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Referat
Physik

Georg-Büchner-Schule Stadtallendorf

1, Hr. Wilms, 2014

Jean O. ©
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ID# 50613







Physik Ausarbeitung - Motor: Newcomen Dampfmaschine; Benzin- und Dieselmotor; Zweitaktmotor; Wankelmotor

Die Nachteile einer Newcomen Dampfmaschine

Da es sich um sehr komplexe Geräte handelt, sind die Anschaffungskosten teilweise sehr hoch und daher für ein Kleinunternehmen kaum tragbar.

Zudem besteht bei der Verwendung ein hohes Verletzungsrisiko, da der Kessel durch die Befeuerung unter sehr hohem Druck steht.

Auch eine nicht unerhebliche Brandgefahr bei der Benutzung macht es notwendig, Mitarbeiter entsprechend gut in die Bedienung einzuweisen.

Ebenfalls ein Nachteil ist die Tatsache, dass in der Regel mit fossilen Brennstoffen gearbeitet wird. Hier ist die Dampfmaschine definitiv nicht so umweltfreundlich wie Alternativen.

Außerdem ist die Technik auch weniger effektiv als moderne Lösungen, da viel der Wärmeenergie nicht in mechanische Kraft gewandelt wird und daher der Verlust an Energie recht groß ist.

Der Kessel musste immer wieder abgekühlt und aufgewärmt werden und deshalb war diese Maschine sehr unwirtschaftlich. Es wurde sehr viel Dampf beim erhitzen verschwendet.


Newcomnen Dampfmaschine wurde verwendet für:

Das abpumpen von Wasser aus Bergwerken.


James Watt hat die Dampfmaschine verbessert:

  • verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomenschen Dampfmaschine erheblich

  • den Abkühlvorgang aus dem Zylinder heraus in einen separaten Kondensator

  • andererseits belieferte er den Kolben abwechselnd von der einen und der anderen Seite mit Dampf


Einsatzgebiet modernerer Dampfmaschinen:

  • Hochdruckdampfmaschine für Schienenfahrzeuge

  • Lokomotive

  • Schiffe


Sterlingmotor Vorteile und Namen der Kolben:

  • Verdrängerkolben und Arbeitskolben

  • Wartungsfrei & langlebig

  • Geäuscharm

  • Unabhängig vom Energieträger

  • Emissionsarm & ökologisch

  • Energieeffizient


Bewegliche Teile eines Viertatktmotors:

  • Der Kolben

  • Der Pleuel

  • Die Kurbelwelle

  • Die Nockenwelle


4 Arbeitstakte und Funktion der Ventile:

  • 1. Takt, Ansaugen

  • 2. Takt, Verdichten und Zünden

  • 3. Takt, Arbeiten

  • 4. Takt, Ausstoßen

Die Ventile sind dafür da, um den Einlass des Benzinluftgemisches und den Auslass der Abgase zu steuern.


Unterschied Benzin- und Dieselmotor Vor- und Nachteile:

  • Zwischen beiden Motorarten gibt es außer der Art der Zündung noch einen wesentlichen Unterschied. Wenn man bei einem Benzinmotor aufs Gas tritt, wird dem Motor mehr Kraftstoff und mehr Luft zugeführt (Quantitätsregelung). Beim Dieselmotor kommt zur prinzipiell immer gleichen Luftmenge im Brennraum je nach Gaspedalstellung mehr oder weniger Kraftstoff hinzu (Qualitätsregelung).

  • Ein günstigerer Wirkungsgrad gegenüber einem Ottomotor wegen der höheren Verdichtung (Expansionsgrad).

  • Durch die fehlende Drosselung nur sehr geringe Ladungswechselverluste und daher insbesondere im Teillastbereich einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch.

  • Im Vergleich zu einem Ottomotor ohne Abgasnachbehandlung geringerer Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid.

  • Einsatz von einfacher herzustellenden, ungefährlicheren – weil langsamer verdampfenden – Kraftstoffen (der Flammpunkt von Dieselkraftstoff liegt deutlich über dem von Benzin). Entscheidendes Kriterium für die Eignung von Dieselkraftstoffen ist die Cetanzahl (im Gegensatz zur Oktanzahl von Benzin), die ein Maß für die Zündwilligkeit des Kraftstoffs darstellt.

  • Durch die schmierende Wirkung des Dieselkraftstoffs verbesserte Notlaufeigenschaften.


    • Die wirtschaftlichen Vorteile eines Dieselmotors für den PKW-Antrieb hängen teilweise von den steuerlichen Randbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff, obwohl der Brennwert pro Liter Dieseltreibstoffs etwa 7 % höher ist als der von Benzin, so dass sich die meist höheren Anschaffungskosten für ein Dieselfahrzeug über die Laufzeit amortisieren.

    • Höherer Ausstoß von Stickstoffoxiden gegenüber einem Benzinmotor mit 3-Wege-Katalysator.

    • Partikelausstoß (Dieselruß und andere), darunter lungengängiger Feinstaub, der jedoch mit einem Partikelfilter reduziert werden kann.

  • Größere Geräuschemissionen (nicht mit dem „Nageln“ gleichzusetzen, welches die Folge eines fehlerhaften Brennverlaufs ist).

  • Unkultivierter Motorlauf (insbesondere bei älteren direkteinspritzenden Motoren).

  • Schlechteres Leistungsgewicht im Vergleich zum Ottomotor (gilt nur für Viertakt-Dieselmotoren).

  • Eine begrenzte Höchstdrehzahl, die durch den Zündverzug des Dieselkraftstoffs begründet ist. Dadurch ist eine weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren Verbrennungsdrucks (und damit des Drehmoments) möglich.

  • Zur Erzielung hoher Leistungsdichten wird eine Aufladung benötigt (Turbolader oder Kompressor), bedingt durch niedrigere spezifische Leistung und niedrigere maximale Drehzahl (beides verfahrensimmanent) als beim Ottomotor.

  • Gelegentlicher Einsatz verschleißfesterer Materialien z. B. keramikbeschichteter Kolbenringe.

  • Andere Ansprüche an das Schmieröl (im Vergleich zu Ottomotoren), z. B. höhere Scherbelastung.


    Zweitaktmotor:

    • Erster Takt: Verdichten / Ansaugen

    • Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gas (Luft oder Brennstoff-Luft-Gemisch) verdichtet, wobei es nahezu keine Wärme mit der Umgebung austauscht (adiabatische Zustandsänderung, isentrop). Dabei erhöht sich die Temperatur des Gases proportional zum Druckanstieg durch die Verdichtung.

    • Der nach oben laufende Kolben vergrößert das Volumen im Kurbelgehäuse, wodurch im Kurbelgehäuse ein Unterdruck entsteht. Sobald der Ansaugkanal vom Vergaser in das Kurbelgehäuse freigegeben wird, strömt Frischgas ein.

  • In beiden Fällen entsteht ein hoher Druck.

  • Zweiter Takt: Arbeiten / Vorverdichten

  • Der Kolben läuft zurück, das heiße Gas expandiert und kühlt sich dabei ab; Wärme wird in mechanische Energie umgewandelt.

  • Der nach unten laufende Kolben verkleinert wieder das Kurbelgehäusevolumen und verdichtet dabei das angesaugte Frischgas, sobald der Ansaugkanal verschlossen ist.

  • In der Nähe des unteren Totpunktes öffnen sich Aus- und Einlassöffnungen oder Ãœberströmkanäle, und das Abgas entweicht durch seinen Restdruck. Dies kann durch das Öffnen von Ventilen oder das Freigeben der Öffnungen durch den Kolben geschehen. Der Rest wird durch das einströmende Frischgas ausgespült.

    Das Frischgas kann ein Brennstoff-Luft-Gemisch sein oder, bei Direkteinspritzmotoren, Luft.

  • Auf dem Weg des Kolbens zum oberen Totpunkt werden Ein- und Auslassöffnungen wieder verschlossen


    Vor- und Nachteile des Zweitaktmotors:

    • gleichförmigeres Drehmoment

    • geringere statische und dynamische Masse mit kleineren Drehimpulsen und geringeren Vibrationen

    • hohe Drehzahlen sind bei den ventillosen Varianten einfacher möglich

    • Für den kolbenkantengesteuerten Zweitakter ist noch anzuführen:

    • Einfachheit und damit geringerer Fertigungsaufwand, da Ventile und ihr Antrieb wegfallen

    • Lageunabhängigkeit (bei Gemischschmierung), wichtig für handgeführte Geräte wie Motorkettensägen


    • Nachteile


    • Je nach Bauart eine gewisse Vermischung von Frisch- und Abgas. Dadurch Abwägung zwischen hohen Spülverlusten oder hohem Abgasanteil in der Zylinderfüllung (siehe auch Fanggrad)

  • Unruhiger Lauf im Schubbetrieb. Bei Motoren mit Gemischschmierung kann es bei Schubbetrieb durch das zu geringe ölhaltige Gemisch zu Motorschäden (Kolbenfresser) oder Lagerschäden kommen

  • Geringere Motorbremswirkung

  • Je nach Bauart mehr oder weniger hoher Ölverbrauch und Abgasgeruch

  • Emissionsprobleme (siehe nächster Abschnitt)

  • Hoher mechanischer Verschleiß des Kolbens und der Kolbenringe bei Zylinderwänden mit Öffnungen.


    Aufbau des Wankelmotors

    • kompakteren Anordnung von Exzenterwelle und Läufer

    • Vor- und Nachteile des Wankelmotors

      • Vorteile

      • Der Wankelmotor hat nur wenige bewegliche Teile, meist zwei Läufer und eine Exzenterwelle, die durch ihre kompakte Bauweise einen vergleichsweise geringen Platzbedarf haben.

      • Die Gassteuerung kommt ohne Ventile und die zugehörigen Elemente wie Nockenwelle, Stößel, Ventilspielausgleich und Kipphebel aus, womit der Motor ein größeres Leistungs-Gewichtsverhältnis (Leistungsgewicht) als ein Viertakt-Hubkolbenmotor vergleichbarer Leistung besitzt.

  • Durch die um 50 % längere Taktdauer besitzt der Motor ein gleichförmigeres Drehmoment als ein Viertakt-Hubkolbenmotor.

  • Da der Ein- und Auslassbereich vom Brennraum räumlich getrennt ist, eignet sich der Wankelmotor sehr gut für den Betrieb mit Wasserstoff.

  • Er ist besser für den Schichtladebetrieb als ein Hubkolbenmotor geeignet, da sich das Gemisch nicht homogenisiert. Er kann deshalb auch mit idealen Zündzeitpunkten betrieben werden, was den Wandwärmeverlust gegenüber Hubkolben-Schichtlademotoren reduziert. Hubkolben-Schichtlademotoren müssen wegen der drohenden Gemischhomogenisierung mit zu frühen und deshalb nicht-idealen Zündzeitpunkten betrieben werden.


    • Nachteile

    • Der Wankelmotor hat ein ungünstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Brennraumvolumen, was zu größeren Wärmeverlusten führen kann. Dieser Vergleich gilt aber nur für einen hypothetischen Viertakthubkolbenmotor, der mit dem gleichen Hubraum im Vergleich zum Kammervolumen die gleiche Leistungsdichte erzielen würde.

  • Deshalb ist der Wärmeverlust des Wankelmotors über das Kühlwasser pro kW geringer als bei einem Viertakthubkolbenmotor.[1]

  • Durch die sich einstellende Quetschströmung im Bereich der Einschnürung wird die Verbrennung unterhalb der Kerze zwar beschleunigt und so ein guter Ausbrand der Kammer erreicht, der Gemischanteil oberhalb der Kerze wird dagegen nur schwer oder gar nicht entzündet.

    Dies hat aber nur Auswirkung bei Motoren mit Umfangsauslass und homogener Gemischbildung; dabei wird der unverbrannte fette Restgaskern über den Umfangsauslass ausgestoßen. Bei Schichtladung befindet sich in dem betroffenen Bereich nur Luft, und beim Seitenauslass verbleibt der fette Altgaskern in der Kammer.

  • Die Dichtflächen des Wankelmotors sind erheblich länger als bei einem Hubkolbenmotor und führen zu höheren Druckverlusten.


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