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Verbrennungsmotoren
Prof. Dr.-Ing. Hanno Weber
Gliederung
• Bedeutung der Verbrennungsmotoren
• Geschichtliche Entwicklung
• Arten von Verbrennungsmotoren
• Funktionsweise
• Stirlingmotor
• Wir bauen einen Stirlingmotor
Verbrennungsmotoren bewegen die Welt
Gliederung
• Bedeutung der Verbrennungsmotoren
• Geschichtliche Entwicklung
• Arten von Verbrennungsmotoren
• Funktionsweise
• Stirlingmotor
• Wir bauen einen Stirlingmotor
Antike: Pneumatischer Tempeltüröffner
Heron von Alexandria,
ca. 1. Jahrh. n. Chr.
Wird über einem unterirdischen
Wasserbehälter ein Opferfeuer entzündet, so
nimmt der Druck der Luft wegen der
Erwärmung und der damit verbundenen
Ausdehnung über der Wasseroberfläche zu.
Dadurch wird das Wasser über eine
Rohrleitung in einen danebenliegenden
beweglichen Behälter gedrückt, der schwerer
wird als ein Gegengewicht. Der schwere
Behälter sinkt zu Boden und treibt dabei über
einen Seilzug die Tempeltüren an.
Quelle: Jischa, M. F.:Ingenieurwissenschaften. Springer, 2004
Dampfmaschine
Aus historischer Sicht stand die 1712 von Thomas Newcomen erfundene
und 1769 von James Watt entscheidend verbesserte Dampfmaschine am
Beginn der Motorenentwicklung. Die Dampfmaschine veränderte die
wirtschaftlichen und sozialen Strukturen Europas und löste die industrielle
Revolution aus.
James Watt
1736 – 1819
heißer Dampf
kühler Dampf
Verbessertes Prinzip der zweifachwirkenden Dampfmaschine
Die Dampfmaschine war die erste Kraftmaschine, die mit fossilen Brennstoffen in Form von
Steinkohle betrieben wurde.
Dampfmaschine
Bei der Reparatur des Modells einer Dampfmaschine
nach der Bauart von Thomas Newcomen im Jahr
1765 verbesserte James Watt diese Maschine in
mehreren Punkten, um Energie zu sparen. Um das
wechselweise Aufheizen und Abkühlen des Zylinders
zu vermeiden, verlegte Watt die Kondensation in
einen separaten Behälter, den Kondensator.
Zusätzlich isolierte er den Zylinder, um die
Wärmeverluste zu verringern. Mit Hilfe seines
Fliehkraftreglers konnte er die Drehzahl der
Dampfmaschine exakt einstellen.
Diese Verbesserung ließ sich James Watt durch ein
Patent schützen. Dieses Patent mit der Nummer 913
vom 5. Januar 1769 gilt als eine der bedeutendsten
Erfindung der Technikgeschichte. Moderne
Dampfkraftwerke funktionieren auch heute immer
noch nach diesem Prinzip.
Fliehkraftregler nach James Watt
Nicolaus August Otto
1866 erhielt Otto ein Preußisches Patent für seine atmosphärische Gasmaschine (Bild 2);
1867 eine Goldmedaille auf der Pariser Weltausstellung.
Bild 3 zeigt eine Version des Viertakt-Otto-Versuchsmotors von 1876.
Am 9. Mai 1876 nahm Otto an seinem Versuchsmotor ein Arbeitsdiagramm auf (Bild 4),
das weitestgehend dem heutigen entspricht.
Nicolaus August Otto
1831 – 1891
Gliederung
• Bedeutung der Verbrennungsmotoren
• Geschichtliche Entwicklung
• Arten von Verbrennungsmotoren
• Funktionsweise
• Stirlingmotor
• Wir bauen einen Stirlingmotor
Begriffsklärung
Ein Motor ist eine Kraftmaschine, die mechanische Geräte bewegt oder antreibt. Er
wandelt Energieformen wie thermische, chemische oder elektrische Energie in
mechanische Energie um.
Motor
Elektromotor
Dampfmaschine
Verbrennungsmotor
Ottomotor
Stirlingmotor
Turbine
Dieselmotor
Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch innere Verbrennung von
Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet.
Nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne zählen Motoren mit äußerer
Verbrennung, d.h. mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, beispielsweise
Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, sowie Turbinen.
Kolbenmaschinen
Bei einer Kolbenmaschine
wird die Auf- und AbBewegung des Kolbens in
eine gleichmäßige Drehung
umgewandelt
Zylinder
Kolben
Pleuel
Kurbelwelle
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• Geschichtliche Entwicklung
• Arten von Verbrennungsmotoren
• Funktionsweise
• Stirlingmotor
• Wir bauen einen Stirlingmotor
Kräftiges Antreiben von Maschinen mit Wärme: Wärmekraftmaschinen
Was ist Wärme?
• Wärme ist eine Form von Energie
• Damit Wärme übertragen werden kann, muss ein
Temperaturunterschied vorhanden sein
Stoffe dehnen sich bei Erwärmung aus
• In einem Festkörper schwingt jedes einzelne Atom um
einen Gleichgewichtspunkt. Wenn die Temperatur steigt,
so werden die Schwingungen heftiger und die Abstände
zwischen den Atomen größer. Dadurch dehnen sich
Körper bei Erwärmung aus.
• Auch Gase dehnen sich bei Erwärmung aus. Schließt man
die Gase in ein festes Volumen ein, z.B. eine Flasche, so
steigt der Druck
Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie
• Wärmekraftmaschinen verwandeln Wärme in Kraft (wie der Name schon sagt)
• Der durch Wärmezufuhr erzeugte Gasdruck treibt einen Kolben in einem Zylinder an
• Der Kolben treibt über ein Pleuel und eine Kurbelwelle eine Maschine an
Verhalten von Gasen bei Erwärmung und Abkühlung
Das Experiment mit dem Luftballon verdeutlicht die Umwandlung von Wärme in Bewegung
http://peterfette.gmxhome.de/howdo.htm#AA
Der Aufbau und Funktionsweise eines Otto-Motors
Nockenwellen
Auslass-Ventil
Beim Ottomotor wird ein explosives LuftBenzin-Gemisch in den Zylinder gesaugt
(durch das blaue Einlass-Ventil).
1
2
Dieses Gemisch wird durch die
Aufwärtsbewegung des Kolbens
verdichtet.
Durch einen Funken der Zündkerze wird
das explosive Gemisch gezündet. Das
Gemisch verbrennt mit großer Hitze und
baut dabei einen großen Druck auf.
Dieser Druck schiebt den Kolben mit
großer Kraft nach unten.
Zündkerze
Einlass-Ventil
Ansaug-Kanal
Zylinder
Wasserkühlung
Kolben
3
Pleuel
Das Auslass-Ventil wird geöffnet und das
verbrannte Gemisch (Abgas) wird durch
den Kolben hinaus in den Auspuff
geschoben.
Kurbelwelle
4
Die 4 Takte des Otto-Motors
Der allgemein gebräuchliche Otto-Motor ist ein sog. Viertakter.
Der Funktionsablauf ist in 4 Takte eingeteilt:
1. Ansaugen,
2. Verdichten,
3. Arbeiten,
4. Ausschieben
Ansaugen
Arbeiten
(Zünden)
Verdichten
Ausschieben
Für kleinere Anwendungen wie z.B. eine Motorsäge, ein Rasenmäher oder eine Mofa werden
kleinere und leichtere Zweitakter verwendet. Da ein Zweitakter mit einem Benzin-Öl-Gemisch
betrieben wird, kann man ihn leicht am schlechten Geruch und am bläulichen Abgas erkennen
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• Funktionsweise
• Stirlingmotor
• Wir bauen einen Stirlingmotor
Robert Stirlings Heißluftmotor
Der Stirlingmotor ist auch eine
Wärmekraftmaschine zur Umsetzung von
Wärme in mechanische Arbeit. Sie ist
allerdings kein Verbrennungsmotor im
eigentlichen Sinne, da die Verbrennung
nicht innerhalb, sondern außerhalb des
Zylinders stattfindet.
• Der Stirlingmotor ist eine Maschine, in der
ein Gas als Arbeitsmedium in einem
geschlossenen Raum erwärmt wird.
• Das sich ausdehnende Gas treibt einen
Arbeitskolben an und erzeugt damit
mechanische Arbeit.
• Das Gas wird danach wieder abgekühlt und
komprimiert. So entsteht ein Kreisprozess.
Robert Stirling
1790 – 1878
Der Stirlingmotor: prinzipieller Aufbau
Der Stirlingmotor besitzt keine Ventile!
Die Luft (Gas) wird von dem Verdrängerkolben
hin- und hergeschoben.
Dadurch wird die Luft schnell erwärmt
und abgekühlt. Die damit verbundene
Druckveränderung treibt den Arbeitskolben.
Der Verdrängerkolben ist zum
Arbeitskolben immer um 90° versetzt.
Somit ist die Laufrichtung eindeutig
festgelegt.
Funktionsweise des Stirling-Motors
Auch beim Stirlingmotor lassen sich 4 Schritte unterscheiden:
1
Der Zylinder mit dem roten Kolben wird erwärmt.
2
Das Gas dehnt sich aus, strömt in den Zylinder
mit dem blauen Arbeitskolben und drückt diesen
nach unten.
3
Durch Kühlung wird dem Zylinder mit dem
blauen Kolben Wärme entzogen. Das Gas kühlt
sich ab, zieht sich zusammen und saugt den
blauen Kolben nach oben.
4
Das abgekühlte Gas wird zurück in den Zylinder
mit dem roten Kolben geschoben und der
Vorgang beginnt von vorn.
pV-Diagramm
Durch die Erwärmung und Abkühlung sowie durch die Bewegung des Kolbens verändern
sich Druck (p) und Volumen (V) des Gases.
Diese Veränderungen können in einem Diagramm aufgezeichnet werden: dem pVDiagramm.
Den mathematischen Zusammenhang zwischen Druck (p), Volumen (V) und Temperatur (T)
beschreibt das ideale Gasgesetz:
p ⋅V
= const.
T
Isochore
(gleichbleibendes Volumen)
Isotherme
(gleichbleibende Temperatur )
ide
re aler
al
Pr
er
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Stirlingmotor SCHI 2-A (Firma Schmidt)
Stirlingmotor als Solarkraftwerk
Der Stirlingmotor sitzt im Brennpunkt eines Parabolspiegels, der die Sonnenstrahlen bündelt.
Ein einzelnes Modul aus Spiegel und Motor kann je nach Größe zwischen 5.000 und
25.000 Watt elektrische Leistung erzeugen.
Stirlingmotoren kann man…
…selber bauen:
oder kaufen:
Der Stirlingmotor
von Dieter Viebach
Preis: 15,30 €
Firma E. Schmidt, Oberursel:
Bauanleitung senden wir auf
Wunsch gerne zu
(bitte in Liste eintragen)
www.stirlingmotor.com
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• Stirlingmotor
• Wir bauen einen Stirlingmotor
Einzelteile des Eigenbau-Motors
Verdrängerkolben
Zylinderdeckel
Faltenbalg (Arbeitskolben)
Zylinderdeckel mit Aufbauplatte
Pleuels für Verdränger- und Arbeitskolben Pleuel-Lager
Einzelteile des Eigenbau-Motors
Schwungrad
Kurbelwelle
Gestell
Zylinder mit Kühlung
Der fertige Motor mit Stückliste
Teil
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
Menge
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
2
2
2
1
4
2
8
2
6
2
2
1
2
12
4
1
1
Bezeichnung Quelle
Bemerkung
Duran Glaszylinder, 1000ml Bauform hoch
Verdränger aus Balsaholz
Fahradspeiche + Gewindestift, 2,5mm Ø
Aufbauplatte, 12mm MDF
Verbindungsrohr, 12mm Ø, Kupferrohr
Dichtplatte, 12mm MDF
Abstandsklotz, 12mm MDF
Versteifung, 3mm Sperrholz
Dichtungsring, 70mm - 80mm Ø
Faltenbalg aus Luftundurchlässigem Papier
Pleul für Faltenbalg, Hartholz, Dübelholz
Pleul für Verdränger, 3mm Hartholz
Faltenbalgoberteil, 3mm Sperrholz
Schwungrad, 140mm Ø, 6mm Sperrholz
Lager Seitenteil, Sperrholz 6
Nabe / Einsatzstück, 4mm Ø
Gegengewicht, Mutter M6
Kurbelwelle, 2,5 mm Ø Federstahlwelle
Stellring für 3mm o. 4mm
Bundbuchse, 3mm Ø
Ständerseitenteil, 19mm MDF
Spannbacken, 25mm MDF
Hülse, MS-Rohr
Lüsterklemme Heimwerkermarkt
Unterlegscheibe, M8 mit 22mm Ø
Unterlegscheibe, M6
Lagerklemmschraube, M6x30
Mutter, M6
Gewindestange, M6x250
Flügelmutter, M6
Spiritusbrenner Heimwerkermarkt
Zylinderschraube, M3x20
Blechschraube, M3x20
Blechschraube, M4x40
Wasserbehälter aus Kunststoff
Alufolie