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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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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.
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
vermindern.
1.2 1.2 Einteilung der Kolbenmaschinen Einteilung der Kolbenmaschinen nach dem Arbeitsverfahrennach dem Arbeitsverfahren
� Kraftmaschinen– Motoren
� Druckluftmotor� Hydraulikmotor
– Thermische Maschinen
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
– 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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Küttner
Bauarten von HubkolbenmaschinenBauarten von Hubkolbenmaschinen
Reihenkolbenmaschine Radialkolbenmaschinemit innerer Kolben-abstützung
Radialkolbenmaschinemit äußerer Kolben-abstützung
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Taumelscheibe Schrägscheibe SchrägachseAxialkolbenmaschinenAxialkolbenmaschinenAxialkolbenmaschinenAxialkolbenmaschinen
Beispiel eines KolbenverdichtersBeispiel eines Kolbenverdichters
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Bitzer
1.3.21.3.2Kolbenmaschinen mit rotierendem Kolbenmaschinen mit rotierendem VerdrängerVerdränger
Wankelmotor Rotations-verdichter
Roots-gebläse
Zahnrad-pumpe
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Innenzahnradpumpemit Trochoidenverzahnung
Sperrflügel-pumpe
Rollkolben-pumpe
Scroll-verdichter
Beispiel eines Beispiel eines WankelmotorsWankelmotors
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Mazda
1.3.31.3.3Kolbenmaschinen mit elastischem Kolbenmaschinen mit elastischem VerdrängerVerdränger
Membranpumpe Rubenspumpe
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Küttner
1.3.41.3.4 Kolbenmaschinen mit rotierendem Kolbenmaschinen mit rotierendem Verdränger und axial fließendem FluidVerdränger und axial fließendem Fluid
Schraubenverdichter Schraubenpumpe
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: KüttnerExzenterschneckenpumpe
Beispiel eines SchraubenverdichtersBeispiel eines Schraubenverdichters
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
AxialkolbenpumpeAxialkolbenpumpe
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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:
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Pumpendaten: Schluckvolumen V = 7,5 cm3 Volumetrischer Wirkungsgrad ηv = 0,95 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad ηhm = 0,93
1.61.6 VerdichterVerdichter
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
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
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Grollius
Einsatzbereiche verschiedener Einsatzbereiche verschiedener VerdichterbauartenVerdichterbauarten
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Grollius
1.71.7 Verbrennungsmotoren und Verbrennungsmotoren und ArbeitsverfahrenArbeitsverfahren
� Otto-Motor– 2-Takt Otto-Verfahren– 4-Takt Otto- Verfahren
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
� Diesel-Motor– 2-Takt Diesel-Verfahren– 4-Takt Diesel-Verfahren
44--TaktTakt--VerfahrenVerfahren
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Pischinger
22--TaktTakt--VerfahrenVerfahren
Kolbenmaschinen 1 Einteilung und Bauarten Herzog
Quelle: Pischinger