Motoren
Motoren:
In Verbrennungsmotoren wird die durch Verbrennung (z.B. von Benzin oder Dieselkraftstoff) freiwerdende innere Energie teilweise in mechanische Energie umgesetzt.
Man teilt die Verbrennungsmotoren nach zwei Kriterien ein, nach
- der Zündart (Fremdzündung oder Eigenzündung) und
- dem Arbeitsverfahren (Zwei- oder Viertaktverfahren)
Es gibt verschiedene Arten von Motoren. Einige Beispiele sind der Otto-4-Takt-Motor, der Zeitakt Motor, der Diesel 4 Takt Motor und der Stirlingmotor. Der Otto-4-Takt-Motor und der Dieselmotor sind am meisten verbreitet.
DER 2-TAKT-MOTOR
Der Zweitaktmotor findet z.B. als Moped-, Rasenmäher- oder Außenbordmotor Verwendung. Jeder 2.Takt ist ein Arbeitstakt - Ventile fehlen. Als Kraftstoff benötigt er ein Gemisch aus Benzin und Motoröl.
Letzteres dient zur Schmierung des Kolbens und der Kurbelwelle.
Prinzip der Wirkungsweise des Zweitakt-Motors:
1.Takt
Das komprimierte Benzin-Luft-Gemisch wird gezündet und dadurch der Kolben nach unten gedrückt. Dabei verschließt der Kolben den Einlasskanal. Jetzt wird das Gemisch im Kurbelgehäuse vorverdichtet ( leicht komprimiert). Kurz vor dem unteren Totpunkt werden der Überströmkanal und der Auslasskanal freigegeben.
Da das Gemisch im Kurbelgehäuse unter Druck steht, werden die Verbrennungsgase aus dem Zylinder gedrückt und entweichen - der Zylinder wird mit dem Gemisch gefüllt.
2. Takt
Der Kolben bewegt sich wieder nach oben. Der Überströmkanal und der Auslasskanal werden wieder verschlossen, das Gemisch im Zylinder wird komprimiert. Gleichzeitig wird im Kurbelgehäuse frisches Benzin-Luft-Gemisch angesaugt.
DER OTTO-4-TAKT-MOTOR
Der deutsche Kaufmann und Ingenieur Nikolaus August Otto erfand 1876 den Otto-4-Takt-Motor.
Prinzip der Wirkungsweise des Viertakt-Ottomotors:
Der Zylinder des Motors hat zwei Ventile, das Einlassventil und das Auslassventil, die durch einen Mechanismus (Nockenwelle) jeweils zum richtigen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen werden. Eine Kurbel bewegt über eine \"Pleuelstange\" einen Kolben im Zylinder auf und ab.
Der Arbeitsablauf des Motors zerfällt in 4 Teilvorgänge, die Takte heißen:
1. Takt (Ansaugen): Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser in den Zylinder.
2. Takt (Verdichten): Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen.
3. Takt (Arbeiten): Der Funke einer Zündkerze entzündet das Gasgemisch. Es verbrennt explosionsartig, der Kolben wird nach unten gedrückt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.
4. Takt (Ausstoßen): Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.
Durch eine Kurbelwelle wird die Auf- und Abbewegung in eine Drehbewegung umgesetzt.
Bei zwei Kurbeldrehungen wird nur während einer Halbdrehung Arbeit verrichtet. Damit der Motor gleichmäßig läuft, verwendet man mehrere Zylinder, die mit gegeneinander versetzten Arbeitstakten Arbeit errichten. Im PKW ist meist ein 4-Zylinder-Motor ( oder auch ein 6-Zylinder-Motor) eingebaut.
Animation hierzu siehe https: //www.k-wz.de/vmotor/v_omotor.
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DER DIESEL-4-TAKT-MOTOR
Da der Benzinmotor (Ottomotor) am Anfang einen sehr kleinen Wirkungsgrad hatte, entwickelte Rudolf Diesel den nach ihm benannten Motor (1892) mit größerem Wirkungsgrad.
Es handelt sich wie beim Dieselmotor um einen 4-Takt-Motor, die Hauptunterschiede sind:
1. Takt (Ansaugen): Es wird reine Luft angesaugt.
2. Takt (Verdichten):Die Luft wird so stark komprimiert, dass sie sich dabei auf ca. 700°C erhitzt.
3. Takt (Arbeiten): Dieselöl wird direkt in die heiße Luft eingespritzt und entzündet sich sofort selbst. (Selbstzünder)
4. Takt (Ausstoßen): gleich wie beim Ottomotor.
DER STIRLINGMOTOR
Der Stirlingmotor wandelt mit sehr hohem Wirkungsgrad Wärmeenergie in mechanische Energie um. Die Art der Erzeugung der Wärmeenergie ist dabei nicht festgelegt.
Im oberen Teil des Zylinders wird das Arbeitsgas Luft erhitzt, im unteren abgekühlt.
Der Verdrängungskolben hat die Aufgabe, die eingeschlossene Luft vom oberen in den unteren bzw. vom unteren in den oberen Teil des Zylinders zu verschieben. Das geschieht hier durch ein Loch im Verdrängerkolben. Dieses Loch ist mit Kupferwolle ausgefüllt. Beim \"Luftverdrängen\" strömt die Luft durch das Loch mit der Kupferwolle, die dabei Wärmeenergie von der Luft aufnehmen oder später wieder an sie abgeben kann.
Wegen dieser Eigenschaft wird die Kupferwolle Regenerator genannt.
Bei einem idealen Stirlingprozess gibt es 4 nacheinander ablaufende Zustandsänderungen:
1.Takt : Expansionsphase: Im oberen Teil des Zylinders wird die Luft erhitzt, der dabei entstehende Druck bewegt den Arbeitskolben nach unten.
2.Takt : Der um eine Viertelperiode voraus eilende Verdrängungskolben bewegt sich nach oben, die Luft strömt durch die Kupferwolle des Regenerators in den unteren Teil des Zylinders, gibt dabei ihre Wärmeenergie an die Kupferwolle ab, sie kühlt sich dadurch ab.
3.
Takt : Kompressionsphase: Der Arbeitskolben bewegt sich nach oben und komprimiert dabei die Luft. Die bei der Kompression entstehende Wärme wird sofort an den Kühlmantel abgegeben.
4.Takt : Der Verdrängungskolben drückt die Luft in den oberen Zylinderteil, wobei sie von der Kupferwolle im Regenerator Wärmeenergie aufnimmt.
Fig. 16: Stirlingmotor
Leider kann ein idealer Stirlingprozess aber nicht realisiert werden, da man keine kontinuierlich laufende Maschine konstruieren kann, in der isochore Zustandsänderungen ablaufen können.
Der Motor funktioniert nur bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite.
Animation hierzu siehe: https://www.k-wz.de/vmotor/stirling.html
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