Hubkolbenmotor - Reciprocating engine

Kolbenverbrennungsmotor
Komponenten eines typischen Viertakt- Benzin- Kolbenmotors mit innerer Verbrennung .
  1. C. Kurbelwelle
  2. E. Exhaust Nockenwelle
  3. I. Einlassnockenwelle
  4. P. Kolben
  5. R. Pleuelstange
  6. S. Zündkerze
  7. W. Wassermantel für Kühlmittelfluss
  8. V. Ventile

Ein Hubkolbenmotor , das auch häufig als bekannter Kolbenmotor , ist typischerweise eine Wärmekraftmaschine (obwohl es auch pneumatische und hydraulische Hubkolbenmotoren) , die verwendet eine oder mehr hin- und hergehenden Kolben zu konvertieren Druck in eine Drehbewegung . In diesem Artikel werden die gemeinsamen Funktionen aller Typen beschrieben. Die Haupttypen sind: der Verbrennungsmotor , der häufig in Kraftfahrzeugen verwendet wird ; die Dampfmaschine , die tragende Säule der industriellen Revolution ; und der Stirling-Motor für Nischenanwendungen. Verbrennungsmotoren werden ferner auf zwei Arten klassifiziert: entweder ein Ottomotor (SI-Motor) , bei dem die Zündkerze die Verbrennung einleitet; oder ein Motor mit Kompressionszündung (CI) , bei dem die Luft im Zylinder komprimiert wird, wodurch sie erwärmt wird , so dass die erhitzte Luft Kraftstoff zündet, der dann oder früher eingespritzt wird .

Gemeinsamkeiten bei allen Typen

Raytracing-Bild eines Kolbenmotors

Es können ein oder mehrere Kolben vorhanden sein. Jeder Kolben befindet sich in einem Zylinder , in den ein Gas eingeleitet wird, entweder bereits unter Druck (zB Dampfmaschine ), oder im Zylinder entweder durch Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ( Verbrennungsmotor ) oder durch Kontakt mit einem heißen Wärmetauscher erhitzt im Zylinder ( Stirlingmotor ). Die heißen Gase dehnen sich aus und drücken den Kolben an den Boden des Zylinders. Diese Position wird auch als unterer Totpunkt (BDC) bezeichnet oder dort, wo der Kolben das größte Volumen im Zylinder bildet. Der Kolben wird durch ein Schwungrad zum Zylinderkopf ( Oberer Totpunkt ) (TDC) zurückgeführt , die Kraft von anderen Kolben, die mit derselben Welle verbunden sind, oder (bei einem doppelt wirkenden Zylinder ) durch den gleichen Vorgang auf der anderen Seite des Kolbens . Hier bildet der Kolben das kleinste Volumen im Zylinder. Bei den meisten Typen werden die expandierten oder „ ausgestoßenen “ Gase durch diesen Hub aus dem Zylinder entfernt . Die Ausnahme ist der Stirling-Motor , der immer wieder die gleiche abgedichtete Gasmenge erhitzt und kühlt. Der Hub ist einfach der Abstand zwischen OT und UT oder die größte Distanz, die der Kolben in eine Richtung zurücklegen kann.

Bei einigen Konstruktionen kann der Kolben im Zylinder in beide Richtungen angetrieben werden, in diesem Fall wird er als doppelt wirkend bezeichnet .

Dampfkolbenmaschine
Ein beschriftetes schematisches Diagramm einer typischen einzylindrigen, doppelt wirkenden Hochdruck-Dampfmaschine mit einfacher Expansion. Die Kraftabnahme vom Motor erfolgt über einen Riemen.
  1. Kolben
  2. Kolbenstange
  3. Kreuzkopflager
  4. Pleuelstange
  5. Kurbel
  6. Exzentrische Ventilbewegung
  7. Schwungrad
  8. Schiebeventil
  9. Fliehkraftregler

Bei den meisten Typen wird die Linearbewegung des Kolbens über eine Pleuelstange und eine Kurbelwelle oder durch eine Taumelscheibe oder einen anderen geeigneten Mechanismus in eine Drehbewegung umgewandelt . Ein Schwungrad wird oft verwendet, um eine gleichmäßige Drehung zu gewährleisten oder Energie zu speichern, um den Motor durch einen nicht angetriebenen Teil des Zyklus zu tragen. Je mehr Zylinder ein Hubkolbenmotor im Allgemeinen hat, desto vibrationsfreier (weicher) kann er arbeiten. Die Leistung eines Hubkolbenmotors ist proportional zum Volumen des Hubraums der kombinierten Kolben.

Eine Dichtung ist zwischen dem Schiebe erfolgen Kolben und den Wänden des Zylinders , so dass das Hochdruckgas über dem Kolben nicht daran vorbei entweicht und den Wirkungsgrad des Motors zu reduzieren. Diese Abdichtung erfolgt in der Regel durch einen oder mehrere Kolbenringe . Dies sind Ringe aus Hartmetall, die in eine kreisförmige Nut im Kolbenboden einfedern. Die Ringe sitzen eng in der Nut und drücken leicht gegen die Zylinderwand, um eine Abdichtung zu bilden, und stärker, wenn sich der höhere Verbrennungsdruck auf ihre Innenflächen bewegt.

Es ist üblich, solche Motoren nach der Anzahl und Ausrichtung der Zylinder und dem Gesamtvolumen der Gasverdrängung durch die sich in den Zylindern bewegenden Kolben zu klassifizieren, die normalerweise in Kubikzentimeter (cm³ oder cc) oder Liter (l) oder (L) gemessen wird (US: Liter). Bei Verbrennungsmotoren sind beispielsweise Ein- und Zweizylinderkonstruktionen in kleineren Fahrzeugen wie Motorrädern üblich , während Autos typischerweise zwischen vier und acht haben und Lokomotiven und Schiffe ein Dutzend Zylinder oder mehr haben können. Die Zylinderkapazitäten können von 10 cm³ oder weniger bei Modellmotoren bis zu Tausenden von Litern bei Schiffsmotoren reichen.

Das Verdichtungsverhältnis beeinflusst die Leistung bei den meisten Hubkolbenmotoren. Es ist das Verhältnis zwischen dem Volumen des Zylinders, wenn sich der Kolben am unteren Ende seines Hubs befindet, und dem Volumen, wenn der Kolben am oberen Ende seines Hubs ist.

Das Verhältnis Bohrung/Hub ist das Verhältnis des Kolbendurchmessers oder „Bohrung“ zur Hublänge innerhalb des Zylinders oder „Hub“. Liegt dieser bei etwa 1, so spricht man von "quadratisch", wenn er größer als 1 ist, dh die Bohrung ist größer als der Hub, ist er "überquadratisch". Ist er kleiner als 1, dh der Hub ist größer als die Bohrung, ist er "unterquadratisch".

Zylinder können in einer Linie , in einer V-Konfiguration , horizontal einander gegenüber oder radial um die Kurbelwelle herum ausgerichtet sein. Motoren mit gegenläufigen Kolben setzen zwei Kolben an gegenüberliegenden Enden desselben Zylinders ein, und dies wurde zu dreieckigen Anordnungen wie dem Napier Deltic erweitert . Einige Konstruktionen haben die Zylinder um die Welle herum in Bewegung gesetzt, wie z. B. der Rotationsmotor .

Stirling-Kolben-Motor Rhombic Drive – Beta Stirling-Motor-Design, zeigt den zweiten Verdrängerkolben (grün) innerhalb des Zylinders, der das Arbeitsgas zwischen heißem und kaltem Ende leitet , aber selbst keine Leistung erzeugt.
  1.   Heiße Zylinderwand
  2.   Kalte Zylinderwand
  1.   Verdrängerkolben
  2.   Kraftkolben
  3.   Schwungräder

In Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren werden Ventile benötigt, um den Ein- und Austritt von Gasen zum richtigen Zeitpunkt im Kolbenzyklus zu ermöglichen. Diese werden durch Nocken, Exzenter oder Kurbeln bearbeitet, die von der Welle des Motors angetrieben werden. Frühe Konstruktionen verwendeten das D-Schieberventil , dieses wurde jedoch weitgehend durch Kolbenventil- oder Tellerventilkonstruktionen ersetzt . Bei Dampfmaschinen wird der Punkt im Kolbenzyklus, an dem das Dampfeinlassventil schließt, als Abschaltung bezeichnet und kann oft gesteuert werden, um das vom Motor gelieferte Drehmoment anzupassen und den Wirkungsgrad zu verbessern. Bei einigen Dampfmaschinen kann die Wirkung der Ventile durch einen oszillierenden Zylinder ersetzt werden .

Verbrennungsmotoren arbeiten durch eine Folge von Hüben, die Gase in den Zylinder einlassen und aus ihm entfernen. Diese Vorgänge werden zyklisch wiederholt und ein Motor wird als 2-Takt- , 4-Takt- oder 6-Takt- Motor bezeichnet, abhängig von der Anzahl der Hübe, die für einen Zyklus erforderlich sind .

Bei einigen Dampfmaschinen können die Zylinder von unterschiedlicher Größe sein, wobei der Zylinder mit der kleinsten Bohrung den Dampf mit dem höchsten Druck bearbeitet. Dieser wird dann nacheinander durch einen oder mehrere Zylinder mit zunehmend größerer Bohrung geleitet, um dem Dampf bei immer niedrigeren Drücken Leistung zu entziehen. Diese Engines werden Compound-Engines genannt .

Abgesehen von der Leistung, die der Motor erzeugen kann, kann der Mean Effective Pressure (MEP) auch zum Vergleich der Leistung und Leistung von Hubkolbenmotoren derselben Größe verwendet werden. Der mittlere effektive Druck ist der fiktive Druck, der die gleiche Menge an Netzarbeit erzeugen würde, die während des Arbeitstaktzyklus erzeugt wurde. Dies wird gezeigt durch:

Dabei ist die Gesamtkolbenfläche des Motors, die Hublänge der Kolben und das Gesamtverdrängungsvolumen des Motors. Deswegen:

Welcher Motor mit dem größeren MEP-Wert auch immer mehr Netzarbeit pro Zyklus erzeugt und effizienter arbeitet.

Geschichte

Ein frühes bekanntes Beispiel für eine Dreh- zu einer hin- und hergehenden Bewegung ist der Kurbelmechanismus . Die ersten handbetriebenen Kurbeln erschienen in China während der Han-Dynastie (202 v. Chr.–220 n. Chr.). Schon in der westlichen Han-Dynastie (202 v. Schließlich wurden Kurbel- und Pleuelstangen bei der Umwandlung von Dreh- und Hin- und Herbewegung für andere Anwendungen wie Mehlsieben, Seidenaufrollmaschinen, Tretspinnräder und entweder von Pferden oder Wasserrädern angetriebene Ofenbälge verwendet. Mehrere Sägewerke im römischen Asien und im byzantinischen Syrien im 3.-6. Jahrhundert n. Chr. verfügten über einen Kurbel- und Pleuelmechanismus , der die Drehbewegung eines Wasserrades in die lineare Bewegung von Sägeblättern umwandelte . 1206 erfand der arabische Ingenieur Al-Jazari eine Kurbelwelle .

Der Hubkolbenmotor entwickelte sich im 18. Jahrhundert in Europa, zunächst als atmosphärischer Motor, später als Dampfmaschine . Im 19. Jahrhundert folgten der Stirlingmotor und der Verbrennungsmotor . Heute ist die gebräuchlichste Form des Hubkolbenmotors der Verbrennungsmotor, der mit der Verbrennung von Benzin , Diesel , Flüssiggas (LPG) oder komprimiertem Erdgas (CNG) betrieben wird und zum Antrieb von Kraftfahrzeugen und Motorenkraftwerken verwendet wird .

Ein bemerkenswerter Hubkolbenmotor aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs war der Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major -Sternmotor mit 28 Zylindern und 3.500  PS (2.600 kW) . Es trieb die letzte Generation großer Kolbenmotorflugzeuge an, bevor ab 1944 Düsentriebwerke und Turboprops die Macht übernahmen. Es hatte einen Gesamthubraum von 71,5 l (4.360 cu in) und ein hohes Leistungsgewicht.

Der derzeit größte Hubkolbenmotor in Produktion, aber nicht der größte, der jemals gebaut wurde, ist der Wärtsilä-Sulzer RTA96-C- Turbo-Zweitakt-Dieselmotor von 2006, gebaut von Wärtsilä . Es wird verwendet, um die größten modernen Containerschiffe wie die Emma Mærsk anzutreiben . Es ist fünf Stockwerke hoch (13,5 m oder 44 ft), 27 m (89 ft) lang und wiegt in seiner größten 14-Zylinder-Version über 2.300 metrische Tonnen (2.500 kurze Tonnen) und produziert mehr als 84,42 MW (114.800 PS). Jeder Zylinder hat ein Fassungsvermögen von 1.820 l (64 cu ft), was einer Gesamtkapazität von 25.480 l (900 cu ft) für die größten Versionen entspricht.

Hubraum

Bei Kolbenmotoren ist der Hubraum eines Motors der Hubraum , also das Volumen, das alle Kolben eines Motors in einer einzigen Bewegung überstreichen. Es wird im Allgemeinen in Litern (l) oder Kubikzoll (cid, cu in oder in³) für größere Motoren und in Kubikzentimetern (abgekürzt cc) für kleinere Motoren gemessen . Bei ansonsten gleichen Bedingungen sind Motoren mit größerem Hubraum leistungsfähiger und der Kraftstoffverbrauch steigt entsprechend (obwohl dies nicht für jeden Hubkolbenmotor gilt), obwohl Leistung und Kraftstoffverbrauch von vielen Faktoren außerhalb des Hubraums beeinflusst werden.

Leistung

Hubkolbenmotoren können durch ihre spezifische Leistung charakterisiert werden , die typischerweise in Kilowatt pro Liter Hubraum angegeben wird (in den USA auch PS pro Kubikzoll). Das Ergebnis bietet eine Annäherung an die Spitzenleistung eines Motors. Dies ist nicht mit Kraftstoffeffizienz zu verwechseln , da ein hoher Wirkungsgrad oft ein mageres Kraftstoff-Luft-Verhältnis und damit eine geringere Leistungsdichte erfordert. Ein moderner Pkw-Hochleistungsmotor leistet über 75 kW/l (1,65 PS/in 3 ).

Andere moderne nicht-interne Verbrennungsarten

Hubkolbenmotoren, die mit Druckluft, Dampf oder anderen heißen Gasen betrieben werden, werden immer noch in einigen Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel zum Antrieb vieler moderner Torpedos oder als schadstofffreie Antriebskraft. Die meisten dampfbetriebenen Anwendungen verwenden Dampfturbinen , die effizienter sind als Kolbenmotoren.

Die in Frankreich entwickelten FlowAIR-Fahrzeuge verwenden in einem Zylinder gespeicherte Druckluft, um einen Hubkolbenmotor in einem lokal schadstofffreien Stadtfahrzeug anzutreiben.

Torpedos können ein Arbeitsgas verwenden, das durch hohes Testperoxid oder Ottokraftstoff II erzeugt wird , die ohne Verbrennung unter Druck gesetzt werden. Der 230 kg (510 lb) schwere Mark 46-Torpedo zum Beispiel kann mit 74 km/h (46 mph) unter Wasser 11 km (6,8 mi) unter Wasser zurücklegen, angetrieben von Otto-Kraftstoff ohne Oxidationsmittel .

Hubkolben-Quanten-Wärmekraftmaschine

Quantenwärmekraftmaschinen sind Geräte, die Strom aus Wärme erzeugen, die von einem heißen in einen kalten Speicher fließt. Die Funktionsweise des Motors lässt sich durch die Gesetze der Quantenmechanik beschreiben . Quantenkühlschränke sind Geräte, die Strom verbrauchen, um Wärme von einem kalten in einen heißen Speicher zu pumpen.

In einer reziproken Quantenwärmemaschine ist das Arbeitsmedium ein Quantensystem wie Spinsysteme oder ein harmonischer Oszillator. Der Carnot-Zyklus und der Otto-Zyklus sind die am meisten untersuchten. Die Quantenversionen gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik . Darüber hinaus können diese Modelle die Annahmen der endoreversiblen Thermodynamik rechtfertigen . Eine theoretische Studie hat gezeigt, dass es möglich und praktisch ist, einen Hubkolbenmotor zu bauen, der aus einem einzigen schwingenden Atom besteht. Dies ist ein Bereich für zukünftige Forschung und könnte in der Nanotechnologie Anwendung finden .

Verschiedene Motoren

Es gibt eine große Anzahl ungewöhnlicher Varianten von Kolbenmotoren, die verschiedene beanspruchte Vorteile haben, von denen viele derzeit wenig oder gar keine Verwendung finden:

Siehe auch

Anmerkungen

Externe Links