Wolfgang Eifler | Eberhard Schlcker | Ulrich Spicher | Gotthard Will

Kttner Kolbenmaschinen

Wolfgang Eifler | Eberhard Schlcker |Ulrich Spicher | Gotthard Will

Kttner KolbenmaschinenMit 408 Abbildungen, 40 Tabellen sowie zahlreichen bungen und Beispielen mit Lsungen.

7., neu bearbeitete Auflage

STUDIUM

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1. Auflage 19672. Auflage 1972 3. Auflage 1974 4. Auflage 19785. Auflage 19846. Auflage 19937., neu bearbeitete Auflage 2009

Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009

Lektorat: Harald Wollstadt | Ellen Klabunde

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Umschlaggestaltung: KnkelLopka Medienentwicklung, HeidelbergDruck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, MrlenbachGedruckt auf surefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.Printed in Germany

ISBN 978-3-8351-0062-6

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Eifler, Jahrgang 1957, studierte an der Universitt Kaiserslautern Kraft- und Arbeits-maschinen. Nach der Promotion war er von 1990 bis September 2003 bei der Adam Opel AG in Rsselsheimin den Bereichen Basismotorenentwicklung und Motorsteuerungssysteme Entwicklung und Applikation ttig.Seither ist er an der Ruhr-Universitt in Bochum fr den Aufbau des neu gegrndeten Lehrstuhles fr Ver-brennungsmotoren verantwortlich.

Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlcker, Jahrgang 1956, studierte Maschinenbau an der Fachhochschule Heil-bronn und promovierte 1993 an der Universitt Erlangen-Nrnberg. Als Abteilungsleiter Forchung und Entwicklung sowie als Prokurist und Leiter des Bereiches Technik arbeitete er bis 2000 bei der Firma LEWA,Leonberg. Seither ist er Professor und Lehrstuhlinhaber Prozessmaschinen und Anlagentechnik an derUniversitt Erlangen-Nrnberg.

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher, geboren 1947; Dipl.-Ing. RWTH Aachen 1975; Dr.-Ing. RWTH Aachen 1982;1975 bis 1987 wissenschaftlicher Mitarbeiter, wissenschaftlicher Assistent, Oberingenieur RWTH Aachen;1987 bis 1988 Abteilungsleiter Motorische Verbrennung und Optische Verbrennungsanalysen FEV Moto-rentechnik Aachen; 1988 bis 1993 Bereichsleiter Motorische Brennverfahren und SonderbrennverfahrenFEV Motorentechnik Aachen; 1993 bis 1994 Professor (C3) Universitt Paderborn (Thermodynamik undVerbrennungsmotoren); seit 01.08.1994 Professor (C4) Universitt Karlsruhe (Institut fr Kolbenmaschinen);01.10.2002 30.09.2004 Dekan der Fakultt Maschinenbau der Universitt Karlsruhe (TH); seit 2007 Vor-sitzender der Wissenschaftlichen Gesellschaft fr Kraftfahrzeug- und Motorentechnik e.V. (WKM).

Prof. Dr.-Ing. Gotthard Will, Jg. 1939, Studium Maschinenbau TU Dresden, Promotion 1970, Habilitation1989, Ttigkeit fr Kombinat Pumpen und Verdichter Halle, Oberassistent an Sektion Energieumwandlungder TU Dresden, 1994 bis 2005 ordentl. Professor fr Pumpen, Verdichter und Apparate an TU Dresden,Mitbegrnder und erster Vorsitzender des European Forum for Reciprocating Compressors.

V

Vorwort

Kolbenmaschinen sind in hohem Mae energieeffizient, vielfltigst einsetzbar und daher aus dem Leben zivilisierter Menschen nicht weg zu denken. Wir nutzen sie als Verbrennungsmoto-ren zum Antrieb von Fahrzeugen aller Art, wir bemerken ihre Mitwirkung als Einspritzpumpe am Dieselmotor oder als Kltemittelverdichter in einer Klimaanlage oder einem Haushaltkhl-schrank aber vielleicht schon weniger. Und bei der Verwendung chemischer oder pharmazeu-tischer Produkte denken wir in der Regel nicht mehr daran, welche Pumpen oder Verdichter zu ihrer Erzeugung erforderlich waren. Die gemeinsame Aufgabe von Kolbenmaschinen ist, die verschiedenen Energieformen in ein-ander umzuwandeln. Aus der latenten Energie des Brennstoffs erzeugen Verbrennungsmotoren mechanische Arbeit. Pumpen und Verdichter bentigen die Zufuhr mechanischer Arbeit, um den Druck von Flssigkeiten oder Gasen zu erhhen. Darin unterscheiden sie sich nicht von anderen Fluidenergiemaschinen, wie z. B. den Turbomaschinen. Gemeinsam ist ihnen auch das volumetrische Prinzip der Energiebertragung. Dem gasfrmi-gen oder flssigen Arbeitsstoff wird im Zylinder der Maschine bei einem periodischen Ar-beitsspiel ber den bewegten Kolben mechanische Arbeit zugefhrt oder abgenommen. Das Triebwerk der Maschine realisiert die Wandlung zwischen der oszillierenden Bewegung des Kolbens und der rotierenden Bewegung der Kurbelwelle in beiden Richtungen. Diese Merk-male grenzen die Kolbenmaschine gegenber anderen Energiemaschinen ab. Zielstellung dieses Lehrbuchs ist es, Studierenden des Maschinenbaus und der Verfahrens-technik, die gemeinsamen theoretischen Grundlagen der Kolbenmaschinen zu erschlieen und ihre vielfltigen Ausfhrungsformen zu veranschaulichen. Anliegen des Buches ist es aber auch, die Studierenden auf die aktuellen Aufgaben der Forschung und Entwicklung fr Kol-benmaschinen aufmerksam zu machen. Diese beziehen sich vor allem auf die Erhhung der Energieeffizienz, der Zuverlssigkeit und der Umweltvertrglichkeit solcher Maschinen. Im Gegensatz zu den frheren Auflagen dieses Buches, die aus der Feder von Karl-Heinz Kttner, dem langjhrigen Professor fr Kolbenmaschinen an der FH Berlin stammten, ist die Neuauflage das Werk eines Autorenkollektivs von Hochschullehrern, die an verschiedenen Universitten fr Lehre und Forschung an speziellen Kolbenmaschinen Verantwortung tragen bzw. trugen. Der Verlag und die Autoren waren sich der schwierigen Aufgabe bewusst, ein pdagogisch bewhrtes Lehrbuch durch etwas Neues zu ersetzen. Sie hoffen, dass dieses Buch im Sinne des Namensgebers einen guten berblick ber das klassische Stoffgebiet liefert, aber auch die Dynamik seiner stndigen Weiterentwicklung widerspiegelt. Sie sind fr alle Hinwei-se zu seiner weiteren Verbesserung dankbar. Bochum/Erlangen-Nrnberg/ Wolfgang Eifler Karlsruhe/Dresden Eberhard Schlcker im November 2008 Ulrich Spicher Gotthard Will

VII

Inhaltsverzeichnis

Vorwort ............................................................................................................................... V

1 Gemeinsame Grundlagen der Kolbenmaschinen ..................................................... 1 1.1 Wirkungsweise, Bauarten und Grundbegriffe .................................................... 1

1.1.1 Das volumetrische Prinzip der Energiebertragung ............................. 1 1.1.2 Bauarten und ihre historische Entwicklung .......................................... 4 1.1.3 Aufbau und Kenngren von Hubkolbenmaschinen ........................... 6

1.2 Die thermodynamische Funktion von Kolbenmaschinen ................................... 9 1.2.1 Die vollkommene Maschine als Modellvorstellung ......................... 9 1.2.2 Idealisierte Arbeitsspiele ...................................................................... 10 1.2.3 Die verlustbehafteten Zustandsnderungen im Arbeitsraum

einer Kolbenmaschine .......................................................................... 17 1.3 Kurbeltrieb .......................................................................................................... 22

1.3.1 Kinematik der Hubkolbenmaschine ..................................................... 23 1.3.2 Krfte und Momente im Triebwerk ...................................................... 27 1.3.3 Massenausgleich ................................................................................... 34 1.3.4 Ungleichfrmigkeitsgrad und Drehmomentausgleich .......................... 43 1.3.5 bungsaufgaben ................................................................................... 46

1.4 Antriebsstrnge fr Kolbenmaschinen ............................................................... 50 1.4.1 Elektromotoren fr Kolbenmaschinen ................................................. 50 1.4.2 Antriebsformen fr leckfreie Kolbenmaschinen .................................. 51 1.4.3 Getriebe fr Kolbenmaschinen ............................................................. 52 1.4.4 Kupplungen fr Kolbenmaschinenantriebe .......................................... 53 1.4.5 Frequenzumrichter ................................................................................ 53 1.4.6 Auswahl der Motor- und Getriebegren ............................................ 53

2 Oszillierende Verdrngerpumpen .............................................................................. 57 2.1 Einsatzgebiete ..................................................................................................... 58 2.2 Einteilung und Merkmale ................................................................................... 58 2.3 Arbeitsweise ....................................................................................................... 61

2.3.1 Funktion ............................................................................................... 61 2.3.2 Kinematik der Verdrngerbewegung ................................................... 62 2.3.3 Massenstrom und Frderleistung ......................................................... 65 2.3.4 Volumetrischer Wirkungsgrad ............................................................. 65 2.3.5 Kennlinien und Einfluss der Stellgren .............................................. 68 2.3.6 Dosiergenauigkeit ................................................................................. 70 2.3.7 Wirkungsweise und Einfluss der Pumpenventile ................................. 71 2.3.8 Wirkungsweise von Mehrfachpumpen ................................................. 77 2.3.9 Beispiele ............................................................................................... 78

2.4 Technische Ausfhrung oszillierender Pumpenantriebe .................................... 80 2.4.1 Baukonzepte ......................................................................................... 80 2.4.2 Linearantriebe ....................................................................................... 82 2.4.3 Maschinen mit Geradschubkurbeltrieb ................................................. 87 2.4.4 Federnockentriebwerke ........................................................................ 90 2.4.5 Axialkolben-, Kurvenscheiben- und Schrgscheibenantriebe .............. 90

VIII Inhaltsverzeichnis

2.4.6 Steuerkolbenantriebe ............................................................................ 91 2.4.7 Hydraulische Membranpumpen mit hydraulischem Phasenanschnitt ... 92

2.5 Technische Ausfhrungen von Kolbenpumpenkpfen ...................................... 93 2.5.1 Klassische Bauformen .......................................................................... 93 2.5.2 Hochdruckpumpenkpfe ...................................................................... 95 2.5.3 Pumpenkpfe fr die Hygienetechnik .................................................. 96 2.5.4 Pumpen fr die Motorentechnik ........................................................... 97 2.5.5 Mikrodosierpumpen ............................................................................. 99

2.6 Technische Ausfhrungen von Membranpumpenkpfen ................................... 100 2.6.1 Membranpumpen mit mechanischem Membranantrieb ....................... 100 2.6.2 Membranpumpen mit hydraulischem Membranantrieb ........................ 101 2.6.3 Schlauchmembranpumpen .................................................................... 107

2.7 Konstruktive Gestaltung ausgewhlter Baugruppen .......................................... 108 2.7.1 Kolben .................................................................................................. 108 2.7.2 Kolbenabdichtung ................................................................................ 109 2.7.3 Flssigkeitsgesteuerte Ventile .............................................................. 111 2.7.4 Membranen ........................................................................................... 114 2.7.5 Hydraulikventile ................................................................................... 115

2.8 Das Pumpensystem ............................................................................................. 117 2.8.1 Druckverluste ....................................................................................... 117 2.8.2 Saugfhigkeit oszillierender Pumpen ................................................... 118 2.8.3 Schwingungstechnische Betrachtung von Pumpensystemen

mit oszillierenden Verdrngerpumpen ................................................. 122 2.8.4 Pulsationsdmpfung mit Absorptionsdmpfern ................................... 125 2.8.5 Pulsationsdmpfung mit Resonatoren und Blenden ............................. 126 2.8.6 Druckpulsationen in Einspritzsystemen der Motorentechnik ............... 128 2.8.7 Beispiele ............................................................................................... 128

2.9 berwachung und Diagnose ............................................................................... 131 2.10 Stelleingriffe und Regelungen ............................................................................ 134 2.11 Ausgewhlte Rotierende Verdrngerpumpen ..................................................... 135

2.11.1 Gemeinsame Grundlagen ..................................................................... 135 2.11.2 Drehkolbenpumpen .............................................................................. 136 2.11.3 Zahnradpumpen .................................................................................... 137 2.11.4 Flgelzellenpumpen ............................................................................. 138 2.11.5 Peristaltische Schlauchpumpen ............................................................ 139 2.11.6 Exzenterschneckenpumpen .................................................................. 141

2.12 Vergleichende Betrachtungen ............................................................................. 142

3 Kolbenverdichter ......................................................................................................... 147 3.1 Bestandteile, Frderparameter und Einsatzbedingungen .................................... 147 3.2 Funktionsweise ................................................................................................... 150

3.2.1 Vorgnge im Arbeitsraum .................................................................... 150 3.2.2 Vorgnge in der Verdichterstufe .......................................................... 152 3.2.3 Massebilanz und Frderstrom .............................................................. 155 3.2.4 Energiebilanz und Leistungsbedarf ...................................................... 157

3.3 Konzeption und Gestaltung des Verdichters ...................................................... 161 3.3.1 Stufenzahl ............................................................................................. 161 3.3.2 Hauptparameter und Bauform .............................................................. 163 3.3.3 Ausfhrungsbeispiele ........................................................................... 165

Inhaltsverzeichnis IX

3.4 Konstruktion und Berechnung von Baugruppen ................................................ 175 3.4.1 Zylinder und Ventile ............................................................................ 175 3.4.2 Kolben und Dichtelemente ................................................................... 187 3.4.3 Khler, Abscheider und Trockner ........................................................ 194 3.4.4 Pulsationskontrolle im Zwischenstufensystem ..................................... 198

3.5 Betrieb von Kolbenverdichter-Anlagen ............................................................. 200 3.5.1 Frderverhalten .................................................................................... 200 3.5.2 Stelleingriffe und Regelungen .............................................................. 206 3.5.3 berwachung und Diagnose ................................................................ 212

3.6 Drehkolbenverdichter ......................................................................................... 216 3.6.1 Einteilung, Eigenschaften und Grundbegriffe ...................................... 216 3.6.2 Zellenverdichter .................................................................................... 218 3.6.3 Scrollverdichter .................................................................................... 219 3.6.4 Rootsgeblse ......................................................................................... 220 3.6.5 Schraubenverdichter ............................................................................. 223

4 Brennkraftmaschinen .................................................................................................. 231 4.1 Mechanische Bauteile ......................................................................................... 231

4.1.1 Kurbeltrieb ........................................................................................... 231 4.1.2 Kurbelgehuse, Zylinder ...................................................................... 239 4.1.3 Zylinderkopf und Ventiltrieb ................................................................ 240 4.1.4 bungsaufgaben ................................................................................... 247

4.2 Kraftstoffe des Verbrennungsmotors ................................................................. 248 4.2.1 Herkunft und Herstellungsprozess ....................................................... 248 4.2.2 Der chemische Aufbau der Kraftstoffe ................................................. 250 4.2.3 Physikalisch-chemische Eigenschaften der Kraftstoffe ........................ 252 4.2.4 Normtabellen der Kraftstoffkennwerte ................................................. 262 4.2.5 Kraftstoffadditive [4.2-1] ..................................................................... 262 4.2.6 Stchiometrischer Luftbedarf, Lambda und Gemischheizwert ............ 264 4.2.7 Die Rubildungsneigung von Kraftstoffen .......................................... 266 4.2.8 Die laminare Brenngeschwindigkeit und die Zndgrenzen ................. 267 4.2.9 Der Gemischheizwert ........................................................................... 267 4.2.10 Alternative Kraftstoffe ......................................................................... 269 4.2.11 bungsaufgaben ................................................................................... 282

4.3 Thermodynamik des Verbrennungsmotors ........................................................ 285 4.3.1 Einfhrung ............................................................................................ 285 4.3.2 Geschlossene Kreisprozesse ................................................................. 285 4.3.3 Offene Vergleichsprozesse das Modell

des Vollkommenen Motors ............................................................... 296 4.3.4 Korrektur der Verbrennungsberechnung und

Auswirkung der Dissoziation ............................................................... 309 4.3.5 Der reale Motorprozess (Verlustteilung) .............................................. 311 4.3.6 Der Wrmestrom im Verbrennungsmotor ............................................ 318 4.3.7 Energiebilanz und -umwandlung .......................................................... 330

4.4 Motor- und Betriebskenngren ........................................................................ 334 4.4.1 Hubvolumen und Verdichtungsverhltnis ............................................ 334 4.4.2 Die mittlere Kolbengeschwindigkeit .................................................... 336 4.4.3 Effektive Leistung und Drehmoment ................................................... 337 4.4.4 Innere Leistung und Mitteldruck .......................................................... 338

X Inhaltsverzeichnis

4.4.5 Wirkungsgrade und Kraftstoffverbrauch .............................................. 341 4.4.6 Die Zylinderfllung Kenngren des Ladungswechsels ................... 342 4.4.7 Die Motorenkennfelder ........................................................................ 346

4.5 Ladungswechsel ................................................................................................. 352 4.5.1 Allgemeines .......................................................................................... 352 4.5.2 4-Takt-Hubkolbenmotor ....................................................................... 353 4.5.3 2-Takt-Hubkolbenmotor ....................................................................... 368 4.5.4 bungsaufgaben ................................................................................... 373

4.6 Der Prozessverlauf im Ottomotor ....................................................................... 375 4.6.1 Grundlagen der Gemischbildung .......................................................... 376 4.6.2 Gemischbildungsverfahren ................................................................... 379 4.6.3 Zndung ................................................................................................ 398 4.6.4 Verbrennung ......................................................................................... 404

4.7 Dieselmotor ........................................................................................................ 416 4.7.1 Grundlagen ........................................................................................... 416 4.7.2 Einspritzverfahren ................................................................................ 418 4.7.3 Einspritzsysteme ................................................................................... 421 4.7.4 Strahlausbreitung und Gemischbildung ................................................ 431 4.7.5 Zndung und Verbrennung .................................................................. 433 4.7.6 Schadstoffentstehung ............................................................................ 439 4.7.7 bungsaufgaben ................................................................................... 443

4.8 Entwicklungsschwerpunkte ................................................................................ 445 4.8.1 Variabler Ventiltrieb (VVT) ................................................................. 445 4.8.2 Benzin-Direkteinspritzung (BDE) ........................................................ 452

4.8.2.1 Direkteinspritzung mit homogenem Gemisch ...................... 454 4.8.2.2 Direkteinspritzung mit geschichtetem Gemisch ................... 456 4.8.2.3 Serienkonzepte ..................................................................... 465

4.8.3 Aufladung ............................................................................................. 471 4.8.3.1 Mechanische Aufladung ....................................................... 472 4.8.3.2 Abgasturboaufladung ........................................................... 476

4.8.4 Downsizing und Downspeeding ........................................................... 479 4.8.4.1 Downsizing .......................................................................... 480 4.8.4.2 Downspeeding ...................................................................... 482

4.8.5 Moderne Konzepte bei Dieselmotoren ................................................. 484 4.8.5.1 Mehrfacheinspritzung und Einspritzverlaufsformung .......... 486 4.8.5.2 Piezo-Injektor und variable Einspritzdsen ......................... 488

4.8.6 Homogeneous Charged Compression Ignition (HCCI) ........................ 489 4.8.7 bungsfragen ....................................................................................... 493

4.9 Sonderverfahren ................................................................................................. 495 4.9.1 Wankelmotor ........................................................................................ 495 4.9.2 Stirling-Motor ....................................................................................... 498 4.9.3 Dampfmotor ......................................................................................... 501 4.9.4 Gasmotor .............................................................................................. 502 4.9.5 Wasserstoffantrieb ................................................................................ 508 4.9.6 Atkinson-Zyklus und Miller-Verfahren ................................................ 513

Anhang: Stoffwerte zur Thermodynamik ...................................................................... 516

Sachwortverzeichnis .......................................................................................................... 523

1

1 Gemeinsame Grundlagen der Kolbenmaschinen

1.1 Wirkungsweise, Bauarten und Grundbegriffe

1.1.1 Das volumetrische Prinzip der Energiebertragung Die Gewinnung mechanischer Arbeit aus der Arbeitsfhigkeit von Fluiden fr Antriebe aller Art mit Kraftmaschinen und die Frderung von Fluiden durch Zufuhr mechanischer Arbeit in Arbeitsmaschinen gehren zu den Grundbedrfnissen des Menschen. Kraft- und Arbeitsmaschinen werden gemeinsam als Fluidenergiemaschinen bezeichnet. Das in der Maschine durchgesetzte Fluid (Arbeitsstoff) kann eine Flssigkeit oder ein Gas sein, evtl. auch innerhalb der Maschine seinen Aggregatzustand ndern. Hydraulische Maschinen haben als Arbeitsstoff eine Flssigkeit. Ein gasfrmiger Arbeitsstoff ndert bei der Arbeits-bertragung seine Temperatur. Man spricht deshalb von thermischen Maschinen. Die bertragung mechanischer Arbeit von einem oder auf ein Fluid erfordert die Kraftwirkung zwischen einem bewegten Maschinenteil und dem Fluid. Die zugefhrte Maschinenleistung betrgt

MP F c M Z G G GG , (1.1)

wobei ,F MG G

die auf das Fluid wirkende Kraft bzw. Moment und ,c ZGG die Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit des Maschinenteils sind. Im Idealfall ist der Vorgang umkehrbar und die zugefhrte Fluidleistung (nderung der Ar-beitsfhigkeit einer Fluidmasse in der Zeiteinheit) gleich der Maschinenleistung

F MP m Y P , (1.2)

wobei m der Fluidmassestrom (Durchsatz) durch die Maschine und Y die nderung der mas-sespezifischen Arbeitsfhigkeit des Fluids bei dessen Zustandsnderung in der Maschine sind. Die Arbeitsfhigkeit eines Fluids beruht auf Druck-, Temperatur-, Hhen- und Geschwindig-keitsdifferenzen gegenber einem Bezugszustand (meist dem Umgebungszustand) und wird durch seinen thermodynamischen Gesamtzustand bestimmt. Fr Flssigkeiten ist die Arbeits-fhigkeit gleich der Bernoulli-Konstanten. Bei Gasen ist die Exergie ein Ma fr die Arbeits-fhigkeit. In Verbrennungsmotoren, die nicht nur eine Zustandsnderung, sondern einen kom-pletten Kreisprozess realisieren, ergibt sich Y als spezifische Kreisprozessarbeit, die ber den thermischen Wirkungsgrad mit der im Brennstoff zugefhrten latenten Wrme zusammen-hngt. Massestrom m bzw. Volumenstrom V und spezifische Arbeit Y sind zusammen mit der Ar-beitsfrequenz bzw. Drehzahl n die wichtigsten Parameter einer Fluidenergiemaschine. Fluidenergiemaschinen realisieren die Arbeitsbertragung entweder nach dem volumetrischen Prinzip (Kolbenmaschinen) oder dem Strmungsprinzip (Turbomaschinen).

2 1 Gemeinsame Grundlagen der Kolbenmaschinen

Bild 1-1 Energiebertragung in Kolben- und Turbomaschinen

Beide Prinzipien sind sehr alt, haben Vor- und Nachteile. Sie werden deshalb heute und zu-knftig parallel angewendet. Die nachstehende Tabelle fasst die wichtigsten Merkmale beider Prinzipien zusammen.

Tabelle 1.1 Vergleich der Energiebertragungsprinzipien

Volumetrisches Prinzip (Kolbenmaschine)

Strmungsprinzip (Turbomaschine)

In einem abgeschlossenen Arbeitsraum ist der Druck und damit die Kraft auf den begrenzen-den Verdrnger nur von dessen Lage und nicht von dessen Geschwindigkeit abhngig.

Statische Arbeitsbertragung

In einem beidseitig offenen koaxialen Schaufel-gitter ist die Druckverteilung und damit das Dreh-moment auf den Rotor von dessen Winkelge-schwindigkeit abhngig.

dynamische Arbeitsbertragung

Die Arbeitsbertragung erfolgt periodisch Die Arbeitsbertragung erfolgt konstant

Groe Druckdifferenzen und hohe spezifische Energiebertragungen sind auch bei kleinen und langsam drehenden Maschinen mglich.

Groe Druckdifferenzen und hohe spezifische Energiebertragungen erfordern groe und/oder schnell drehende Maschinen.

Der Durchsatz ist von der Gre des Arbeits- raumes und der Arbeitsfrequenz abhngig. Da letztere relativ eng begrenzt ist, steigt der Bau-aufwand stark mit dem Durchsatz.

Der Durchsatz ist von den Abmessungen und den Geschwindigkeiten abhngig.

Da die zulssigen Geschwindigkeiten relativ hoch liegen, steigt der Bauaufwand weniger schnell.

Wird das volumetrische Prinzip der Energiebertragung mit einem Verdrnger (Kolben) reali-siert, der sich geradlinig bewegt, so spricht man von Hubkolbenmaschinen. Die Verdrngung kann insbesondere bei Arbeitsmaschinen auch durch eine schwingende Membran erfolgen. Hubkolben- und Membranmaschinen bilden gemeinsam die Gruppe der oszillierenden Verdrngermaschinen.

M,

V

F,c

F = A*p

r

M = A*r*p

A

A

p = f() p = f(V)

p p

1.1 Wirkungsweise, Bauarten und Grundbegriffe 3

Daneben gibt es eine sehr vielfltige Gruppe von Maschinen mit rotierenden oder umlaufenden Verdrngern (Rotoren oder Drehkolben), die als Drehkolbenmaschinen bezeichnet werden. Aus den unterschiedlichen Eigenschaften von Kolben- und Turbomaschinen ergeben sich prak-tische Konsequenzen fr ihren Einsatz: Als Kraftmaschinen zum Antrieb von Straen- Schienen- und Wasserfahrzeugen, bei denen keine extremen Anforderungen an Leistung und Leichtbau gestellt werden, sind fast aus-schlielich Verbrennungsmotoren im Einsatz, whrend mittlere und groe Flugzeuge Strahl-triebwerke mit hoher Leistungsdichte erfordern. In Grokraftwerken werden ausschlielich Turbomaschinen als Dampf-, Gas- oder Wasserturbinen eingesetzt. Kleinere Blockkraftwerke werden auch mit Verbrennungsmotoren ausgefhrt, die sich durch hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnen. Welches Energiebertragungsprinzip bei der Frderung von Flssigkeiten und Gasen zu be-vorzugen ist, hngt von der spezifischen Arbeitsbertragung, dem Durchsatz und der Drehzahl der Maschine ab. Nach [1-1] werden diese Gren zu einer dimensionslosen Kennzahl der allgemeinen spezifischen Drehzahl qn verbunden (Gl. (1.3)).

1 2

3 4qVn nY

(1.3)

Den Pumpen- und Verdichterbauformen mit verschiedenen Energiebertragungsprinzipien knnen erfahrungsgem Wertebereiche dieser Kennzahl zugeordnet werden (Bild 1-2).

Bild 1-2 Arbeitsgebiete der Bauarten von Pumpen und Verdichtern in Abhngigkeit von der allgemeinen spezifischen Kennzahl nach BLAHA [1-1] 1 Hubkolben-, 2 Radialkolben-, 3 Zahnrad-, 4 Zellen-, 5 Axialkolben-, 6 Schrauben-, 7 Exzen-terschnecken-Pumpen, 8 radiale, 9 diagonale,10 radiale Kreiselpumpen, 11 Kolbenverdichter, 12 Schraubenverdichter, 13 radiale, 14 axiale Turboverdichter

4 1 Gemeinsame Grundlagen der Kolbenmaschinen

Aus dem Bild erkennt man, dass Hubkolbenmaschinen fr kleine spezifische Drehzahlen und groe Frderarbeiten (entspricht groen Druckerhhungen) eingesetzt werden. Das Einsatzge-biet der Drehkolbenmaschinen liegt zwischen dem der Hubkolben- und dem der Turbomaschi-nen. Dem Bild ist auch zu entnehmen, dass die spezifische Arbeitsbertragung in Verdichtern um ein bis zwei Grenordnungen hher liegt, was auf die geringere Dichte bei Druckdiffe-renzen der gleichen Grenordnung zurckzufhren ist.

1.1.2 Bauarten und ihre historische Entwicklung Kolbenpumpen waren die ersten Kolbenmaschinen. Die Erfindung einer Feuerlschpumpe von Atsebius in Alexandrien geht auf das Jahr 2200 v. d. Z. zurck. Mit der Entwicklung der Strmungsmaschinen wurde die Kolbenpumpe, die vor allem fr hohe Drucksteigerungen gnstig ist, aus dem Gebiet groer Frderstrme durch die Kreiselpumpen verdrngt. Fr mitt-lere und hohe Drcke (im Extremfall bis 2000 MPa) sind Kolbenpumpen fr die Volkswirt-schaft unentbehrlich, so z. B. als Prozess- und Dosierpumpen in der chemischen Industrie oder als Press- und Hydraulikpumpen in den verschiedensten Industriezweigen.

a) b)

Bild 1-3 lteste Pumpen und Verdichter: a) Feuerlschpumpe; b) Blasebalg

Kolbenverdichter sind wichtige Ausrstungskomponenten in vielen Wirtschaftszweigen. Nach dem bereits im frhen Mittelalter beim Metallschmelzen eingesetzten Blasebalg war die Luftpumpe von Otto von Guericke zur Vakuumerzeugung (1641) ein wichtiger Schritt in der Verdichterentwicklung. Im Zusammenhang mit der Dampfmaschinenentwicklung machte auch der Kolbenverdichterbau Fortschritte. Mehrstufige Verdichter fr hhere Drcke wurden Ende des 19. Jahrhunderts fr die Gewinnung und Verflssigung technischer Gase bentigt. Die Ver-fahrensentwicklung der chemischen Industrie erforderte Verdichter mit immer hheren Frder-strmen und Enddrcken. Hauptanwendungsgebiet fr Kolbenverdichter ist die stoffumwandelnde Industrie, wo der Einsatz als Prozessverdichter z. B. in Erdlverarbeitungswerken oder bei Syntheseverfahren erfolgt. Es wird eine hohe Verfgbarkeit der Maschinen gefordert, da mit Ausfall des Prozess-

1.1 Wirkungsweise, Bauarten und Grundbegriffe 5

verdichters die Produktion zum Erliegen kommt. Weitere Anwendungen ergeben sich als Gas-verdichter in Gastrennanlagen, als Drucklufterzeuger fr Mechanisierungsmittel und fr mess- und regelungstechnische Anlagen, fr lufttechnische Anlagen und pneumatischen Transport. Kltemittelverdichter haben einen breiten Einsatz in der gesamten Klte- und Klimatechnik. In der Druckluft- und Kltetechnik ist ein zunehmender Einsatz von Umlaufkolbenverdichtern insbesondere von Schraubenverdichtern zu erkennen. Die Dampfmaschine wurde als erste unabhngig von Orts- und Wetterbedingungen zu betrei-bende Kraftmaschine entwickelt (James Watt, 1765 erste Volldruckmaschine). Diese Kolben-maschine beeinflusste entscheidend die technische Entwicklung des 19. Jahrhunderts. Zur industriellen Energieerzeugung, zum Antrieb ortsfester Arbeitsmaschinen sowie als Fahrzeug-antrieb (Lokomotiven, Schiffe) war die Dampfmaschine auch in der ersten Hlfte des 20. Jahr-hunderts unentbehrlich. Mit der verstrkten Elektroenergie-Erzeugung wurde sie weitgehend durch Turbinen in Grokraftwerken und elektromotorische Antriebe ersetzt.

Bild 1-4 Wattsche Dampfmaschine (1787) 1 Zudampfleitung, 2 Zylinder mit Dampfmantel, 3 Kondensator, 4 Kondensat-Luftpumpe, 5 Kesselspeisepumpe, 6 Einlassventile, 7 Auslassventile, 8 Fliehkraftregler, 9 Drosselschieber, 10 Balancier, 11 Lenkerfhrung, 12 Planetenradgetriebe

In Gaszerlegungs- und Verflssigungsanlagen werden auch heute noch den Dampfmaschinen hnliche Expansionsmaschinen zur Arbeit leistenden Entspannung des verdichteten Gases eingesetzt, wobei eine hohe Temperaturabsenkung und nicht die abgegebene Leistung im Vor-dergrund steht. Die potentielle Energie von Flssigkeiten oder Gasen, die unter einem hohen Druck stehen, wird ber Hydraulik- bzw. Pneumatikmotoren zum Antrieb von Werkzeugen und Mechani-sierungsmitteln verwendet. Mit dem Verbrennungsmotor gelang es erstmalig, die latente Energie des Kraftstoffes im abgeschlossenen Arbeitsraum der Hubkolbenmaschine in Wrmeenergie umzuwandeln und unmittelbar als mechanische Arbeit an den Kolben abzugeben (Nikolaus Otto, 1876 erster

6 1 Gemeinsame Grundlagen der Kolbenmaschinen

Viertaktmotor mit Kompression; Rudolf Diesel, 1897 erster Verbrennungsmotor mit Kraft-stoffeinspritzung). Durch die wachsende Bereitstellung von flssigen und gasfrmigen Kraft-stoffen wurde der Einsatz der Verbrennungsmotoren gefrdert. Ihre Verwendung erfolgt vor allem zum Antrieb von Straen- und Schienenfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, Landmaschi-nen sowie von Arbeitsmaschinen, z. B. Pumpen, Verdichtern und Elektroenergieerzeugern. Das Arbeitsmittel Luft wird beim Verbrennungsprozess der Umwelt entnommen und verndert wieder zugefhrt. Die umweltschdlichen Einflsse der Abgase von Verbrennungsmotoren werden durch intensive Forschung zur besseren Kontrolle des Verbrennungsvorganges so ge-ring wie mglich gehalten.

a) b)

Bild 1-5 Erste Verbrennungsmotoren: a) Lenoir-Motor; b) Atmosphrischer Otto-Gasmotor

1.1.3 Aufbau und Kenngren von Hubkolbenmaschinen In Hubkolbenmaschinen bewegt sich der der zylindrische Verdrnger 2 (Kolben) oszillierend in einem zylindrischen Gehuse (Zylinder) zwischen zwei Endlagen, die auch als Totlagen bezeichnet werden. Zur Energiebertragung zwischen dem oszillierenden Kolben und der rotierenden Welle, an der die Maschine die mechanische Arbeit aufnimmt bzw. abgibt, dient das Triebwerk (hier bestehend aus Kolbenstange 3, Kreuzkopf 4, Schubstange 5 und Kurbel 6).