Wärmeenergiemaschinen
haben die Aufgabe, Wärmeenergie, die durch Verbrennung gewonnen wird, in mechanische Arbeit umzuwandeln.

• Kolbendampfmaschine
• Dampfturbine
• Verbrennungsmotoren

Kolbendampfmaschine

Der wesentliche Teil einer Kolbendampfmaschine ist ein Zylinder, in dem sich ein eingepasster Kolben auf und ab bewegen kann.
Der aus einem Dampfkessel kommende Dampf wird durch eine geeignete Einrichtung umgeleitet, so dass er von der einen Seite gegen den Kolben drückt und ihn entsprechend in der anderen Richtung bewegt. Gleichzeitig wird für den in der ersten Kammer befindlichen Dampf eine Austrittsöffnung freigegeben, so dass er entweichen kann.

Es sind zwei Möglichkeiten zur Steuerung der Dampfzufuhr entwickelt worden, die beide praktisch verwendet werden:

1. Schiebersteuerung:
Der in einem Dampfkessel erzeugte Wasserdampf tritt in den Zylinder ein, in dem sich der Kolben hin- und herbewegen kann. Der eintretende Dampf schiebt den Kolben vor sich her nach rechts und verrichtet dabei Arbeit. Nachdem der Kolben etwa 1/5 seines Weges zurückgelegt hat, bewirkt die Schiebersteuerung, dass die Dampfzufuhr abgesperrt wird. Der im Zylinder befindliche Dampf dehnt sich weiter aus und schiebt den Kolben so weit nach rechts, wie der Zylinder dies zulässt. Nunmehr gibt die Schiebersteuerung den Abdampfauslass frei und schaltet gleichzeitig die Zufuhr von Frischdampf so um, dass dieser jetzt auf die rechte Seite des Kolbens drückt. Da der links vom Kolben befindliche Dampf entweichen kann, bewegt der Kolben sich jetzt nach links. Der Vorgang wiederholt sich abwechselnd in der einen und der anderen Richtung, so dass eine dauernde Hin- und Herbewegung des Kolbens entsteht, die noch in eine Drehbewegung umgewandelt werden muss.

2. Ventilsteuerung:
Die Zufuhr des Frischdampfes und die Ableitung des Abdampfes wird durch das Öffnen und Schließen von Ventilen gesteuert.
Der Frischdampf tritt zunächst durch das geöffnete Frischdampfventil ein und schiebt den Kolben nach rechts, wobei der Abdampf durch das ebenfalls geöffnete Abdampfventil entweichen kann. Im richtigen Augenblick werden dann die Ventile umgeschaltet. Die Folge ist, dass der Kolben sich nun nach links bewegt.

Der wirtschaftliche Wirkungsgrad einer Kolbendampfmaschine liegt zwischen 10 und 20%.

Kannst du nach diesen Beschreibungen Skizzen oder eventuell sogar Animationen erstellen?

Dampfturbine

Bei diesen Maschinen strömt der Wasserdampf gegen die schräg gestellten Schaufeln eines Laufrades und versetzt dieses in Rotation.

Der wirtschaftliche Wirkungsgrad einer Dampfturbine liegt zwischen 25 und 40%.

Verbrennungsmotoren

Erforderlich sind:

1. Gemisch aus Brennstoff und Luft in der richtigen Zusammensetzung,

2. Zündeinrichtung, die das Gemisch zum Verbrennen bringt,

3. abgeschlossener Raum, der meist die Form eines Zylinders mit einem beweglichen Kolben hat, der aber auch anders gestaltet sein kann (z.B. beim Wankel-Motor).

Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches kann auf zwei verschiedene Weisen erfolgen:

1. Motoren mit Fremdzündung
Nachdem das Brennstoff-Luft-Gemisch im Zylinder komprimiert worden ist, erfolgt die Zündung durch einen elektrisch erzeugten Funken.
Die nach diesem Prinzip arbeitenden Motoren werden nach ihrem Erfinder N.A. OTTO (1832 - 1891) als Otto-Motoren bezeichnet.

2. Motoren mit Kompressionszündung
Hier wird die Luft im Zylinder so stark komprimiert, dass sich ihre Temperatur auf 700 - 900 Grad C erhöht. Im Augenblick größter Kompression wird der Brennstoff (Schweröl) durch eine Düse eingespritzt. Er entzündet sich wegen der hohen Temperaturen von selbst. Bei der Verbrennung des Treibstoffes steigt die Temperatur auf etwa 2000 Grad C an. Der Druck der Gase setzt den Kolben in Bewegung.
Die nach diesem Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotoren werden nach ihrem Erfinder, dem deutschen Ingenieur R. DIESEL (1858 - 1913) als Diesel-Motoren bezeichnet.

Otto-Motoren

• Viertakt-Otto-Motor
  Der Zylinder besitzt ein Einlassventil, durch welches ein Gasgemisch in den Zylinder gelangt. Dieses Gemisch entsteht dadurch, dass die an der Vergaserdüse vorbeiströmende Frischluft den Brennstoff ansaugt und zerstäubt. Der Schwimmer des Vergasers, der mit dem Kraftstoffzufuhrventil direkt verbunden ist, hält den Kraftstoffspiegel ständig in der gleichen Höhe und sorgt auf diese Weise für die richtige Zusammensetzung des Gasgemisches. Es ist ferner ein Auslassventil vorhanden, durch das die verbrauchten Gase den Zylinder verlassen. Die Ventile werden im richtigen Augenblick durch Nockenscheiben betätigt. Die Arbeitsweise dieses Motors lässt sich in vier Abschnitte oder Takte einteilen:

  1. Takt: Saugtakt:
  Das Gasgemisch wird infolge der Abwärtsbewegung des Kolbens durch das sich öffnende Ventil angesaugt; diese erste Kolbenbewegung wird beim ersten Anlassen im allgemeinen mit Hilfe eines elektrischen Anlassers hervorgerufen.

  2. Takt: Verdichtungstakt:
  Beide Ventile sind geschlossen und der sich nach oben bewegende Kolben drückt das Gasgemisch zusammen.

  3. Takt: Arbeitstakt:
  Ein Funken der Zündkerze entzündet das Gemisch bei geschlossenen Ventilen, so dass es verbrennt. Der dabei entwickelte Druck treibt den Kolben wieder abwärts.

  4. Takt: Auspufftakt:
  Das Auslassventil öffnet sich und der sich nach oben bewegende Kolben treibt die Verbrennungsgase durch das Auspuffrohr ins Freie. Nachdem dann das Auslassventil wieder geschlossen und das Einlassventil geöffnet worden ist, beginnt der Vorgang von neuem.

• Zweitakt-Otto-Motor

  1. Takt:
  Der Kolben wird vom unteren Totpunkt aufwärts zum oberen Totpunkt bewegt. Dabei wird zunächst der Überstromkanal verschlossen. Im Kurbelgehäuse entsteht ein Unterdruck. Kurze Zeit später verschließt der Kolben den Auslassschlitz. Es tritt dann eine Verdichtung oder Kompression des Gasgemisches ein. Bei seiner weiteren Aufwärtsbewegung gibt der Kolben den Einlassschlitz frei, so dass im Kurbelgehäuse wegen des dort herrschenden Unterdruckes Frischluft angesaugt werden kann, die an der Vergaserdüse vorbeiströmt und den Brennstoff mitnimmt und zerstäubt. Das Kurbelgehäuse füllt sich dabei mit Gasgemisch. Der mit dem Brennstoffzufuhrventil direkt verbundene Schwimmer des Vergasers hält den Brennstoffspiegel dauernd in der gleichen Höhe und sorgt so für eine richtige Zusammensetzung des Gasgemisches. Sobald der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, springt an der Zündkerze ein Funke über, der das komprimierte Gasgemisch explosionsartig verbrennen lässt.

  2. Takt:
  Die bei der Explosion stark erhitzten Gase dehnen sich aus und drücken den Kolben mit großer Kraft nach unten. Dabei gibt der Kolben den Auslassschlitz frei, so dass die verbrannten Gase aus dem Zylinder entweichen können. Kurze Zeit danach gibt der Kolben den Überstromkanal frei, so dass frisches Gasgemisch aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder strömen kann. Dabei werden die Reste der verbrannten Gase aus dem Zylinder vertrieben. Die Nase auf der Kolbenoberfläche soll das einströmende Gasgemisch so lenken, dass eine ausreichende Spülung des Zylinderraumes erzielt wird.
  Wenn der Kolben am unteren Totpunkt angekommen ist, wiederholt sich der dargelegte Vorgang.

Der wirtschaftliche Wirkungsgrad des Otto-Motors beträgt etwa 25%.