Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten - thm.de · (Zustand 2 im pV-Diagramm)? b) Skizzieren Sie das pV-Diagramm. c) Wie groß ist die technische Arbeit? d) Welche Antriebsleistung

KolbenmaschinenKolbenmaschinen1 Einteilung und Bauarten1 Einteilung und Bauarten

Dr.-Ing. Klaus Herzog

Quelle: Porsche

Inhalt der Vorlesungsreihe Inhalt der Vorlesungsreihe KolbenmaschinenKolbenmaschinen

� Einteilung und Bauarten � Thermodynamische Grundlagen� Kenngrößen und Kennfelder� Kinematik des Kurbeltriebes

Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog

� Kinematik des Kurbeltriebes� Massenkräfte und Massenausgleich� Gemischaufbereitung und Ladungswechsel� Konstruktionselemente des Hubkolbenmotors

11 Einteilung und Bauarten von Einteilung und Bauarten von KolbenmaschinenKolbenmaschinen

1.1 Definition Kolbenmaschine1.2 Einteilung der Kolbenmaschinen nach dem

Arbeitsverfahren1.3 Einteilung der Kolbenmaschinen nach Bauform

und Wirkungsweise


1.3 Einteilung der Kolbenmaschinen nach Bauform und Wirkungsweise

1.4 Vergleich von Hub- und Rotationkolbenmaschinen

1.5 Hydraulikpumpen und –motoren1.6 Verdichter1.7 Verbrennungsmotoren

1.1 Definition Kolbenmaschine1.1 Definition Kolbenmaschine

Kolbenmaschinen sind Maschinen, die die potentielle Energie eines Fluids durch Zufuhr oder Entnahme mechanischer Energie mit Hilfe eines Verdrängers (Kolben) entweder erhöhen oder vermindern.


vermindern.

1.2 1.2 Einteilung der Kolbenmaschinen Einteilung der Kolbenmaschinen nach dem Arbeitsverfahrennach dem Arbeitsverfahren

� Kraftmaschinen– Motoren

� Druckluftmotor� Hydraulikmotor

– Thermische Maschinen


– Thermische Maschinen� Verbrennungsmotor� Stirlingmotor� Dampfmaschine

� Arbeitsmaschinen– Verdichter (gasförmiges Fluid)– Pumpen (flüssiges Fluid)

1.31.3 Einteilung der Kolbenmaschinen Einteilung der Kolbenmaschinen nach Bauform und Wirkungsweisenach Bauform und Wirkungsweise

1.3.1 Kolbenmaschinen mit oszillierendem Verdränger

1.3.2 Kolbenmaschinen mit rotierendem Verdränger


1.3.2 Kolbenmaschinen mit rotierendem Verdränger

1.3.3 Kolbenmaschinen mit elastischem Verdränger

1.3.4 Kolbenmaschinen mit rotierendem Verdränger und axial fließendem Fluid

1.3.11.3.1Kolbenmaschinen mit oszillierendem Kolbenmaschinen mit oszillierendem VerdrängerVerdränger

Hubkolbenmaschine Wingkompressor Handpumpe


Quelle: Küttner

Bauarten von HubkolbenmaschinenBauarten von Hubkolbenmaschinen

Reihenkolbenmaschine Radialkolbenmaschinemit innerer Kolben-abstützung

Radialkolbenmaschinemit äußerer Kolben-abstützung


Taumelscheibe Schrägscheibe SchrägachseAxialkolbenmaschinenAxialkolbenmaschinenAxialkolbenmaschinenAxialkolbenmaschinen

Beispiel eines KolbenverdichtersBeispiel eines Kolbenverdichters


Quelle: Bitzer

1.3.21.3.2Kolbenmaschinen mit rotierendem Kolbenmaschinen mit rotierendem VerdrängerVerdränger

Wankelmotor Rotations-verdichter

Roots-gebläse

Zahnrad-pumpe


Innenzahnradpumpemit Trochoidenverzahnung

Sperrflügel-pumpe

Rollkolben-pumpe

Scroll-verdichter

Beispiel eines Beispiel eines WankelmotorsWankelmotors


Quelle: Mazda

1.3.31.3.3Kolbenmaschinen mit elastischem Kolbenmaschinen mit elastischem VerdrängerVerdränger

Membranpumpe Rubenspumpe


Quelle: Küttner

1.3.41.3.4 Kolbenmaschinen mit rotierendem Kolbenmaschinen mit rotierendem Verdränger und axial fließendem FluidVerdränger und axial fließendem Fluid

Schraubenverdichter Schraubenpumpe


Quelle: KüttnerExzenterschneckenpumpe

Beispiel eines SchraubenverdichtersBeispiel eines Schraubenverdichters


Quelle: Bitzer

1.41.4 Vergleich von HubVergleich von Hub-- und und RotationskolbenmaschinenRotationskolbenmaschinen

Vergleichsmerkmal Rotationskolben HubkolbenTypische Einsatzgebiete Hydraulikpumpen und –

motoren, Gasverdichter, Lader, Booster

Hydraulikpumpen und –motoren, Verbrennungsmotoren, Gasverdichter, Hochdruckanwendungen

Druckbereich bei flüssigen Medien

hoch hoch bis sehr hoch

Druckbereich bei niedrig bis mittel mittel bis sehr hoch


Druckbereich bei gasförmigen Medien

niedrig bis mittel mittel bis sehr hoch

Abdichtungslänge der Arbeitsräume

groß klein

Bedeutung von Öl zur Abdichtung bei großem ∆p

groß klein

Güte der Abdichtung niedrig bis mittel mittel bis hoch

Drehzahlbereich mittel bis hoch niedrig bis mittel

Fluidwechselorgane häufig keine Ventile, Schieber

Massenausgleich einfach einfach bis aufwendig

1.51.5 Hydraulikpumpen und Hydraulikpumpen und --motorenmotoren

Vn1

Qv

⋅⋅η

=VnQ v ⋅⋅η=

∆⋅ pV1 ∆⋅ pV

Pumpe Motor

Volumenstrom

Moment


π∆⋅⋅

η=

2pV1

Mhm π

∆⋅⋅η=2

pVM hm

ηv = volumetrischer Wirkungsgrad n = Drehzahl V = Schluckvolumen ηhm = hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad ∆p = Druckdifferenz an der Verdrängermaschine

Moment

Gilt nur für inkom-pressible Fluide!

Schnittbild einer AxialkolbenpumpeSchnittbild einer Axialkolbenpumpe


AxialkolbenpumpeAxialkolbenpumpe


Quelle: Bosch-Rexroth

ÜbungsaufgabeÜbungsaufgabe

Zur Versorgung einer Hydraulikanlage wird ein Druck von 300 bar und ein Volumenstrom von 20 l/min benötigt.

a) Berechnen Sie die hydraulische Leistung. b) Berechnen Sie Antriebsmoment, Antriebsdrehzahl und Antriebsleistung für die

gegebene Pumpe Pumpendaten:


Pumpendaten: Schluckvolumen V = 7,5 cm3 Volumetrischer Wirkungsgrad ηv = 0,95 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad ηhm = 0,93

1.61.6 VerdichterVerdichter


Verdichtungsarbeit ∫−=2

1

v

vv pdvw

Gaswechselarbeit 1122

v

01

v

02gw vpvpdvpdvpw

12⋅−⋅=−= ∫∫

Technische Arbeit ∫=+=2

1

p

pgwvt vdpwww

ÜbungsaufgabeÜbungsaufgabe

Für einen einzylindrigen Kolbenverdichter zur Drucklufterzeugung soll die erforderli-che Antriebsleistung durch idealisierte Betrachtungen abgeschätzt werden. Verein-fachend kann von isothermen Zustandsänderungen ausgegangen werden, und das Schadraumvolumen kann vernachlässigt werden. Der Ansaugvolumenstrom des Verdichters soll 140 l/min betragen, und die Luft soll auf einen Druck von 10 bar ver-dichtet werden.

a) Bei welchem Volumen wird bei der Verdichtung der Druck von 10 bar erreicht


a) Bei welchem Volumen wird bei der Verdichtung der Druck von 10 bar erreicht (Zustand 2 im pV-Diagramm)?

b) Skizzieren Sie das pV-Diagramm. c) Wie groß ist die technische Arbeit? d) Welche Antriebsleistung ist erforderlich?

Verdichterdaten: Hubraum V = 100 cm3 Ansaugvolumenstrom Q = 140 l/min Umgebungsdruck p = 1,0 bar

Zweistufiger Verdichter mit Zweistufiger Verdichter mit ZwischenkühlungZwischenkühlung


Quelle: Grollius

Einsatzbereiche verschiedener Einsatzbereiche verschiedener VerdichterbauartenVerdichterbauarten


Quelle: Grollius

1.71.7 Verbrennungsmotoren und Verbrennungsmotoren und ArbeitsverfahrenArbeitsverfahren

� Otto-Motor– 2-Takt Otto-Verfahren– 4-Takt Otto- Verfahren


� Diesel-Motor– 2-Takt Diesel-Verfahren– 4-Takt Diesel-Verfahren

44--TaktTakt--VerfahrenVerfahren


Quelle: Pischinger

22--TaktTakt--VerfahrenVerfahren


Quelle: Pischinger

Beispiel eines Beispiel eines 55--Zylinder 4Zylinder 4--Takt Takt Reihenmotors Reihenmotors (Audi 2,5l(Audi 2,5l--TFSI)TFSI)

Längsschnitt


Quelle: MTZ 05/2010

Documents

Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten - thm.de · (Zustand 2 im pV-Diagramm)? b) Skizzieren Sie das pV-Diagramm. c) Wie groß ist die technische Arbeit? d) Welche Antriebsleistung