Das kraftspendende Medium im Explosionsmotor

Die Energie ist der Urzustand der Kraft und der Arbeit. Sie ist in der Natur in verschiedener Gestalt vorhanden, z. B. in der Kohle, dem Spiritus, Benzin, Petroleum sowie überhaupt in allen brennbaren Körpern. Sie kann aufgespeichert werden in einem Sammler, einem Akkumulator usw., ebenso wie durch geschickte Verbindung verschiedener Chemikalien, welche bei der Entzündung große Mengen von Gasen entwickeln, wie z. B. bei dem Schießpulver.

Für den Automobilbetrieb hat sich bis jetzt immer noch die gefüllte Benzinkanne als der leichteste und billigste Akkumulator erwiesen. Wohl sind schon mit Erfolg auch Automobilmotoren für den Betrieb mit Spiritus gebaut worden, für die Bedienung durch Laien hat sich dieser Betrieb aber nicht bewahrt, weil er zu viele Wartung verlangt, außerdem ist es leider noch nicht möglich gewesen, den Spiritus zu einem konkurrenzfähigen Preise herzustellen. Dem Maschinenbauer ist es bereits gelungen, die Ausnutzung der Wärme, welche im Spiritus enthalten ist, bedeutend höher zu gestalten, als es bei anderen Brennstoffen möglich ist; die weitere Ausgestaltung scheint aber nunmehr die Sache der Chemiker zu sein, denn es bilden sich bei der Verbrennung Säuren, die eine sehr schädliche Wirkung auf die Ventile ausüben. Durch Beimischungen von Benzol usw. hat man die Säurebildung nicht verhindern können. Wir müssen uns daher zunächst nur mit dem Benzinmotor beschäftigen.

Die Energie, welche in dem Benzinmotor in Arbeit umgesetzt würd, ist die Wärme, welche in dem Benzin enthalten ist. Durch die Wärme wird die im Gasgemisch enthaltene Luft ausgedehnt, so daß der Explosionsmotor eigentlich weiter nichts ist, als eine Heißluftmaschine mit innerer Beheizung.

Ebensogut, wie man durch Wärme Arbeit erzeugen kann, kann man auch durch Arbeit Wärme erzeugen. Wir müssen uns zunächst mit dem letzten Falle beschäftigen, denn die Versuche, welche hierüber gemacht worden sind, lassen am besten den wechselseitigen Zusammenhang zwischen Arbeit und Wärme und umgekehrt erkennen. Auf dieselben stützt sich der ganze Aufbau der Dampfmaschinen und der Explosionsmotoren sowie aller Wärmemaschinen.

Vor ungefähr 100 Jahren machte Lord Rumford in der Kanonengießerei zu München seine aufsehenerregenden Versuche, um festzustellen, wie groß der Arbeitsaufwand ist, um eine gewisse Wärmemenge zu erzeugen.

Früher wurden die Geschütze fast alle aus Bronze gegossen. Zu diesem Zwecke wird ein Modell, welches genau die Form der Kanone besitzt, in zwei Kasten-hälften in Sand geformt, das Modell wird entfernt, beide Kastenhälften werden aufeinandergelegt, miteinander verschraubt und aufrecht, also Mündung der Kanone nach oben, hingestellt. Das Loch in der Kanone ward vorgegossen, indem in die fertige Form ein Kern aus Lehm gestellt wird, der kleiner im Durchmesser ist, als wie die Bohrung der Kanone später werden soll, um das nötige Metall für die Bearbeitung zur Verfügung zu haben.

Beim Gießen bilden sich sehr viele Luft- und Gasblasen, die im Verein mit den Verunreinigungen, die in dem geschmolzenen Metall enthalten sind, oben auf dem flüssigen Metall in der Form schwimmen. Damit das Gußstück absolut sauber und dicht ausfälit, verlängert man das Modell der Kanone nach vorn hin und diese Verlängerung, die nachher entfernt wird, enthält dann alle Blasen usw. Man nennt dieses Stück den Anguß oder den verlorenen Kopf.

Diesen verlorenen Kopf benutzte Lord Rumford zu seinen Versuchen. Die gegossene Kanone war ein sogenannter 6-Pfünder. Der verlorene Kopf wurde zunächst auf eine Länge von 26 cm auf 18 cm zylindrisch gedreht und nahe an der Mündung der Kanone soweit eingestochen, daß er nur noch durch eine dünne Metallwand mit der Kanone selbst in Verbindung stand.

Die Kanone wurde wagerecht auf die Bohrmaschine gespannt und um den eingestochenen verlorenen Kopf wurde ein Holzkasten gebaut, der mit Wasser gefüllt wurde. Der Inhalt des Kastens wurde mit 9 1 festgestellt. Bei den nun folgenden Versuchen wurde die Kanone durch die Kraft einiger Pferde, die an einem Göpel gingen, gedreht und der Bohrstahl begann seine Tätigkeit.

Bei 32 Umdrehungen in der Minute war die Temperatur des Wassers in einer Stunde auf 42° C gestiegen, nach 1 1/2 Stunden zeigte das Thermometer bereits 61° C, während 82° Cin zwei Stunden erreicht wurden. Nachdem die Versuche 2 1/2 Stunde gedauert hatten, begann das Wasser zum allgemeinen Erstaunen der Zuschauer zu sieden. Während dieser Zeit sollen im ganzen 4145 Gran Metallspäne ausgebohrt worden sein.

Lord Rumford hatte somit den Beweis erbracht, daß durch Arbeit Wärme erzeugt wird, und auf Grund seiner Versuche arbeitete der englische Ingenieur Prescott Joule weiter, und diesem gebührt das Verdienst, das Verhältnis zwischen mechanischer Arbeit und Wärme für alle Zeiten festgelegt zu haben.

Nach diesen Versuchen, die in jeder Richtung nachgeprüft wurden, wurde das mechanische Äquivalent einer Wärmeeinheit mit 425 kg/m festgesetzt. Dieses heißt mit anderen Worten: „um eine Wärmeeinheit zu erzeugen muß eine Arbeit von 425 kg/m aufgewandt werden.“

Mit einer Wärmeeinheit oder einer Kalorie bezeichnet man die Wärmemenge, welche imstande ist, die Anfangstemperatur von 1 1 Wasser um 1° C zu erhöhen. Wollen wir von diesem Gesetz für die Beurteilung eines Wärmemotors Gebrauch machen, dann müssen wir wissen, wie viele Wärmeeinheiten in einem Kilogramm des Brennstoffes, der zur Anwendung kommt, enthalten sind. Hiernach enthält 1 kg Benzin 11 000 Wärmeeinheiten und 1 kg Spiritus 5650 Wärmeeinheiten (bei 91%).

Sobald man die Leistung eines Motors und seinen Brennstoffverbrauch in einer gewissen Zeiteinheit kennt, kann man den wirtschaftlichen Wirkungsgrad desselben berechnen. Als Beispiele seien hier zwei tatsächliche Betriebsergebnisse mit zwei Motoren gleicher Bauart und Größe einer näheren Betrachtung unterzogen.

Der Benzinverbrauch stellte sich pro Pferdekraft und Stunde auf 0,347 kg, und der Spiritus verbrauch betrug in derselben Zeit 0,505 kg. Hiernach waren für das Stundenpferd bei Benzinbetrieb 0,347.11000 = 3817 Wärmeeinheiten und bei Spiritusbetrieb 0,505.5650 = 2853 Wärmeeinheiten notwendig, die in Arbeit umgesetzt wurden.

Zur weiteren Berechnung müssen wir den Begriff „Pferdekraft“ definieren und sagen, „eine Pferdekraft ist die Kraft oder der Effekt, welche imstande ist, in einer Sekunde eine Last von 75 kg einen Meter hoch zu heben“. Da nun Arbeit gleich Kraft mal Weg ist, so ist derselbe Kraftaufwand erforderlich, um 1 kg 75 m hoch zu heben. In der Praxis sagt man daher: 1 PS. sind 75 sek/kg/m. Wir haben den Brennstoffverbrauch für eine Stunde, also für 3600 Sekunden ermittelt und wollen den wirtschaftlichen Wirkungsgrad des Motors berechnen. Unser Exempel würde dann folgende Aufstellung erhalten: Wir multiplizieren die Anzahl der Kilogrammmeter mit der Anzahl der Sekunden mal hundert, um den Wert in Prozenten zu erhalten. Das Produkt dividieren wir durch die Joulesche Zahl 425 und durch die Anzahl der verbrauchten Wärmeeinheiten; demnach beträgt der wirtschaftliche Wirkungsgrad

In dem Benzinmotor sind also 16,6% und in dem Spiritusmotor 22,26% der in dem Brennstoff enthaltenen Wärme in Arbeit umgewandelt worden, während der große Rest in Gestalt von Reibung, Ausstrahlung und als heiße Auspuffgase verloren gegangen ist.

Bei einer Dampfmaschine wird durch die Wärme der verbrennenden Kohle das Wasser im Kessel verdampft, der Dampf treibt den Kolben usw. Es ist leicht erklärlich, daß bei dieser doppelten Umsetzung von Wärme in Arbeit größere Verluste eintreten müssen und Versuche bestätigen dieses. Der wirtschaftliche Wirkungsgrad einer Dampfmaschine beträgt nur 6—13%, wobei sich letztere Zahl nur auf die größten und allerbesten Dampfmaschinell bezieht. Der Rest von 87—94% geht durch den Schornstein und durch Ausstrahlung verloren. Zugunsten der Dampfmaschine spricht aber wieder die verhältnismäßig billige Energie, welche in der Kohle enthalten ist, man bekommt also für dasselbe Geld bedeutend mehr Wärmeeinheiten, als wenn man Spiritus oder Benzin benutzen müßte.

Im flüssigen Zustande kann man das Benzin im Zylinder des Automobilmotors nicht verbrennen, dasselbe muß vielmehr erst in den gasförmigen Zustand verwandelt werden. Hierzu dient eine Vorrichtung, der Vergaser, mit welchem jeder Explosionsmotor versehen sein muß. Der Siedepunkt des Benzins liegt bekanntlich sehr niedrig und es verdunstet bereits, wenn es in offenen Gefäßen aufbewahrt wird, leicht sichtbar. Dieser Dunst ist natürlich schwerer als wie die Luft und lagert sich am Fußboden. Er bildet, mit einem gewissen Prozentsatz Luft gemischt, ein explosives Gasgemisch, welches sich sehr leicht entzünden läßt. Diese Eigenschaft hat man für die motorischen Zwecke nutzbar gemacht. Man läßt die Luft, welche der Kolben beim Niedergange durch das Einlaßventil im Zylinder ansaugt, durch eine Benzinschicht streichen, wodurch sich dieselbe mit Benzindämpfen anreichert (solche Vorrichtungen nennt man Oberflächenvergaser), oder man benutzt die Saugwirkung der Luft direkt dazu, um ein geringes Quantum Benzin, welches vorher genau eingestellt wurde, anzusaugen und zu zerstäuben. Es bildet sich hierbei ein Benzinnebel, der in Verbindung mit der Luft das explosive Gasgemisch im Zylinder darstellt (Spritzvergaser).

Bei Spiritus und Petroleum liegt der Siedepunkt bedeutend hoher als wie bei Benzin und es genügt daher eine einfache Berührung mit der Verbrennungsluft nicht zur Herstellung des Gasgemisches. Aus diesem Grunde muß man bei diesen Brennstoffen eine Heizvorrichtung anbringen, wodurch der Brennstoff in Dampf verwandelt wird. Dieser wird dann mit der Luft gemischt und verrichtet seine Dienste ebenso, als wie das Benzinluftgemisch.

Eine der gebräuchlichsten Ausführungsformen von Benzinvergasern, einem Spritzvergaser, sehen wir in der beigedruckten Abbildung (S. 44) im Schnitt. Das Benzin gelangt durch den Anschluß a vom Vorratsbehälter in einen kleinen Schwimmerbehälter durch die Öffnung b. Diese wird durch eine Ventilnadel d, die unter dem Einflüsse eines Schwimmers c und zweier Balanzehebel e steht, durch den Benzinstand, bzw. durch das Niveau desselben, entweder emporgehoben oder nach unten gedrückt. Solange sich kein Benzin im Vergaserbehälter befindet, hebt das Gewicht der beiden Balanzehebel e die Nadel empor. Dadurch wird die Öffnung b frei gegeben und wenn man das Benzin zutreten läßt, wird dasselbe so hoch in dem Behälter steigen, bis der Schwimmer c zu schwimmen beginnt, gegen die Balanzehebel drückt, und diese werden die Ventilnadel gegen ihren Sitz drücken, also den Benzinzufluß absperren. Das Benzin wird also, wenn der Vergaser im Gebrauch ist, im Schwimmerbehälter immer eine und dieselbe Höhe erreichen. Durch den Kanal steht der Schwimmerbehälter mit einer Spritzöffnung, der Düse g, in kommunizierender Verbindung.

Der Anschluß des Vergasers an den Motor erfolgt durch den oberen seitlichen Stutzen. Sobald der Kolben die Luft ansaugt, wird dieselbe durch i und k in den Vergaser treten und mit großer Geschwindigkeit an der Spritzdüse g vorbeistreichen. Hierdurch wird eine geringe Menge Benzin emporgerissen, welches gegen den Kegel k spritzt und hierbei in feinen Nebel zerteilt wird.

Um ein möglichst zündkräftiges Gemisch zu erhalten, ist noch eine Stellvorrichtung am Vergaser vorhanden, durch welche man die nötige Luftzugabe hersteilen kann. Dieses geschieht durch Drehen eines Hahnes l, m, n, o. Man sieht aus dieser Beschreibung, daß im Vergaser selbst nur so viel Benzin verdunstet wird, als wie zu einer Explosion erforderlich ist und eine Gefahr ist daher bei diesen Vergasern vollständig ausgeschlossen.

Die Einleitung der Verbrennung erfolgte früher durch ein am Zylinder angebrachtes Glührohr. Dieses war an dem einen Ende geschlossen und stand mit seinem offenen Ende mit dem Explosionsraume des Zylinders in Verbindung.

Durch eine Heizflamme wurde das Rohr von außen erwärmt, wodurch es in den Zustand der Rotglut versetzt wurde, daher der Name Glührohr. In dieses glühende Rohr wurde während der Kompressionsperiode das Gasgemisch gedrückt und dort entzündete sich dasselbe kurz bevor der Kolben auf seinem oberen Totpunkte angekommen war. Diese Zündung funktionierte sicher und tadellos, sie war aber für Automobilmotoren nicht brauchbar, weil sie erstens zu gefährlich war und zweitens nicht von der Hand aus beliebig dirigiert werden konnte. Sollte daher der Automobilismus eine größere Verbreitung finden, dann mußte das Glührohrsystem verlassen werden. An dessen Stelle kam dann die elektrische Zündung und mit ihr der moderne Motor.

Mit der elektrischen Zündung kam durchaus kein neues Moment in die Funktion des Explosionsmotors, im Gegenteil, der erste brauchbare Explosionsmotor von Lenoir (1860) war bereits mit derselben versehen. Anfangs benutzte man für die elektrische Zündung einen sogenannten Funkeninduktor nach Rhumkorff, bei welchem der Strom eines Elementes oder eines Akkumulators in einen hochgespannten Induktionsstrom verwandelt wurde. Dieser ist bekanntlich imstande, eine kurze Strecke in freier Luft zu überspringen. Solche Induktoren werden noch heute vielfach für die elektrische Zündung angewandt und werden nur allmählich, aber sicher, durch die magnetelektrische Zündung verdrängt.

Statt des Glührohres wird in den Explosionsraum des Zylinders eine Zündkerze geschraubt, die einen Kern aus Porzellan oder einem anderen Isolierkörper besitzt. Durch diesen geht ein Draht, der mit dem einen Pole des Induktionsapparates verbunden ist, und im geeigneten Moment läßt man einen Funken an der Zündkerze überspringen, wodurch das komprimierte Gasgemisch entzündet wird und seine Arbeit verrichten kann.

Ganz ähnlich wie hierbei verhält es sich mit der magnetelektrischen Zündung, nur mit dem Unterschiede, daß für diese keine besondere Elektrizitätsquelle notwendig ist. Der Motor erzeugt bei dieser Zündungsart die nötige Elektrizität selber, indem er einen kleinen Magnetapparat in Drehung versetzt.

Mit der allgemeinen Einführung der elektrischen Zündung hatte man die nötige Handhabe zum Dirigieren des Motors gefunden, denn nun konnte man seine Tourenzahl und seine Kraftleistung nach Belieben in gewissen Grenzen verändern. Es sei hierbei erwähnt, daß die modernen Automobilmotoren mit ziemlich hohen Tourenzahlen von 800—2000 pro Minute laufen. Um dieselben daher für die Bewegung eines Wagens benutzen zu können, mußten Vorrichtungen ersonnen werden, welche eine Reduktion der Tourenzahl herbeiführen. Dieses geschieht am besten durch Vorgelege.

Ein Vorgelege ist eine Art Maschine, welche zwischen den treibenden Motor und die zu treibende Maschine gelegt wird, man legt die Maschine vor die zu treibende Maschine, daher der Name „Vorgelege“.

Meistens werden die Vorgelege dazu benutzt, um angetriebene Maschinen zeitweilig stillsetzen zu können, ohne daß man die treibende Maschine anhält. Sie dienen ferner dazu, um eine getriebene Maschine schneller oder langsamer als wie die Motorenwelle rotieren zu lassen, oder um eine Änderung in der Drehrichtung beider Wellen herbeizuführen. In den Fällen, mit welchen wir uns hier zu beschäftigen haben, dient ein Vorgelege mit verschieden großen Zahnrädern dazu, um die Tourenzahl der Welle, welche die Antriebsräder des Wagens in Bewegung setzt, im Verhältnis zu der Tourenzahl des Motors, bedeutend zu verringern. Die Anwendung verschiedenstufiger Vorgelege zur Erzielung verschiedener Geschwindigkeitsstufen des Wagens, wird durch die eigenartige Arbeitsweise des Automobilmotors bedingt. Nur bei seiner maximalen Tourenzahl kann der Automobilmotor seine volle Kraft hergeben. Wird er zu sehr angestrengt, d. h. überlastet, dann vermindert sich die Tourenzahl sehr schnell und eine Folge davon ist das rapide Nachlassen der Kraft, bis der Motor schließlich ganz stehen bleibt. Um dieses zu verhüten, muß ein geschickter Fahrer das Vorgelege, oder wie es in der Fachsprache heißt, „das Getriebe“ sowie den Motor stets überwachen und die Fahrgeschwindigkeit der wechselnden Bodenbeschaffenheit, bzw dem Fahrwiderstande, anpassen. Um dieses zu ermöglichen, besitzt jedes Wagengetriebe 3—4 verschiedene Geschwindigkeitsstufen und einen Rückwärtsgang. Die Abmessungen der Zahnräder des Getriebes richtet sich nach der Tourenzahl des Motors, dem Durchmesser der anzutreibenden Hinterräder und der Fahrgeschwindigkeit, welche mit dem Wagen erreicht werden soll.

Siehe auch:
Die Arbeitsweise des Explosionsmotors im Vergleich zu der Dampfmaschine
Robert Bosch / Treue zum Werk