Wärmekraftmaschinen. Stirling-Motor

Transkript

1 Wärmekraftmaschinen Stirling-Motor Der Stirlingmotor wurde 1816 schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Es ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Ein abgeschlossenes Arbeitsgas wird von außen an zwei verschiedenen Bereichen abwechselnd erhitzt und gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Es erfolgt eine Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in die besser einsetzbare Energieform mechanischer Energie. 1

2 Der Zylinder mit dem roten Kolben wird erwärmt. Das Gas dehnt sich aus, strömt in den Zylinder mit dem blauen Arbeitskolben und drückt diesen nach unten. 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. Das abgekühlte Gas wird zurück in den Zylindermit dem roten Kolben geschoben und der Vorgang beginnt von vorn. 2

3 Stirling-Motor Der Stirlingmotor als Solarkraftwerk 3

4 Dampfmaschine Ideen aus der Zeit der Griechen: Der griechische Gelehrte Heron von Alexandria, der im ersten Jahrhundert n.chr. gelebt haben muss, hatte einige raffinierte Ideen, wie mit Wärme eine Maschine angetrieben werden könnte. Seine Maschinen und Apparate setzten sich durch Luft- oder Dampfdruck in Bewegung. Eine seiner berühmtesten Erfindung war die automatische Öffnung einer Tempeltür: Entzündete man auf einem Altar vor dem Tempel ein Opferfeuer, so öffnete sich die Tempeltür. Dieses Experiment können Sie mit Sorgfalt selber durchführen, es ist vor Ihnen aufgebaut und in Abb. 1 gezeigt. Heizen Sie mit dem Fön (das Opferfeuer) den Glaskolben oben links in der Abbildung vorsichtig! Nachdem sich die Türe geöffnet hat, stellen Sie den Fön wieder ab 4

5 Der Weg zur industriellen Revolution Erst im 16. Jahrhundert wurden die Ideen von Heron wiederentdeckt. Verschiedene Konstrukteure erfanden Maschinen, die wenig Arbeit bei enormem Feueraufwand verrichten konnten. Dabei baute der eine auf dem Werk des andern auf. Der Engländer Thomas Newcomen ( ) konstruierte eine Dampfmaschine, die gerade ein Prozent der Energie, die man in Form von Wärme hineinsteckte, in Arbeit umwandelte eine miserable Ausbeute, und dennoch das Beste, was es damals gab. Am 5. Januar 1769 erhielt der schottische Mechaniker James Watt das Patent für seine Dampfmaschine. Sie erreichte eine viel bessere Ausbeute als alles bisher Erfundene. Diese Maschine löste einen wahren Boom aus und machte menschliche Arbeitskräfte ersetzbar. Die industrielle Revolution nahm ihren Anfang. Noch bis ins 20. Jahrhundert blieben Dampfmaschinen nach dem Prinzip von James Watt konkurrenzlos. Und selbst die Benzinmotoren von heute können ihre Verwandtschaft zur Dampfmaschine nicht verbergen. Mit der Dampfmaschine schossen Industriebetriebe aus dem Boden und die Wasserkraft als Antrieb für Webstühle wurde ersetzbar. Diese Erfindung markiert einen Meilenstein in der Geschichte der Menschheit. Und erstmals konnte eine Maschine auch sich selber transportieren, mobile Maschinen konnten nun gebaut werden. Und so funktioniert die Dampfmaschine nach James Watt Entwicklung der Dampfmaschine Schulphysik

6 Heisser Frischdampf wird aus einem Dampfkessel der Maschine zugeführt. Ein kleiner Steuerkolben lässt Dampf nur auf die linke Seite des (grösseren) Arbeitskolbens strömen. Dadurch wird dieser auf die rechte Seite gedrückt und versetzt ein Schwungrad in Bewegung. Der Steuerkolben, der ebenfalls mit dem Schwungrad verbunden ist, klemmt die Dampfzufuhr zum Arbeitskolben ab und öffnet die Dampfzufuhr auf die rechte Seite des Arbeitskolbens, wodurch sich dieser wieder nach links bewegt. Das Ganze läuft dauernd so weiter. Anzumerken ist noch, dass durch den Steuerkolben jeweils in dem Moment, in welchem z.b. rechts die Dampfzufuhr geöffnet wird, links ein Kanal öffnet, durch den der sich noch im linken Teil befindliche Dampf nach aussen entweichen kann. Dieser Kanal ist im Modell oben als U-förmige Aussparung zu erkennen. Die Drehzahl kann mit einem Fliehkraftregler, wie sie ihn bei den Kreisbewegungen kennen gelernt haben, durch Regulieren der Dampfzufuhr konstant gehalten werden. Die Dampfmaschine nach diesem Prinzip erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 25%. Die Dampfturbine 6

7 Das einfache Prinzip einer Dampfturbine: Mittlerweile hat sich die Dampfmaschine als Arbeitsmaschine verabschiedet. In grossen Kraftwerken jedoch hat sich der Dampf als Arbeitsmedium weiterhin behaupten können. So wird in Wärmekraftwerken, zu welchen unter anderem Kernkraftwerke, Kohlekraftwerke und Ölkraftwerke zählen, auf jeweils unterschiedliche Art Wasser zum Verdampfen gebracht. Der grosse Druck des Dampfes wird in allen diesen Kraftwerkstypen dazu genutzt, um eine Dampfturbine in Rotation zu versetzen. In Kraftwerken sind dabei mehrere solche Turbinen hintereinander geschaltet. Zuerst passiert der Dampf die Hochdruckturbine, danach die Niederdruckturbinen. Wichtig ist hier (analog zur Dampfmaschine), dass der Dampf hinter den Turbinen in einem Kondensator gekühlt wird. Das heisst, in einem Kühler wird der Dampf abgekühlt, wobei dieser kondensiert. Damit sinkt der Druck auf der Turbinenrückseite zusätzlich. Dies geschieht häufig mittels eines Kühlturms oder mit einer Kühlung in einem grossen, nahe gelegenen Fluss. Nur ein grosser Druckunterschied zwischen Turbinenvorder- und rückseite erlaubt einen akzeptablen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad solcher Kraftwerke liegt heute bei etwas über 40%. 9 Kondensator 1 Frischdampfleitung 2 Ventil 3 Hochdruck-Turbine 7 Niederdruck-Turbinen 7

8 Funktionsweise der Benzin-Motoren: Bei den Benzin-Motoren unterscheidet man zwischen dem 2-Takt- und dem 4-Takt-Motor, welcher auch Otto-Motor genannt wird. Der 4-Takt- oder Otto-Motor Otto stellte seinen Verbrennungsmotor 1867 vor wurde er von den Herren Daimler und Benz weiterentwickelt. Heute erreicht dieser Motor Wirkungsgrade von maximal 35%. Die Funktionsweise kann in vier Takte unterteilt werden. Drehen Sie das Modell (s. nebenstehende Abbildung) in die richtige Position, die dem Takt entspricht, an welchem Sie gerade am Lesen sind. Die folgende Abbildung veranschaulicht das im Text Beschriebene. 1. Takt: Der Kolben ist oben und beginnt sich nach unten zu bewegen. In diesem Moment öffnet das Einlassventil und das Treibstoff-Luft-Gemisch wird in den Zylinder gesogen. 2. Takt: Nachdem der Kolben die unterste Position erreicht hat, schliesst das Einlassventil. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet das Gemisch. Das Volumen wird auf etwa einen Zehntel verkleinert, wodurch der Druck auf etwas mehr als 22bar ansteigt. Man spricht von einem Verdichtungsverhältnis von 10:1. Das Gemisch erreicht dabei etwa eine Temperatur von 300 C bis 400 C. Bei Temperaturen über 500 C würde sich das Benzin-Luft-Gemisch selbständig entzünden, was den Motor beschädigen kann (führt zu so genanntem Klopfen). 8

9 3. Takt: Ein Funken der Zündkerze entzündet das Gemisch, die Temperatur steigt auf über 2500 C und dadurch erhöht sich der Druck auf etwa 60bar. Der Kolben wird nach unten gedrückt (Arbeitstakt). 4. Takt: In dem Moment, in welchem sich der Kolben wieder nach oben bewegt, öffnet das Auslassventil und die Abgase werden nach aussen gedrückt. Ist der Kolben oben angelangt, so schliesst das Auslassventil und der Ablauf beginnt wieder mit dem 1. Takt. Bei genauer Betrachtung der Funktionsweise des 4-Takt-Motors erkennt man, dass auf zwei Auf- und Abbewegungen nur ein Arbeitstakt stattfindet. Zudem ist der 4-Takt-Motor auf Ventile angewiesen, die Störungen hervorrufen können. Der folgende Motor hat diese Nachteile nicht. 9

10 Der 2-Takt-Motor Die Funktionsweise kann in zwei Takte unterteilt werden. Drehen Sie auch hier das Modell (s. nebenstehende Abbildung) in die richtige Position, die dem Takt entspricht, an welchem Sie gerade am Lesen sind. Die untenstehende Abbildung veranschaulicht das im Text beschriebene. 1. Takt: Der sich nach oben bewegende Kolben (s. Abb. a unten links) komprimiert das über ihm befindliche Gemisch. Gleichzeitig wird neues Gemisch durch den nun offenen Gaseinlass in das Kurbelgehäuse gesogen. 2. Takt: Das komprimierte Gemisch wird entzündet (s. Abb. b unten in der Mitte). Der entstehende grosse Druck presst den Kolben nach unten (Arbeitstakt). Das Gemisch im Kurbelgehäuse wird dadurch etwas zusammengepresst, kann aber nicht mehr zum Gaseinlass heraus, da dieser vom Kolben bald versperrt wird. Sobald der Kolben in der untersten Position ist, wird das Gemisch im Kurbelgehäuse durch den Überströmkanal in den Brennraum über den Kolben geleitet (s. Abb. c unten rechts). Gleichzeitig wird das verbrannte Gemisch durch das neu eintretende Gemisch zum Gasaustritt hinausgedrückt. Aufgrund der etwas speziellen Formgebung des Kolbenoberteils tritt nur wenig frisches Gemisch direkt wieder zum Gasaustritt aus, allerdings lässt sich das bei Zwei- Taktern nicht verhindern, was man an den Abgasen riechen kann. Einspritz-Zweitakter haben diese Durchmischung zwar nicht, doch lässen sie sich nicht mit einem Dreiwegkatalysator betreiben bzw. haben eine geringere Leistung. Nun wird wieder beim 1. Takt begonnen. 10

11 Fragen: 1. Was sind die Vor- und Nachteile der beiden Motorenarten im Vergleich? Welcher ist leistungsfähiger, welcher ist billiger in der Herstellung, bei welchem können die Abgase geringer gehalten werden, etc. Begründe deine Antworten. Suche nach weiteren Vor- und Nachteilen. 2. Liegt der Wirkungsgrad des 2-Takt-Motors eher über oder unter demjenigen des Otto- Motors? Wankelmotor (Drehkolbenmotor) 11

12 Im Jahre 1957 brachte F. Wankel den ersten nach ihm benannten Kreiskolbenmotor zum Laufen, und 1964 wurde das erste Auto (ein NSU) serienmässig mit diesem Motor gebaut. Der Motor konnte sich allerdings nie richtig durchsetzen, auch wenn sich einige berühmte Automobilhersteller (Mercedes, Mazda) in der Zwischenzeit dem Motor widmeten und in einige ihrer Modelle einbauten. Der Kolben, mit einer Form ähnlich derjenigen eines gleichseitigen Dreiecks mit geschwungenen Seiten, vollführt in einem trochoidenförmigen Gehäuse eine stetig kreisende Bewegung. Seine Funktionsweise ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt. Im ersten Takt wird an der Kolbenflanke A durch das Einlassrohr Gemisch angesaugt, was in den vier Schritten der Abbildung von links nach rechts (1 bis 4) zu erkennen ist. Nach etwa einem Drittel Umdrehung befindet sich die Kolbenflanke A von der Abbildung 4 bei der Kolbenflanke B in der Abbildung 1. Das Gemisch wird nun bei B bis zu Abb. 3 komprimiert und dann mit einer Zündkerze entzündet. In der Abbildung 4 findet also bei B der Arbeitstakt statt, was in der Abbildung 1 bei C noch andauert. In Abbildung 2 bis 4 findet bei C das Ausschieben der Abgase statt, worauf das Ganze wieder von vorne beginnt. Dieselmotore 12

13 Dieselmotor Funktionsweise des Diesel-Motors: In den Jahren zwischen 1892 und 1897 entwickelte R. Diesel den nach ihm benannten Verbrennungsmotor, der lange in Autos anteilsmässig hinter dem Otto- Motor zurückstand, aber gerade in letzter Zeit stark aufholt und in Lastwagen gar ausschliesslich zum Einsatz kommt. Die untenstehende Abbildung veranschaulicht das im Text beschriebene. In einem Druck-Volumen-Diagramm (p-v-diagramm, s. nächste Seite) werden wir das Gas, welches sich im Zylinder befindet, während den 4-Takten begleiten : 1. Takt: Der Kolben ist oben und beginnt sich nach unten zu bewegen. In diesem Moment öffnet das Einlassventil und reine Luft wird in den Zylinder gesogen. 2. Takt: Nachdem der Kolben die unterste Position erreicht hat, schliesst das Einlassventil. Der Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet die Luft. Das Volumen wird auf etwa einen Sechszehntel verkleinert, wodurch der Druck auf etwas mehr als 45bar ansteigt. Man spricht von einem Verdichtungsverhältnis von 16:1. Das Gemisch erreicht dabei eine Temperatur von etwa 600 C. Hat der Kolben den höchsten Punkt erreicht, so sprüht eine Hochdruckpumpe den flüssigen Diesel- Treibstoff in den Zylinder. Der Treibstoff entzündet sich aufgrund der hohen Temperatur selbständig (Zündkerzen braucht der Diesel-Motor somit keine). 13

14 3. Takt: Durch die Entzündung des Gemischs steigt die Temperatur an, und damit steigt auch der Druck auf etwa 60bar. Der Kolben wird nach unten gedrückt (Arbeitstakt). 4. Takt: In dem Moment, in welchem sich der Kolben wieder nach oben bewegt, öffnet das Auslassventil und die Abgase werden nach aussen gedrückt. Ist der Kolben oben angelangt, so schliesst das Auslassventil und der Ablauf beginnt wieder mit dem 1. Takt. 14

15 Neuer Ansaugtakt: Im Bemühen, den Motor wirtschaftlich zu betreiben, muss der Verbrennungsraum beim Ansaugen mit möglichst viel frischer Luft gefüllt werden. Dafür ist es nötig, die Strömungsenergie der ausströmenden Gase für die vollständige Entfernung der Brenngase aus dem Verbrennungsraum zu nutzen. Dies gelingt, wenn das Auslassventil erst nach Durchfahren des oberen Totpunkts schließt und das Einlassventil bereits vor dem oberen Totpunkt öffnet, d. h. bei noch geöffnetem Auslassventil - man spricht hier von»ventilüberschneidung«beim Ladungswechsel. Der Druckverlauf im Verbrennungsraum Bild: Während der einzelnen Motor-Arbeitstakte herrschen im Zylinder unterschiedliche Druckverhältnisse. So misst man im Ottomotor beim Ansaugen des Kraftstoff-Luft- Gemisches (im ersten Takt) im Zylinderraum einen Unterdruck von -0,1 bis -0,25 bar. Im zweiten Takt, dem Verdichtungstakt, entsteht ein Überdruck, der schließlich den Verdichtungsdruck erreicht. Dieser beträgt bei Ottomotoren zwischen 12 und 20 bar, bei Dieselmotoren zwischen 30 und 55 bar. 15

16 Aufgrund des großen Verdichtungsverhältnisses arbeitet der Diesel-Motor mit einem Wirkungsgrad von 38% und mehr. Grosse Schiffsdieselmotoren erreichen Wirkungsgrade von bis zu 50%. 16