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Rotationskolbenmotor

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Ein Rotationskolbenmotor ist eine Wärmekraftmaschine, bei der die Teile, die mechanische Arbeit verrichten, im Gegensatz zu den Hubkolbenmotoren eine periodische Drehbewegung ausführen. Der Energieumwandlungsprozess kann dabei über unterschiedliche Taktfolgen ablaufen. Diese verschiedenen Takte (befüllen, ausblasen usw.) finden während der Drehbewegung(en) statt.

Genau wie Hubkolbenmotoren können auch Rotationskolbenmotoren auf vielfältige Art realisiert werden. Außerdem lassen sich die Maschinen oft durch lediglich geringe Veränderungen für unterschiedliche Arbeitsprozesse, Arbeitsmedien und Treibstoffe optimieren. Deshalb finden sich unter den Rotationskolbenmaschinen so unterschiedliche Konzepte wie Zweitakt- und Viertaktmotoren, Gas-, Alkohol- sowie Benzin- und Dieselmotoren, Heißgasmotoren (Stirling), doppelt- und vierfachwirkende Motoren sowie diverse Sonderbauformen, die teilweise verschiedenste Konstruktionsmerkmale vereinigen (hydrodynamische Motoren usw.)

Inhaltsverzeichnis

Prinzipielle Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Einfachheit: Potentiell weniger bewegte Teile als im Hubkolbenmotor, dadurch einfachere, robustere Bauweise. Zudem entfällt im Gegensatz zum Hubkolbenmotor im Allgemeinen die Kraftübertragung mittels Kurbelwelle.
  • Höhere Laufruhe: Viele Rotationkolbenmotoren sind vollständig auswuchtbar, was wesentlich geringere Vibrationen als im Hubkolbenmotor zur Folge hat.
  • Höhere Leistung: Aufgrund der Bauart und der Arbeitsprinzipien vieler Rotationskolbenmotoren ergibt sich eine bis zu 300% höhere Leistung bei vergleichbarem Hubraum bzw. Ansaugvolumen.
  • Niedrigeres Leistungsgewicht: Da viele Rotationskolbenmotoren sehr kompakt und mit wenigen Teilen zu bauen sind, reduziert sich das Leistungsgewicht auf einen Bruchteil dessen von Hubkolbenmotoren.
  • Größere Variabilität: Bei Rotationskolbenmotoren sind mehr Bauformen als beim Hubkolbenmotor möglich. Während dort die Kolben- und Brennraumform nur in relativ engen Grenzen verändert werden kann, ist dies bei Rotationskolbenmaschinen nicht der Fall. Die Kolbenform beispielsweise kann bei Rotationkolbenmaschinen als Bogendreieck (Wankelmotor), als verschiedengestaltige Rosette, in Sternform (drei-, vier-, fünfzackig, mit schmalen oder breiten Zacken), turbinenartig, mit Innenkugel usw. realisiert werden.

Nachteile

  • Höherer Verbrauch: Der Hauptnachteil eines Rotationskolbenmotors ist sein im Vergleich zum Hubkolbenmotor ungünstiger geformter Brennraum, da die Zylinder bzw. die Kolben des Hubkolbenmotors ein optimales Verhältnis von Oberfläche zu Volumen haben (Kreis). Das Resultat ist ein bis zu 20% höherer Verbrauch. Jedoch wurden seit Mitte der 1990er Jahre verbesserte Konzepte vorgestellt, die dieses Problem reduzieren sollen.
  • Oftmals müssen aufgrund der Bauform sehr spezielle Teile gefertigt werden, was die Herstellungskosten erhöht. Auch sind diese Teile u. U. selbst kompliziert herzustellen, wodurch sich die Kosten und der Aufwand für die Fertigung eines Rotationskolbenmotors weiter erhöhen.
  • Schwierige Schmierung. Schmieröle und -fette sollen in der Regel nicht in gewisse Bereiche des Motors eindringen, damit der Arbeitsprozess nicht negativ beeinflusst wird. Dies lässt sich jedoch meist gar nicht oder nicht vollständig verhindern, oder es ist mit großem Aufwand verbunden. Beschichtungen aus Teflon, Keramik oder Graphit bieten hier u. U. eine Alternative, jedoch sind diese teilweise teurer als herkömmliche Schmierung und aufwändiger in der Herstellung und Wartung.

Bauweisen

Zwei wichtige Beispiele von Rotationskolbenmotoren sind der Wankelmotor und der Kugelkolbenmotor. Die weitere Einteilung erfolgt nach kinematischen Gesichtspunkten: Der Wankelmotor existiert in folgenden zwei kinematischen Bauformen:

Drehkolbenmotor

Alle bewegenden Teile drehen sich um einen festen Punkt (üblicherweise um den eigenen Schwerpunkt). Obwohl eine Vielzahl von Patenten für Drehkolbenmotoren existieren, erwies sich bisher keiner davon als konkurrenzfähig oder praxistauglich.

Kreiskolbenmotor

Bei dieser Ausführung drehen sich alle Teile, die Arbeit verrichten, auf einer Kreisbahn. Auch hier gibt es eine Fülle von Patenten, die bis auf den Wankelmotor nicht realisiert wurden. Einzige Ausnahme (und damit der einzige serienreife Rotationskolbenmotor überhaupt!) ist also der Wankelmotor. In der Auslegung als Kreiskolben-Wankel stellt er die kinematische Umkehr zum Drehkolben-Wankel dar. Bei ihm drehen sich nicht mehr Läufer und Hüllfigur (Trochoide), sondern nur noch der Läufer. Die Hüllfigur ist als Gehäuse zur Außenwelt fixiert. Es muss hier noch erwähnt werden, dass der Läufer sich nun nicht mehr auf einer Kreisbahn um seinen eigenen Schwerpunkt dreht, sondern dass er exzentrisch innerhalb der Hüllfigur um die Exzenterwelle "kreist".

Der Kugelkolbenmotor kommt ebenfalls in zwei kinematischen Versionen vor:

Umlaufkolbenmaschine

Taumelkolbenmotor

Schwenkkolbenmotor

Mindestens drei, an die Form eines Herzens erinnernde Drehkolben sind (im Dreieck bei drei Kolben) so drehbar angeordnet, dass jeweils die Spitze des "Herzens" an der Seitenfläche des benachbarten entlangleitet. Im Punkt der höchsten Verdichtung zeigen die Spitzen der Drehkolben fast in die Mitte des durch die Lagerpunkte gebildenden Dreiecks. Der Bennraum hat jetzt auch die Form eines Dreiecks. Beim Entspannen gleiten nun die Spitzen der Drehkolben an der Seitenfläche des benachbarten Kolben, welcher durch eine geeignete Vorrichtung synchronisiert ist, entlang und vollzieht dabei eine Drehbewegung. Nach etwa 60 bis 70° verliert der Kolben den Kontakt zur benachbarten Kolbenseite, und der Brennraum ist frei für den Gasaustausch. Die Drehbewegung wird fortgesetzt, so dass auf der gegenüberliegenden Kolbenseite sich wieder ein geschlossener Raum bildet, in dem eine Kompression bis zum zweiten Totpunkt erfolgen kann. Die Funktionsweise ist natürlich wie bei vielen Motoren auch als Pumpe realisierbar.

Literatur

  • Martin Werdich: Stirling-Maschinen. Grundlagen - Technik - Anwendung, Ökobuch-Verlag, ISBN 3922964966 (überarb. u. erw. Aufl. Juni 2003) - ausführliche Beschreibung von Heißgasmotoren mit gesondertem Kapitel zu Rotationskolben-Stirlingmotoren

Weblinks

Wikipedia
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