf.

 Außerdem existieren bereits alltagstaugliche Autos für Biogasbetrieb: Biogas ist nämlich genau das gleiche wie Erdgas; daher können für den Erdgasbetrieb umgerüstete Autos ohne weiteres auch mit Biogas betrieben werden, genauso, wie die bereits vorhandene Betankungs-Technik für Erdgas auch mit Biogas funktioniert.

 

Der Haken dabei...

 Sehr populär war der Gedanke des Wasserstoffantriebs zu der Zeit, als man noch glaubte, mit Hilfe der Atomenergie elektrischen Strom in riesigen Mengen fast umsonst herstellen zu können. Allerdings wäre er auch eine Möglichkeit, indirekt Wasser-, aber vor allen Dingen auch Windenergie zum Antrieb von Fahrzeugen zu nutzen und ist daher nach wie vor aktuell. Auch zum Speichern von Strom aus Sonnen- oder Windenergie, welche ja nicht immer dann anfällt, wenn man sie braucht, wäre der Wasserstoff auf den ersten Blick gut geeignet.

 So bestechend die Idee auch klingt, Wasserstoff zum Speichern von elektrischer Energie zu verwenden, so ist sie dennoch derzeit noch nicht wirklich praktikabel. Das liegt an der unangenehmen Eigenschaft des Wasserstoffs, sich praktisch durch jedes Material einschließlich Stahl und Glas hindurch zu schleichen. Der Fachmann nennt diese Erscheinung Diffusion und erklärt sie mit der Tatsache, dass das Wasserstoff-Molekül so klein ist, dass es quasi durch das Gefüge selbst sehr dichter Werkstoffe gewissermaßen hindurchsickern kann. Daher wäre der Betrieb eines Fahrzeugs mit Wasserstofftantrieb eine im wahrsten Sinne des Wortes brandgefährliche Sache und das Wasserstoff-Automobil rückt in diejenige Zukunft, in der ein Weg gefunden wird, den Wasserstoff nicht nur zuverlässig sondern auch kostengünstig in einem Tank einzusperren.

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17. Dezember 2008 3 17 /12 /Dezember /2008 15:41

Heutzutage ist die Abkehr vom Erdöl durchaus ein Thema und man diskutiert neue Techniken für die Umwandlung von chemischer, also in Brennstoffen enthaltener Energie in Bewegungsenergie oder Elektrizität. Trotzdem werden uns Hubkolbenmotoren wohl noch eine ganze Weile erhalten bleiben; es lohnt sich daher für den Selbstversorger, wie auch den kritischen Verbraucher durchaus, ein wenig über ihre Technik zu wissen, wie natürlich auch über Technik ganz allgemein. Zum einen, um bei Kauf- und Reparatur von technischen Gegenständen nicht so leicht übers Ohr gehauen zu werden, zum anderen auch, um bei Diskussionen über (Enegergie-)Technik mitreden zu können. Die heute üblichen Hubkolben-Verbrennungsmotoren, wie wir sie in Lokomotiven, Autos, Motorrädern, Rasenmähern, Kettensägen und vielen weiteren Maschinen finden, funktionieren nicht nur mit Erdölprodukten, sondern lassen sich auch wunderbar mit anderen Brennstoffen betreiben, vor allem eben auch mit solchen aus nachwachsenden Rohstoffen.

Unser liebstes Kind, das Auto: Auch wenn man nicht selbst als "Schrauber" Hand anlegt, lohnt es sich, etwas darüber zu wissen, wie es funktioniert. 

(Dieses Bild basiert auf dem Bild VW_golf_V.jpg aus der freien Mediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Thomas doerfer, Beeblebrox5000, Stahlkocher)


Welche Arten von Verbrennungsmotoren gibt es?
Sehen wir einmal vom Wankelmotor ab, der seit Jahrzehnten immer wieder einmal auftaucht, es bislang aber nie zu wirklicher Bedeutung bringen konnte, spielen bei den Verbrennungsmotoren die Konstruktionen mit Hubkolben eine Rolle. Das Prinzip ist einfach und das gleiche wie bei einer Dampfmaschine: Gas dehnt sich aus  und bewegt einen Kolben. Dessen Hin- und Herbewegung (Oszillation) wird mit einem Kurbeltrieb in eine Drehbewegung (Rotation) umgewandelt. Bei der Dampmaschine ist das Gas, welches sich ausdehnt,  Wasserdampf, beim Verbrennungsmotor sind es die Verbrennungsgase.
Die Vebrennungsmotoren kann man nun nach zwei Kriterien einteilen: Zum einen nach der Arbeitsweise in Zwei- und Viertaktmotoren, zum anderen nach der Art der Zündung in Otto- (Fremdzünder) und Dieselmotoren (Selbstzünder). Am einfachsten ist die grundsätzliche Arbeitsweise an Hand eines Viertakt-Ottomotors zu erläutern, daher soll dieser zu erst besprochen werden.

Der Viertakt-Otoomotor

Arbeitsweise eines Viertakt-Ottomotors

(Dieses Bild basiert auf dem Bild 4-Stroke-Engine.gif aus der freien Mediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist UtzOnBike, Bub's)


 Viertaktmotoren sin in ihrem mechanischen Aufbau her komplizierter, aber von der Arbeitsweise her leichter zu verstehen als Zweitaktmotoren. Das Kraftstoff-/Luftgemisch gelangt durch das  Einlassventil rechts im Bild in den Zylinder, während der Kolben im ersten, dem so genannten Ansaugtakt nach unten geht. Wenn er unten angelangt ist, schließt sich das Einlassventil und es begint der zweite, der Verdichtungstakt. Diese Verdichtung wurde von  Nikolaus August Otto (1832 - 1891) eingeführt und bedeutete eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem  Vorläufer des Otto-Motors, dem Lenoir-Motor, da das Kraftstoff-/Luftgemisch so besser vebrennt,
 Am Ende des Vertichtungstaktes erfolgt die Zündung. Durch die Verbrennungswärme dehnt sich das Gas aus und treibt den Kolben nach unten, der über das Pleuel (die Kolbenstange also) die Arbeitsleistung auf die Kurbelwelle überträgt und sie dreht. Dieser dritte Takt heißt Arbeitstakt. Am Ende dieses Arbeitstaktes ist der Kolben wieder unten angelangt und das Auslasventil (links im Bild) öffnet sich. Der Kolben geht nun wieder aufwärts, wodurch die verbrannten Gase im vierten, dem Auspufftakt aus dem Zylinder geschoben werden. Nun schließt sich das Auslassventil, das Einlassventil öffnet sich und das Arbeitsspiel beginnt von neuem.

Der Zweitaktmotor

Arbeitsweise eines Zweitaktmotors

(Dieses Bild basiert auf dem Bild Two-Stroke Engine.gif aus der freien Mediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist A. Schierwagen)

 Einfacher aufgebaut als der Viertakter ist der Zweitakt-Ottomotor; er spart nämlich die komplette Ventilsteuerung ein, welche recht kompliziert ist. Abgesehen von Eventuellen Nebenaggregaten wie Zündalage ubd Vergaser, besitzt er lediglich drei bewegliche Teile: Kolben, Pleuel und Kurbelwelle. Wie man in der Abbildung sehen kann, benutzt er den Raum unter dem Kolben gewissermaßen als Ladepumpe. Wenn der Kolben zum Verdichten des Zylinderinhalts, im ersten Takt also, aufwärts geht, saugt er mit seiner Unterseite Kraftstoff-/Luftgemisch ins Kurbelgehäuse.

 Im zweiten Takt, dem Arbeitstakt, verbrennt das Gemisch oberhalb des Kolbens und treibt diesen nach unten. Dabei wird gleichzeitig das Gemisch im Kurbelgehäuse vorverdichtet. Ist der Kolben unten angelangt, gibt er mit seiner Oberkante den Auslassschlitz frei, so dass das verbannte Gemisch über den Auspuff den Zylinder verlassen kann.
 Kurz nach dem Auslassschlitz wird nun auch der Überströmkanal (rechts im Bild) von der Kolbenoberkante freigegeben, so dass das frische Gemisch aus dem Kurbelgehäuse einströmen kann. Der Kolben schließt nun in der folgenden Aufwärtsbewegung den Überströmkanal und den Auslassschlitz und verdichtet wiederum das frische Gas mit seiner Oberseite, während er mit der Unterseite neues Gemisch ins Kurbelgehäuse saugt. Der Zugang des Gemischs zum Kurbelgehäuse wird (wie im Bild) durch eine Art Rückschlagventil geregelt, das in der Praxis meist aus einer Membran besteht oder von der Unterkante des Kolbens, der den Einlassschlitz zum Kurbelgehäuse hin im Aufwärtsgehen öffnet und im Abwärtsgehen schließt. Eine weitere Möglichkeit ist ein Drehschieber auf der Kurbelwelle, der zu den richtigen Zeiten den Zugang zum Kurbelgehäuse öffnet und schließt.

Problematik des Gaswechsels

Die geniale Schnürle-Umkehrspülung (Bild: Simon Schäler, Publich Domain)

 Das große Problem des Zweitaktmotors besteht nun darin, den Gaswechsel im Unteren Totpunkt auch wirklich so erfolgen zu lassen, dass in der Tat  praktisch das ganze verbrannte Gas den Zylinder durch den den Auspuff verlässt und das Frischgas den Zylinder vollständig füllt, möglichst ohne dass ein Teil davon gleich wieder durch den Auspuff entfleucht. Um dies zu erreichen benötigt der Hersteller eine gute Portion Kenntnis der Strömungslehre und Erfahrung im Bau von Zweitaktmotoren. Der unvergessliche Alexander Spoerl, (Technik-)Schriftsteller und Motorjournalist, gab als Faustregel an, dass ein Viertakter im so gut sei, wie er teuer ist, ein Zweitakter dagegen so gut, wie die Firma alt.
 Die wohl beste Methode, einen ordentliche Gaswechsel zu erreichen, ist die oben abgebildete Schnürle-Umkehrspülung. Dabei gibt es zwei Überströmkanäle, die sich gegenüberliegen und zwar zu beiden Seiten des Auslassschlitzes. Die beiden Frischgasströme richten sich aneinander auf und steigen im hinteren Teil des Zylinders nach oben, wobei sie das verbrannte Gas vor sich herschieben. Im Zylinderkopf wird der Strom umgekehrt (daher der Name Umkehrspülung) und das Auspuffgas wird im im vorderen Teil des Zylinders nach unten in Richtung Auslassschlitz geschoben.
 Ein weitere Feinheit des Gaswechsels bei schlitzgesteuerten Zweitaktern besteht darin, dass der Auslassschlitz einen kleinen Moment vor dem/den Überströmkanal/älen öffnet, damit der ärgste Druck weg ist und sich die Gassäule bereits in Richtung Auspuff in Bewegung gesetzt hat, bevor der/die Überströmkanal/äle öffnen. Dadurch wird verhindert, dass Auspuffgase in die Überströmkanäle gelangen.
 Es kommt aber noch besser: Auch der Auspuff wird zur Steuerung des Zweitaktmotors herangezogen; deswegen bringen Veränderungen am Auspuff, wie gar das Ausräumen seiner Innereien keine Verbesserung sondern Verschlechterung der Leistung, was übrigens auch für die Ansaugseite gilt. Die ausströmende Gassäule saugt gewissermaßen das Frischgas in den Zylinder, bis er vollständig damit gefüllt ist. Dabei tritt im Idealfall das Frischgas sogar ein kleines Stück in den Auspuff. Bei optimaler Abstimmung ist in der Zwischenzeit das Auspuffgas vom Prallblech im Auspufftopf zurückgeworfen worden und drückt jetzt in Richtung Zylinder. Dabei schiebt es das ausgetretene Frischgas zurück in den Zylinder und zwar so, dass die Kolbenoberkante den Ausströmschlitz genau dann schließt, wenn alles Frischgas zurückgeschoben worden ist. Da die Übeströmkanäle in diesem Moment bereits wieder zu sind, weil ihre Oberkante etwas tiefer liegt als die des Auslassschlitzes wird so eine kleine Überladung des Zylinders erreicht.
  Dieser ganze Vorgang kann nun natürlich nur in einem bestimmten Drehzahlbereich einigermaßen optimal ablaufen, und der Motor wird in diesem Bereich sein höchstes Drehmoment erreichen. Je kürzer der Abstand zwischen Auslassschlitz und Prallblech im Auspufftopf ist, desto höher ist die Drehzahl bei welcher der Motor sein maximales Drehmont erreicht. Da nun die Leistung das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment ist, ist dieser Zusammenhang der Grund dafür, dass der alte Trick funktioniert, einem Zweitakter durch Kürzen des Auspuffkrümmers eine etwas höhere Leistung zu entlocken. Allerdings erlischt hierdurch - wie bei allen Veränderungen am Auspuff und übrigens auch durch Manipulationen am Ansaugpart - die Betriebserlaubnis und man verliert den Versicherungsschutz!

Hub, Bohrung und Hubraum
 Der Raum, durch den sich der Kolben bewegt, wird als Hubraum bezeichnet. Er errechnet sich aus dem Durchmessr des Kolbens und des Zylinders, der so genannten Bohrung, und dem Hub, das ist der Weg, den der Kolben zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt zurücklegt und zwar nach der bekannte Formel für das Volumen eines Zylinders V = (d/2)² * π * h.
 Je größer der Hubraum ist, je mehr Leistung kann man aus einem Motor herausholen. Außerdem hängt die Leistung aber auch noch von der Drehzahl ab, davon, wieviel Kraftstoff verbrannt wird und wie gut die Verbrennung funktioniert. Grundsätzlich kann man aber sagen, dass man bei gleichem Hubraum eine höhere Drehzahl braucht, um eine höhere Leistung zu erreichen.
 Der Hub hängt vom Abstand zwischen der Achse der Kurbelwelle und dem Mittelpunkt des Pleuelfußlagers, also der Länge des "Kurbelarms" ab. Dieser Wert, mit Zwei malgenommen, ergibt den Hub. Ist der Hub genau so groß wie die Bohrung, spricht man von einem Motor mit quadratischem Hub, ist der Hub größer als die Bohrung, von einem Langhuber, ist er kleiner, von einem Kurzhuber.
  Bei einem langen Hub steht dem Kolben ein langer Hebel zur Verfügung um die Kurbelwelle zu drehen, er erzeugt daurch ein großes Drehmoment. Allerdings muss er auch einen längeren Weg bei jeder Umdrehung zurücklegen und dadurch ist bei gleicher Drehzahl seine so genannte Kolbengeschwindigkeit höher als die eines Motors mit einem kürzeren Hub. Das erhöht zum einen den Verschleiß zwischen Kolben und Zylinder, zum anderen sind die Kräfte am oberen und unteren Totpunkt größer, wenn der Kolben seine Bewegungsrichtung ändern muss. Und dass geht auf die Lager. Langhuber erzeugen daher "Dampf von unten 'rauf", sind dafür aber nicht für hohe Drehzahlen geeignet.
 Kurzhuber hingegen haben bei der gleichen Drehzahl eine geringere Kolbengeschwindigkeit und erzeugen geringere Kräfte im oberen und unteren Totpunkt. Dadurch  kann man mit  ihnen hohe Leistungen durch hohe Drehzahlen erreichen.

Ein- und Mehrzylindermotoren

"Der Motor des Bauern kann nicht einzylindrig genug sein", soll Heinrich Lanz gesagt haben. Ob´s stimmt oder nicht, jedenfalls ist sein Produkt, der Lanz-Bulldog, das Urbild des Großvolumigen Einzylinders 

(Dieses Bild basiert auf dem Bild Lanz1.JPG aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Pumuckel42)

 Da der Kolben eines Verbrennungsmotors nicht nur hin und her geht, sondern auch nur in der Abwärtsbewegung, beim Viertakter sogar nur bei jeder zweiten, Arbeit leistet und sonst Arbeit aufnimmt, muss ein Einzylindermotor über eine recht große Schwungmasse verfügen und läuft trotzdem recht unrund. Manchen Leuten gefällt das und sie lieben daher Motorräder mit einem großvolumigen  Einzylinder und/oder Lanz-Bulldogs, die durchaus ihren urigen Reiz haben.

 Baut man Motoren mit mehreren Zylindern, kann man sie gegeneinander versetzt arbeiten lassen. Dadurch wird der Kraftangriff an der Kurbelwelle gleichmäßiger und der Lauf runder, aber der ganze Motor natürlich viel teurer, weil er mehr Teile hat. Teurere Autos haben daher Sechs-, Acht- oder sogar Zwölfzylindermotoren. Autos für jedermann gehen einen Kompromiss ein und haben meist einen Vierzylindermotor, der recht ruhig läuft,aber noch verhältnismäßig einfach aufgebaut und bezahlbar ist.
 Da ein Zweitakter bei jeder Umdrehung einmal arbeitet, läuft er ruhiger als ein Viertakter, der nur alle zwei Umdrehungen einmal arbeitet. Daher stand auf den Zweitaktautos von DKW auch 3=6, was besagen sollte, dass deren Dreizylinder-Zweitakter so ruhig lief wie ein Sechszylinder-Viertakter.

Schmierung
 Die Schmierung ist bei einem Viertakter relativ einfach zu lösen: Das Kurbelgehäuse dient als Ölsumpf, von wo eine Ölpumpe das Öl absaugt und über Ölleitungen an die einzelnen Schmierstellen fördert. Von dort läuft das Öl durch sein eigenes Gewicht wieder zurück in den Ölsumpf. Eine solche Schmierung heißt Druckumlaufschmierung und arbeitet immer mit dem gleichen Öl, bis dieses abgenutzt ist und bei einem Ölwechsel durh neues ersetzt wird.
 Bei Zweitaktern geht das nicht, da hier das Kurbelgehäuse vom Kraftstoff-/Luftgemisch durchströmt wird. Hier wird kommt das Öl mit dem eben dem Kraftstoff-/Luftgemisch, schmiert dabei sowohl den Kolben und die Zylinderwand, als auch die Lager der Kurbelwelle und des Pleuels. Bei einfachen Zweitaktmoteren wird das Öl dazu dem Kraftstoff beigegeben (die berühmte Zweitakt-Mischung), bei vornehmeren wird es aus einem separaten Öltank in den Ansaugtrakt gespritzt. 

Die Gemischaufbereitung beim Ottomotor

So funktioniert ein Vergaser: In der Verengung des Ansaugrohres störmt die Luft besonders schnell und  reisst daher den Kraftstoff aus der Düse mit (rechter Bildteil, Seitenansicht). Links im Bild sieht man in der Vorderansicht auch die Schwimmerkammer mit dem Schwimmer, der über ein Nadelventil für gleichbleibenden Kraftstoffstand sorgt

(Dieses Bild basiert auf dem Bild Vergaserprinzip.PNG aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Kassander der Minoer)

 Um einen Ottomotor zu betreiben, benötigt man ein Kraftstoff-/Luftgemisch und zwar eines in einem passenden Verhältnis. Bei Benzinmotoren hat man dies früher durch eine Vergaser erzeugt und tut das auch heute noch bei kleinen und einfachen Motoren. Dieser funktioniert im Prinzip sehr einfach, nämlich wie ein Parfümzerstäuber, ist aber in der Praxis, zumindest für höhere Leistungen und erträgliche Verbräuche, ein hochkompliziertes Aggregat, weil er unter allen möglichen Drehzahl- und Lastbedingungen das optimale Mischungsverhältnis liefern und eine gute Durchmischung gewährleisten muss.
 Leichter funktioniert dies mit einer Benzineinspritzung, wobei die jeweilige Einspritzmenge und der EInspritzzeitpunkt zu Anfang mechanisch, später elektronisch und heute mit einem Computer gesteuert wurde bzw. wird. Verbreitet und technisch einfacher sind Saugrohreinspritzungen, bei denen der Kraftstoff in den Ansaugtrakt gespritzt wird. technisch aufwendiger sind Direkteinspritzer, bei denen während des Ansaug- und eventuell auch noch während des Verdichtungshubes direkt in den Zylinder gespritzt wird.
 Mit einer Einspritzanlage lässt sich die Gemischaufbereitung sehr viel besser steuern als mit einem noch so ausgeklügelten Vergaser, auf jeden Fall mit einer elektronischen und noch viel mehr mit einer modernen computergesteuerten. Daher findet man heute praktisch nur noch Autos mit Benzineinspritzung. Ob dazu (und auch sonst im Auto) wirklich ein Computer notwendig ist, sie übrigens bezweifelt: Bereits die alten elektronischen Einspritzungen, wie man sie im Manta GTE, im Golf GTi und so weiter fand, waren dafür bekannt, nicht nur für respektable Fahrleistungen, sondern auch für einen günstigen Kraftstoffverbrauch zu sorgen
 Auch das Mischen von Luft und einem brennbaren Gas ist möglich und so gar einfacher als das Vergasen (genau genommen müsste es Vernebeln heißen). Schließlich waren die ersten Verbennungsmotoren überhaupt Gasmotoren, zum brauchbaren Vergaser für flüssige Brennstoffe war es ein weiter Weg. Deshal ist es ohne weiteres möglich, zum Beispiel Biogas oder Holzgas zu verwenden, oder, wie das heute  bereits oft geschieht, Erdgas oder Propan. Der Umbau eines Benzinmotors auf Propan ist überhaupt kein Problem; bei Erdgas gestaltet es sich etwas schwieriger, ist aber auch möglich - und vor allem sinnvoll, da Erdags im Grunde auch nichts anderes ist als Biogas, nämlich Methan, und ein Erdgasauto (wie alle Erdgasgeräte) also auch mit (entsprechend aufbereitetem) Biogas funktioniert.
 
Das Diesel-Prinzip

Ein (stationärer) Dieselmotor der ersten Generation

(Dieses Bild basiert auf dem Bild Dieselmotor vs.jpg aus der freien Mediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Flominator)

 Ein Dieselmotor ist mechnisch im Prinzip so aufgebaut wie ein Ottomotor. Der Unterschied besteht darin, dass er kein Kraftstoff-/Luftgemisch ansaugt, sondern reine Luft und diese wesentlich höher verdichtet, als ein Ottomotor dies mit seinem Kraftstoff-/Luftgemisch tut.  Dabei wird die Luft so heiß, dass der Kraftstoff sich selbst entzündet, wenn er am Ende des Verdichtungshubes eingespritzt wird. Die Leistung regelt man über die eingespritzte Kraftstoffmenge. Die Glühkerze benötigt man nur beim Kaltstart, wenn die Selbstzündung noch nicht so richtig funktioniert.
 Eine technische Schwierigkeit beim Dieselmotor besteht  darin, dass sich der eingespritzte Kraftstoff sehr schnell mit der Luft im Zylinder vermischen muss. Daher muss man bei der Konstruktion sehr viel Gehirnschmalz und Erfahrung in die  Gestaltung des Bremraums stecken.
  Ein weiteres Problem ist, dass die Einspritzpumpe zu einem ganz genauen Zeitpunkt eine ganz genau dosiert Menge Kraftstoff einzspritzen muss. Damit schlug sich der Erfinder des Dieselmotors, Rudoldf Diesel herum, konnte es noch nicht zufriedenstellend lösen und so blieb seinem Motor zunächst der ganz große Durchbruch verwehrt. Da er unter mysteriösen Umständen bei einer Schiffspassage nachts von Bord verschwand, gibt es die Legende, er habe sich aus Gram über dieses scheinbar unlösbare Problem umgebracht.
 Zum Durchbruch verhalf dem Dieselmotor dann ein anderer. Robert Bosch, dem Gründer des gleichnamigen Elektro- und  Autozuliefererkonzerns gelang es schließlich, eine  Einspritzpumpe zu bauen, die den schnelllaufenden Fahrzeug-Dieselmotor ermöglichte. Dieses kleine mechanische Wunderwerk blieb über Jahrzehnte dominierend im Fahrzeugdieselmotorenbau. Eine Abart davon ist die Pumpe-Düse-Einspritzung, welche mit je einer Einspritzpumpe je Zylinder und sehr kurzen Druckleitungen arbeitet und sehr hohe Eispritzdrücke erlaubt.

Der Common-Rail-Diesel

Hochdruckpumpe für eine Common-Rail-Einspritzanalage

(Dieses Bild basiert auf dem Bild VDO Siemens Common-Rail Hochdruckpumpe.jpg aus der freien Mediendatenbank Wikimedia Commons und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist Stahlkocher


 Mechanische Einspritzsysteme haben neben hohen Kosten für den mechanischen Aufwand den Nachteil, dass sie mit ihrer Funktion eng an den Kolbenhub gebunden sind und daher der Einspritzzeitpunkt nur in verhältnismäßig engen Grenzen variiert werden und auch nur einmal pro Hub eingespritzt werden kann. Hier liegen auch die Grenzen des Pumpe-Düse-Sytems. Dieses System konnte sich daher im Fahrzeugdieselmotor auch nicht durchsetzen, denn als man begonnen hatte, in diesem Bereich ernsthaft damit zu experimentieren, kam bereits schon die neueste Variante des Selbstzünders auf, der Common-Rail-Diesel.
 "Common Rail" bedeutet "Sammelschiene" und beschreibt das Prinzip, wie bei dieser Maschine die Einspritzdüsen mit Kraftstoff versorgt werden: Eine Hochdruckdruckpumpe versorgt die Sammelschiene, ein gemeinsames Zuleitungsrohr, mit Kraftstoff. Dieses Rohr dient gleichzeitig als Druckspeicher. Von diesem Sammelschienen-Rohr zweigen die Zuleitungen zu den einzelnen Zylindern ab, die über elektrisch ansteuerbare Ventile verfügen.
 Dadurch wird die Mechanik des Dieselmotors stark vereinfacht, weil die komplizierte Einspritzpumpe wegfällt, die mit je einem verstellbaren Kolben pro Zylinder die Einspritzmenge dosierte. Statt dessen öffnet ein Steuergerät die Ventile für die einzelnen Zylinder zu den richtigen Zeitpunkten. Dadurch ist der Einspritzzeitpunkt beliebig variierbar und man kann sogar mehrmals pro Hub einspritzen, was mit einer mechanischen Einspritzpumpe praktisch unmöglich ist.  Das Steuergerät kann dabei ein "richtiger" Computer sein, der alle möglichen Betriebsdaten des Motors geliefert bekommt und daraus die erforderlichen Daten errechnen um jeweils genau zu einem oder mehreren Zeitpunkten pro Zylinder für ganz bestimmte Zeiten die  Einspritzventile zu öffnen.


Wundermaschine Dieselmotor?

Der Elsbett-Motor ist eine Variante des Dieselmotors, der mit allem möglichem, darunter auch Pflanzenöl, betrieben werden kann. (Bildquelle: Wikimedia, Public Domain)


 Aus thermodynamischen Gründen, die ich hier nicht weiter erläutern möchte, kommt ein Diesel mit weniger Kraftstoff aus als ein vergleichbar Otto-Motor. Weitere Vorteile sind, dass der Kraftstoff weniger feuergefährliche und billiger herzustellen ist als Benzin. Im Prinzip kann man in einem Dieselmotor alles verheizen, was sich fein genug verteilen lässt und sich bei der Verdichtungstemperatur entzündet, die im Diesel herrscht, sogar Feststoffe wie Kohlenstaub. Rudolf Diesel selbst dachte bei der Entwicklung seines Motors eigentlich an diesen Brennstoff, obwohl er zunächst  mit Benzin und dann mit Petroleum eyperimentierte.
 Auch Verwendung von Pflanzenölen sah Diesel voraus und sagte 1912: "Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig werden wie Petroleum und Kohle-Teer-Produkte von heute." In der Tat hat heute der Einsatz von Pflanzenölen als Dieselkraftstoff einige Bedeutung erlangt. Viele herkömmliche Dieselmotoren laufen ziemlich gut mit Salat- oder sogar mit altem Frittenöl. Ein Problem dabei ist lediglich, dass bei geringen Temperaturen das Pflanzenöl zu zäh ist. Daher muss man entweder  die Einspritzanlage beim Kaltstart beheizen oder den Motor während des Warmlaufs und die letzte Zeit vor dem Abstellen mit herkömmlichen Dieselöl betreiben. Es gibt aber auch eine Variante des Dieselmotors, den Elsbett-Motor, der sehr gut mit Pflanzenölen arbeitet.
 Bei Modernen PKW-Dieselmotoren hat man die alten Nachteile des Selbstzünders großenteils in den Griff bekommen. Moderne Glühkerzen verkürzen die "Gedenkminute für Rudolf Diesel", das Vorglühen auf Sekunden(-bruchteile). Gleichzeitig erfolgt es automatisch beim Umdrehen des Zündschlüssels, so dass der Fahrer praktisch nichts mehr davon merkt. Die Fahrleistungen sind, vor allem auch durch den Einsatz von Turboladern, so, dass man gar nicht mehr merken würde, das man einen Diesel fährt, wäre da nicht noch der Klang, der allerdings nicht mehr ganz so ruppig ist wie bei den alten Mercedes-"Ölöfen" der Wirtschaftswunderzeit.
 Alles in allem hat ein moderner Dieselmotor praktisch alles, was man sich von einem zeitgemäßen Fahrzeugantrieb wünschen kann. Es gab in der Zeit des wachsenden Energie- und Umweltbewusstseins auch einen Dieselboom, der Selbstzünder wurde als umweltfreundlicher Antrieb gefeiert. 
 Warum  er dann auf einmal ein böser, böser Feinstaubproduzent wurde, denn man mit einer horrenden Strafsteuer belegte? Nun, das mag sich jeder selbst denken, und zwar vor dem Hintergrund der Tatsache, dass einerseits beim Rafffinieren von Erdöl eben auch Benzin anfällt und man andererseits viele, viele dieselbetriebene LKW braucht, da die ja angeblich besser und billiger transportieren als die Eisenbahn... 

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