Die Technologie der menschlichen Kraft entwickelte sich im 19. Jahrhundert rasant. Mit dem Aufkommen der Dampfmaschine zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde eine adäquate Grundlage für die Industrialisierung und den frühen Transport geschaffen, und die Entstehung des Verbrennungsmotors am Ende des 19. Jahrhunderts revolutionierte die Form der Energietechnologie und den Transport zu Lande, zu Wasser und in der Luft.
Die Erfindung des Verbrennungsmotors hat alle Lebensbereiche beeinflusst und jeden Aspekt unseres modernen Lebens geprägt. Trotz seiner Allgegenwärtigkeit im modernen Leben sind die damit verbundenen grundlegenden Konzepte und Kenntnisse vielen Menschen immer noch fremd.
In diesem Artikel stellen wir einige grundlegende Eigenschaften des Verbrennungsmotors vor, um Lesern zu helfen, die noch kein klares Verständnis davon haben, was ein Verbrennungsmotor ist.
Was ist ein Verbrennungsmotor ?
Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch die Verbrennung von Kraftstoff innere Energie in mechanische Energie umwandelt. Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor mit externer Verbrennung , der eine externe Verbrennung benötigt und die Energie anschließend überträgt, setzt ein Verbrennungsmotor die Energie direkt in den Zylindern frei. Diese Energie treibt die Kolben an und erzeugt die entsprechende mechanische Leistung.
Aufgrund ihrer Vorteile wie kompakter Bauweise, relativ geringem Gewicht, hoher Leistung und einfacher Bedienung finden Verbrennungsmotoren weite Verbreitung im Alltag und in der Industrie.
Insbesondere im Transportwesen ist der Verbrennungsmotor eine unverzichtbare Kernenergiequelle. Dazu gehören Automobile, Motorräder, Flugzeuge, Schiffe und andere Arten von Geräten, die alle den Verbrennungsmotor als wichtige Energiequelle nutzen.
Lange Zeit prägte der Verbrennungsmotor die „motorisierte Gesellschaft“ maßgeblich, indem er die Mobilität der Menschen erleichterte und die rasante Entwicklung globaler Handels- und Logistiksysteme ermöglichte. Selbst im heutigen Zeitalter neuer Energietechnologien spielt der Verbrennungsmotor in vielen Bereichen weiterhin eine wichtige Rolle.
Wie funktionieren Verbrennungsmotoren?
Ein Verbrennungsmotor besteht aus vielen verschiedenen Teilen, darunter Kernkomponenten wie Zylinder, Kolben, Kurbelwellen, Ventile und Zündkerzen, die durch die bei der Verbrennung freigesetzte Energie zusammenarbeiten.
In einem Verbrennungsmotor findet die Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs im Inneren des Motors statt. Der Motor besteht aus Zylindern und Kolben, die die Grundstruktur bilden.
Die nach der Verbrennung expandierenden Gase treiben die Kolben an, welche wiederum die Kurbelwelle in Rotation versetzen. Die Kurbelwelle überträgt diese Bewegung über das Kraftübertragungssystem (einschließlich Kupplungen und Zahnräder), sodass eine Reihe von durch die Verbrennung des Kraftstoffs erzeugten chemischen Energien in kinetische mechanische Energien umgewandelt werden, um das Fahrzeug oder die mechanische Ausrüstung anzutreiben.
Um diese Energieumwandlungen geordnet und effizient durchzuführen, nutzen die meisten Verbrennungsmotoren einen Viertaktzyklus, was bedeutet, dass in einem einzigen verbrennungserzeugenden Arbeitszyklus vier Kolbenhübe erforderlich sind.
Der Zyklus besteht aus vier Takten – Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt und Ausstoßen – und die Einzelheiten dessen, was in jeder Phase geschieht, werden im Folgenden detailliert erläutert:
- Ansaugtakt: Zu Beginn bewegt sich der Kolben nach unten, wodurch ein Vakuum im Zylinder entsteht. Luft wird angesaugt und mit dem Kraftstoff vermischt, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden, das in den Zylinder eintritt.
- Kompressionshub: Der Kolben im Zylinder bewegt sich nach oben, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verdichten.
- Arbeitstakt: Das Zündsystem der Zündkerze entzündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch und erzeugt eine explosive Verbrennung, bei der Energie freigesetzt wird. Der daraus resultierende Arbeitstakt drückt den Kolben nach unten und erzeugt entsprechend mechanische kinetische Energie.
- Auspufftakt: Schließlich öffnet sich das obere Auslassventil und die Abgase werden durch dieses Ventil ausgestoßen.
Diese vier Takte werden immer wiederholt, wodurch der Motor weiterhin mechanische kinetische Energie für den zuverlässigen und stabilen Betrieb des Fahrzeugs oder der mechanischen Vorrichtung erzeugt.
Arten von Verbrennungsmotoren
Aufgrund der grundlegenden Unterschiede in der Kraftstoff-Luft-Mischung, der Zündung und der Leistungsabgabestruktur werden Verbrennungsmotoren in drei Haupttypen eingeteilt, von denen jeder seine eigenen Merkmale und Anwendungsbereiche hat:
Gasmotoren (Benzinmotoren), die üblicherweise in Automobilen, Motorrädern oder kleinen Maschinen zu finden sind, werden auch als Ottomotoren bezeichnet, da ihr Hauptmerkmal die Zündung durch einen Zündfunken ist.
Bei einem Ottomotor werden Kraftstoff und Luft vermischt und durch den Ansaugtakt in den Zylinder gesaugt. Anschließend verdichtet der Kolben das Kraftstoff-Luft-Gemisch, und schließlich zündet eine Zündkerze das Gemisch, wodurch die Verbrennung ausgelöst wird.
Die bei der Verbrennung entstehenden Hochdruckgase dehnen sich schnell aus und drücken den Kolben nach unten, um den Arbeitstakt zu vollenden und so mechanische Energie freizusetzen.
- Dieselmotoren
Dieselmotoren sind seit langem das Herzstück von Nutzfahrzeugen, Baumaschinen und Schiffen.
Das Funktionsprinzip unterscheidet sich grundlegend von dem eines Benzinmotors. Bei einem Dieselmotor wird die Ansaugluft stark verdichtet und der Kraftstoff direkt in die heiße, verdichtete Luft eingespritzt, um sie zu entzünden und zu verbrennen.
Der Kraftstoff wird direkt in die heiße, komprimierte Luft eingespritzt, wo er sich entzündet und verbrennt. Diese Funktionsweise benötigt keine Zündkerzen und basiert im Wesentlichen auf Selbstzündung, weshalb Dieselmotoren auch als Kompressionszündungs-Dieselmotoren bezeichnet werden.
- Turbinentriebwerke
Turbinenmotoren werden in der Luftfahrt, der Energieerzeugung usw. häufig eingesetzt. Im Gegensatz zu Benzin- und Dieselmotoren besitzen Turbinen keine Kolben; ihr Funktionsprinzip besteht darin, einen kontinuierlichen Luftstrom oder Verbrennungsgase zu nutzen.
In einer Turbine wird Luft kontinuierlich komprimiert. Wird Kraftstoff eingespritzt und gezündet, verbrennt dieser schnell und erzeugt ein Hochdruckgas, das durch die Turbinenschaufeln strömt und diese mit hoher Geschwindigkeit in Rotation versetzt. Die so entstehende Drehbewegung wird genutzt, um den Motor anzutreiben oder Strom zu erzeugen.
Durch das Fehlen eines Kolbens laufen Turbinentriebwerke extrem ruhig, was ihnen in Kombination mit ihrer Kompaktheit und ihrem hohen Leistungsgewichtsverhältnis eine wichtige Rolle in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Energieerzeugung ermöglicht, wo Präzision und Zuverlässigkeit unerlässlich sind.
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