Grundformen von Kraftmaschinen

Kraftmaschinen setzen bestimmte Energieformen in mechanische Arbeit um. Die Antriebsenergie ist meist die Wärme irgendeines Mediums, die man durch das Verbrennen von Öl, Benzin, Gas oder Kohle erhöht. Die mechanische Arbeit lässt sich zu ganz verschiedenen Zwecken nutzen: zum Antrieb anderer Maschinen, zur Elektrizitätserzeugung oder zum Antrieb von Fahrzeugen. Die Grundgesetze, nach denen Wärme in nutzbare Arbeit umgewandelt werden kann, wurden schon frühzeitig anhand von Experimenten erkannt. Sie sind heute die Grundlage der Thermodynamik, und mit ihnen kann man berechnen, welche Leistung eine Maschine abgeben wird, welcher Anteil der zugeführten Wärme in nutzbare Arbeit umgesetzt wird und wie die Leistung einer Maschine noch mehr erhöht werden kann. Die ersten Kraftmaschinen des 18. Jahrhunderts nutzten die Verbrennungswärme von Kohle zur Dampferzeugung in einem Kessel, der Dampf trieb den Kolben der Maschine. Dampfmaschinen sowie die modernen Dampfturbinen sind Wärmekraftmaschinen mit »äußerer Verbrennung«, da dem Arbeitsmedium – also dem Dampf – die Wärme außerhalb der Maschine zugeführt wird. Sehr viel günstiger ist jedoch eine Verbrennung innerhalb der Maschine selbst. Dabei wird dann die Expansion der entstehenden heißen Verbrennungsgase dazu benutzt, in einem Zylinder einen Kolben zu bewegen, die Kolbenbewegung wird über einen Kurbeltrieb in Drehung umgesetzt. Die ersten Verbrennungsmotoren
Das Grundprinzip des Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entwickelt, der erste praktisch nutzbare Motor dieser Art stammt von dem deutschen Ingenieur Nikolaus August Otto (1832-91), der als Brennstoff Kohlengas verwendete. Es war ein Viertaktmotor, wie ihn Alphonse Beau de Rochas (1815-93) erstmals im Jahre 1862 vorgeschlagen hatte: Von vier Kolbenbewegungen (Takten) im Zylinder erfolgt immer nur eine unter Kraftabgabe, die drei anderen Takte dienen dazu, das Kraftstoff-Luft-Gemisch einzusaugen, es zu komprimieren und nach der Verbrennung wieder auszustoßen. Ein Einzylindermotor dieser Art hat eine relativ ungleichmäßige, impulsartige Energieumsetzung und benötigt ein schweres Schwungrad, damit er einigermaßen gleichmäßig läuft. Viertaktmotoren mit mehreren Zylindern – meist vier bis sechs, vielfach aber bis 16 – sind sehr viel günstiger. Je mehr Zylinder die Maschine besitzt, desto gleichmäßiger lässt sich die Energieabgabe gestalten, weil die Arbeitstakte der einzelnen Zylinder so gelegt werden, dass sie jeweils während der Ansaug-, Kompressions- bzw. Auspufftakte der anderen Zylinder erfolgen. Fast alle modernen Kraftfahrzeugmotoren und die meisten heutigen Motorradmotoren sind Viertakt-Verbrennungskraftmaschinen. Man kann sie mit brennbaren Gasen betreiben, meist wird aber ein flüssiger Kraftstoff, besonders Benzin benutzt, das im Vergaser zerstäubt, mit Luft gemischt und dann innerhalb der Zylinder durch einen elektrischen Funken entzündet wird. Der Dieselmotor
Große Nutzfahrzeuge werden meist von Dieselmotoren angetrieben – benannt nach ihrem Erfinder Rudolf Diesel (1858-1913). Sie arbeiten mit petroleumartigen Leichtölen – auch als Dieselöl bezeichnet. Da sich Dieselöl schlecht vergasen lässt, wird es mit einer Einspritzpumpe – genau portioniert – zu Beginn eines jeden Arbeitstaktes in den betreffenden Zylinder unter hohem Druck eingespritzt. Die Zylinder des Dieselmotors saugen nur Luft an, diese wird dann aber so sehr komprimiert, dass sie sich stark erhitzt und das Dieselöl sich beim Einspritzen entzündet. Umwandlung von Wärme in Arbeit
Bei einem Normalen-Kraftfahrzeug wird kaum mehr als ein Viertel der im Brennstoff enthaltenen Energie in mechanische Arbeit umgewandelt, selbst bei hochgezüchteten Motoren erreicht dieser Wirkungsgrad kaum mehr als 35 Prozent. Dieses eigentlich etwas enttäuschende Ergebnis erklärt sich mit den Grundgesetzen der Thermodynamik. Das erste dieser Gesetze besagt, dass man in einer Kraftmaschine nicht mehr Energie freisetzen kann, als man in Form von Wärme hineinsteckt. Das zweite Gesetz aber geht noch einen Schritt weiter: Es beinhaltet nämlich, dass die entstehende mechanische Energie grundsätzlich immer geringer ist als die aufgewendete Wärmeenergie, d. h., der Wirkungsgrad jeder Art von Kraftmaschine ist immer kleiner als 100 Prozent. Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen hängt grundsätzlich von der Temperaturdifferenz des Arbeitsmediums vor und nach der Arbeitsleistung ab. Je höher die maximale Arbeitstemperatur und je niedriger die Temperatur der Abgase ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Ein Wirkungsgrad von 100 Prozent ließe sich nur dann erreichen, wenn man die Abgastemperatur bis zum absoluten Nullpunkt, also bis -273 °C, herabsetzen könnte – aber auch das verbieten die thermodynamischen Grundgesetze. Bei realistischen Temperaturdifferenzen (1000 °C Maximaltemperatur und 150 °C Minimaltemperatur) hätte eine ideale Wärmekraftmaschine einen Wirkungsgrad von 67 Prozent. In der Praxis liegt er aber noch weit darunter – nicht nur wegen der Verluste durch innere Reibung, sondern auch wegen des Energiebedarfs von Hilfsaggregaten wie Lüftern und Wasserpumpen oder Lichtmaschinen.

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Info 23.11.2017 19:16
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