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Motor

Motor

Ein Motor (von lat. movēre, mōvī, mōtum: bewegen) ist eine Kraftmaschine, die zum Bewegen und Antreiben von mechanischen Geräten Verwendung findet. Er wandelt Energieformen wie thermische oder elektrische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit um. Die Kenndaten bzw. Spezifikation von Motoren sollten mindestens die Leistung (Eingangs- oder Ausgangsleistung) und den Wirkungsgrad beinhalten. Darüberhinaus sind die maximale Drehzahl und die Drehzahl für maximales Drehmoment geeignete Kenngrößen, beim Elektromotor außerdem noch Nennspannung und Nennstrom. Seit der Erfindung der Automobile werden aufgrund der hohen Energie-Speicherdichte der Kraftstoffe zumeist Verbrennungsmotoren eingesetzt, die fossile Brennstoffenergie in stetig wiederholten thermodynamischen Zyklen (Kreisprozessen) erst in Wärmeenergie und dann in mechanische Energie umwandeln. Hierbei wird unterschieden zwischen Hubkolbenmotoren (Otto- oder Dieselprozess) und Kreiskolbenmotoren (Wankelmotor). Heute übernehmen in den Automobilen eigene Motorsteuerungen die Regelung der Verbrennungsvorgänge. Für die Zukunft rechnet man mit einem Wechsel der Energiequelle mobiler Motoren, um vor allen Dingen die Emissionswerte weiter zu reduzieren. Voraussetzung hierfür sind wiederum praktikable Verhältnisse von mitführbaren Energie-Mengen und ihren gespeicherten Gewichten. Alternativen stellen hier zum Beispiel Elektromotoren, Hybridantriebe oder Wasserstoffantriebe dar. In allen Größen, von Spielzeugen bis Industrieanlagen, finden Elektromotoren für Gleichstrom und Wechselstrom Verwendung (elektrische Maschinen). Viele Elektromotoren - speziell solche mit Permanentmagneten - können auch als Generatoren arbeiten, wenn sie mechanisch angetrieben werden. Für Generatoren, Elektromotoren sowie Transformatoren im Kilo- und Mega-Watt-Bereich wird verstärkt an der Anwendungsreife von Supraleitern geforscht. Magnetschwebebahnen sind eine bekannte Anwendung der Linearmotoren.

Weitere Arten

- Dampfmaschine
- Elektromotor
- Zyklische Verbrennungskraftmaschine
- Ottomotor
- Dieselmotor
- Kreiskolbenmotor (Wankelmotor)
- Kugelkolbenmotor
- Glühkopfmotor
- Kontinuierliche Verbrennungskraftmaschine
- Raketentriebwerk
- Strahltriebwerk
- Staustrahltriebwerk
- Kolbenmaschine mit externer Verbrennung
- Stirlingmotor
- Vakuummotor
- Freikolbenmotor
- Druckluftmotor
- Hydraulikmotor
- Nanomotor
- Wasserkraftmaschine

Anwendung

Kraftfahrzeug, Schiffsmotor, Kategorie:Antriebsart !Motor siehe auch: Energie ja:モーター

Kraftmaschine

Kraftmaschinen sind Maschinen, die eine Energieform wie thermische oder elektrische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit umwandeln. Sie werden vor allem zum Antrieb von Arbeitsmaschinen oder Fahrzeugen verwendet. Viele Kraftmaschinen können daher auch als Motor (von lat. movēre, mōvī, mōtum: bewegen) bezeichnet werden. Man unterscheidet nach der verwendeten Energiequelle in
- Wärmekraftmaschinen
- Wasserkraftmaschinen
- Elektromotoren, elektrische Maschinen ja:モーター !Kraftmaschine Kategorie:Ingenieurwissenschaft

Energie

Energie ist eine physikalische Zustandsgröße. Üblicherweise wird für die Energie das Formelzeichen E verwendet. Die Energie E eines Systems lässt sich selbst nicht messen, sie wird berechnet oder über die durch sie verrichtete Arbeit bestimmt. Der Begriff wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich aus dem Griechischen ab: εν = in, innen und εργον = Werk, Wirken. Energie bedeutet ganz allgemein also eine den in der Physik betrachteten Objekten innewohnende Wirksamkeit. Zuvorderst wird sie als etwas verstanden, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Energie ist danach die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Vor 1852 wurde für Energie der Begriff Kraft, in Deutschland auch "lebendige Kraft", benutzt. Der neuerdings an Stelle von Wärmeenergie benutzte Begriff innere Energie ist ebenso pleonastisch gebildet wie etwa nasser Regen oder weißer Schimmel; philologisch korrekt müsste hier von innerer Energie gesprochen werden.

Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu 4 Gruppen zusammengefasst sind. Da diese Einteilung willkürlich ist, gibt es Sammelbegriffe für Energieformen, die spezielle Energieformen aus unterschiedlichen Gruppen kombinieren. Energie ist, unabhängig von der Energieform, eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Systems, eine so genannte Zustandsgröße.

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden. Die beiden Begriffe werden über die klassische Mechanik und die Quantenmechanik hinaus in fast allen Bereichen der Physik verwendet.
- Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Systems gegenüber eines anderen Systems und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
- Potentielle Energie wird auch als Lageenergie bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Systems, die es durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde.
- Schwingungsenergie: Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab. Über die Mechanik hinaus sind Schwingungen allgemein durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert.
- Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformationsenergie.
- Schallenergie: Beim Schall schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Kompression einer Flüssigkeit oder eines Gases im Takt der Frequenz zwischen der potenziellen Energie der Auslenkung aus ihrer Ruhelage und der kinetischen Energie beim Durchgang durch diese Ruhelage. Der Begriff akustische Energie bezieht sich auf alle akustische (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) Schwingungen.
- Wellenenergie ist ein Sammelbegriff, der nicht nur auf die akustischen Wellen zutrifft, sondern auf alle räumlich ausgebreiteten Schwingungsphänomene wie z. B. Wasserwellen und elektromagnetische Wellen. Weder Schwingungs-, noch Schall- noch Wellen-Energie sind eigene Energien als Zustandsgrössen, denn Schwingung, Schall und Welle beschreiben in der Zeit ablaufende Vorgänge, also keine Zustände. In den Erläuterungen werden auch richtig die Energien (potentielle und kinetische) genannt, die als mechanische Energien alleine bei diesen Vorgängen wesentlich sind. Elastische Energie ist die potentielle Energie in der Ruhelage. Wird ein Körper aus der Ruhelage verschoben, so ergibt sich eine potentielle Energieänderung, die durch die Verschiebung bewirkt wird und die in die Energiebilanz gehört. Solche unscharfen Erläuterungen zu Energien erschweren ihre sorgfältigen Definitionen.

Thermische und innere Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als Wärmeenergie, Wärmeinhalt oder Wärmemenge bezeichnet. Die Erscheinungsformen der thermischen Energie werden durch die Thermodynamik beschrieben. Ein anschauliches Beispiel für die komplexen Abhängigkeiten der dabei zu beobachtenden physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von Wasserdampf aus Wasser durch Zufuhr von thermischer Energie. Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie (philologisch korrekt eigentlich innere Ergie; vgl. Einleitung des Artikels Energie).

Elektrische und magnetische Energie

- Elektrische Energie ist als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen gespeichert.
- Magnetische Energie ist im magnetischen Feld enthalten.
- Elektromagnetische Schwingungsenergie: Durch Induktion wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie. Dies findet in elektrischen Schwingkreisen statt, aber auch im Raum, in dem sich das elektromagnetische Feld ausbreitet. Dann spricht man von elektromagnetischer Strahlungsenergie oder Photonenenergie und speziell für den sichtbaren Frequenzbereich von Lichtenergie.

Bindungsenergie

- Chemische Energie: Energie, welche in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden.
- Kernenergie: Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei einer Kernreaktion in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Materie

Masse und Energie sind äquivalent (Albert Einstein). :

E = m \cdot c^2

Dies wird z. B. bei der Kernspaltung und der Kernfusion ausgenutzt. Außer bei Experimenten in der Elementarteilchenphysik und manchen Kapiteln der Astrophysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit. In einigen Bereichen der Physik rechnet man in natürlichen Einheiten (

c\equiv 1, \hbar\equiv 1

), sowohl für Energie als auch für Masse benutzt man die Einheit Elektronenvolt.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

Energie kann in physikalischen Vorgängen weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Auch die Theorie unterstützt diese Überzeugung: In abgeschlossenen Systemen ist Energie eine Erhaltungsgröße. In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie, einer thermodynamischen Zustandsgröße mit dem gleichen Stellenwert wie die Energie. Durch eine am System verrichtete Arbeit wird die Energie des Systems erhöht. Verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage- oder Beschleunigungsänderung. Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform (→ Arbeit). Eine Energieerzeugung ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet. Weiterhin ist es nicht möglich, die Energieformen beliebig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt. Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung von Licht und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischen Widerstand und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in einem Elektromotor in kinetische Energie. Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie verwandelt oder in Verbrennungsmotoren (als Kraftstoff) in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Abwärme umgewandelt. Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt. In Elektrizitätswerken wird elektrischer Strom erzeugt. Entweder wird dabei vorhandene potentielle Energie (Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (Laufkraftwerk, Windenergieanlage) über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme Energie zu gewinnen. Beispiele dafür sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernkraft oder auch Müll betrieben werden. Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie verwandelt.

Energieversorgung und -verbrauch

Mit Energieversorgung und -verbrauch(
- ) wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten Energieformen sind Wärmeenergie und Elektrizität. Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche Heizung, Nahrungszubereitung und den Betrieb von Einrichtungen und Maschinen zur Lebenserleichterung. Hierbei ist das Thema Fortbewegung und der Verbrauch z. B. fossiler Energieträger in Fahrzeugen nicht unerheblich. Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z. B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u. a.). Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z. B. in der dritten Welt. In industriell hoch entwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahrhundert Unternehmen mit der Erzeugung und Bereitstellung von Energie für den allgemeinen Verbrauch beschäftigt. Hierbei steht die zentrale Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Übertragung an die einzelnen Verbraucher im Vordergrund. Weiterhin ist die Beschaffung, der Transport und die Verwandlung von Brennmaterial zu Heizzwecken ein wichtiger Wirtschaftszweig. Ca. 40 Prozent des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20 Prozent elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19 Prozent, die Klimatechnik mit 16 Prozent und die Informationstechnik mit 14 Prozent am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt. (
- ) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. (Energieerhaltungssatz)

Energieträger

Hauptartikel: Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energieträger

- Kohle (Steinkohle, Braunkohle)
- Torf
- Erdöl
- Ölsande/Ölschiefer
- Erdgas
- Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden) (alles chemische Energie)

Kernbrennstoffe

- Uran (Kernspaltung)
- Plutonium (Kernspaltung)
- Wasserstoff (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktoren) (alles Kernenergie)

Erneuerbare Energieträger

(siehe auch Erneuerbare Energie)
- Bioenergie/Biomasse (chemische Energie)
- Geothermie (thermische Energie)
- Solarenergie (Strahlungsenergie)
- Wasserkraft (potentielle und kinetische Energie)
- Windenergie (kinetische Energie)

Formeln

- Potenzielle Energie im Gravitationsfeld:

E_ \approx m \cdot g \cdot h = F_G \cdot h

ist gleich Gewichtskraft mal Höhe. Diese Formel ist im Schwerefeld eines Himmelskörpers mit Radius

R_p

nur eine Näherung, genauer ist:

E_ = mgh\frac

.
- Potenzielle Energie einer gespannten Feder:

E_ = \cdot D \cdot s^2

, wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.
- Energie eines elektrischen Feldes:

E = \frac

, wobei Q die Ladung und C die Kapazität ist.
- Äquivalenz von Masse und Energie:

E = m c^2 = \frac

, wobei

m_0

die Ruhemasse des Körpers und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
- Nach dem Welle-Teilchen-Dualismus ist Strahlungsenergie

E = h \cdot f

, wobei h das Planck’sche Wirkungsquantum und

f

die Frequenz ist.
- Klassische kinetische Energie:

E_ = \frac \cdot m \cdot v^2

- Relativistische kinetische Energie:

E_ = E - E_0 = \frac - m_0 \cdot c^2 = m_0 c^2\left(\frac - 1\right)

- Energie eines Erdbebens:

E=10^

, wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist und E die Einheit „Tonnen TNT“ besitzt.
- Arbeit (Energieänderung)

W = \Delta E = \int P(t)dt

, wobei P die Leistung und t die Zeit ist. Bemerkungen: 1. Die hier aufgeführten "Formeln" sind die Definitionen der verschiedenen Energien als Zustandsgrößen. Formeln, z. B. die für den freien Fall, sind die mathematische Darstellung für den Vorgang. 2. Für alle Energiedefinitionen wird ein großes E für Energie verwendet, obwohl in einigen Fällen nicht Energien E, sondern bezogene Energien e definiert werden. Die "Federenergie" ist die auf eine Feder bezogene Energie e =E/Feder. Die "Strahlungsenergie" ist die auf auf ein Photon bezogene Energie e = E/Photon. Jede Energieform Ej besteht aus einer Quantitätgröße Mj und der bezogenen Energie ej : Ej = Mj ej. Nur die so definierten Energieformen Ej treten primär in Energiebilanzen auf. 3. Arbeit ist keine energetische Zustandsgröße, wie die anderen hier definierten Energieformen. Arbeit ist eine Vorgangsgröße, die eine Energieänderung in einem System bewirken kann. Eine andere übliche Definition ist Arbeit ist

W =\int F dx

Einheit

Die SI-Einheit der Energie ist das Joule. 1 J = 1 Nm = 1 Ws = 10⁷ erg = 0,2388 cal = 0,102 kpm = 0,2778·10^-6 kWh

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Energie zu erhalten. Der Hauptartikel findet sich unter Größenordnung (Energie). ; 1 J = 1 Ws = 1 Nm : potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100 g) um 1 Meter in dieser gespeichert wird. ; 1,0·10⁰ J = 10^-3 kJ : ungefährer täglicher körperlicher Energieumsatz eines Menschen. ; 3,6·10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh : Abrechungseinheit für Strom, Gas usw. ; 2,9·10⁷ J = 8,141 kWh = 1 kg SKE : eine Steinkohleeinheit entspricht der Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle umgewandelt wird. Dies ist ein gängiges Maß bei der Angabe von Primärenergie-Mengen. (1998 betrug der weltweite Primärenergie-Umsatz 14,1 Gt SKE = 390·10¹⁸ J) ; 1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J : Die Einheit Elektronvolt wird unter anderem in der Festkörper-, Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Ein Photon von violettem Licht hat eine Energie von ca 3 eV, eines von rotem ca. 1,75 eV.

Siehe auch

- Größenordnung (Energie) - eine wertmäßige Zusammenstellung von alltäglichen und unalltäglichen Energien, die uns umgeben, ideal um Größenvergleiche aufzustellen.
- Energieerhaltung
- Energieeinsparung
- Energiemix
- Nutzpflanzen#Energie und Kraftstoffe liefernde Pflanzen

Weblinks

- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021110.rm Was ist Energie?] Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/materialseiten/06_energie.htm Versuche und Aufgaben zur Energie]
- [http://www.energie-evolution.de/ Beschreibung von regenerativen Energiequellen]
- [http://www.rettet-unsere-welt.de/index.php?page=wissen&p2=geraete_leistungen Energiebedarf einiger typischer Haushaltsgeräte]
- [http://www.energie-zeitung.de/ Energie sparen, Heizung,Geothermie und Wärmepumpe]
- [http://www.hellfirez.de/web/referate/inhalte/Physik_Energie.htm Erzeugung von elektrischer Energie allgemein und anhand verschiedener Beispiele]
- [http://www.erdwaerme-zeitung.de/ Infos über Erdwärmeheizung und Geothermie]
- http://www.greenribbonpledge.com (engl.) Kategorie:Physik Kategorie:Erneuerbare Energie ja:エネルギー ko:에너지 ms:Tenaga simple:Energy th:พลังงาน

Arbeit (Physik)

Die physikalische Arbeit (Formelzeichen W) ist eine Energiemenge, die von einem System in ein anderes System übertragen wird. Diese Übertragung erfolgt durch das Wirken einer Kraft entlang eines Weges. Arbeit ist im Allgemeinen wegabhängig und damit auch eine Prozessgröße. In einem konservativen Kraftfeld ist die Größe W der geleisteten Arbeit jedoch wegunabhängig. Arbeit ist das Produkt von einer Kraft F und einem Weg s und wird in der SI-Einheit Joule angegeben. Wenn eine Kraft einen Körper um eine bestimmte Distanz verschiebt, verrichtet sie Arbeit am Körper, die als Energie in diesem gespeichert oder weitergegeben wird. Energie ermöglicht ihrerseits wieder das Verrichten von Arbeit. Wenn die wirkende Kraft in Richtung des zurückgelegten Wegs angreift und konstant ist, gilt für die Arbeit: :

W = F \cdot s

, wobei F und s Skalare sind. Allgemein wird die Arbeit vektoriell ausgerechnet. Mit

\vec F

für den Kraftvektor,

\vec s

für den Distanzvektor und W für die Arbeit gilt :

W=\vec F \circ \vec s

. Dies ist ein Skalarprodukt und kann auch geschrieben werden als :

W= \left| \vec F \right| \cdot \left| \vec s \right| \cdot \cos \alpha

, wobei α der Winkel zwischen Kraftrichtung und Distanzvektor sowie |F| der Betrag von F und |s| der Betrag von s ist. Die Arbeit W ist also immer ein Skalar. Der nächste Schritt führt zur Betrachtung gekrümmter Wege und einer sich verändernen Kraft durch Zerlegung der Strecke s in infinitesimal kleine Wegstücke ds und der dazu gehörigen Kraft F. Dann ergibt sich für die Arbeit :

W=\int_^ \vec F(s) \circ \mathrm\vec s

wobei

s_1

bzw.

s_2

der Anfangs- bzw. Endpunkt ist. In einem konservativen Kraftfeld ist die Arbeit eines bewegten Massenpunktes Null:

W_A-W_B=\int_^~\vec \mathrm\vec-\int_^~\vec \mathrm\vec

\Rightarrow W=\oint~\vec\mathrm\vec =0

Die Begriffe Arbeit, Energie, Kraft und Leistung weichen von den im alltäglichen Leben üblichen ab und werden oft unrichtig gleichgesetzt.

Arten der mechanischen Arbeit

Hubarbeit

\mathrm_ =\mathrm_ \cdot \mathrm =\mathrm \cdot \mathrm \cdot \mathrm

m

ist die Masse des Körpers,

g

der Ortsfaktor,

h

die Hubhöhe.

Beschleunigungsarbeit

\mathrm_ = \frac\left( \mathrm^ - \mathrm_^\right)

v

ist die Geschwindigkeit vor,

v_

nach dem Beschleunigen.

Reibungsarbeit

\mathrm_ = \mathrm_ \cdot \mathrm = \mu\mathrm_ \cdot \mathrm

F_

ist der Betrag der Kraft mit der der Körper auf die Oberfläche gedrückt wird,

\mu

die Reibungszahl.

Spannarbeit

\mathrm_ = \frac \cdot \mathrm^

D

ist die Federhärte.

Der Begriff der Arbeit in anderen Bereichen der Physik

- Elektrische Arbeit
- Volumenarbeit

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/grundwissen/04goldregel/goldregel.htm „Goldene Regel der Mechanik“] Kategorie:Mechanik ja:仕事

Leistung

Der Ausdruck Leistung bezeichnet eine gezielte Handlung, die zu einem bestimmten Ergebnis bzw. der Lösung einer Aufgabe führt. Eine Handlung wird dann zu einer Leistung, wenn eine allgemeine Übereinstimmung über ihre Bedingungen und die technische Qualität ihrer Ausführung besteht. Die erbrachte Leistung kann definiert sein in Gestalt eines hervorgebrachten gegenständlichen oder ideellen Produktes oder in der Erreichung eines bestimmten gesellschaftlichen oder soziologischen Zustandes oder Status. Von Bedeutung für eine Leistung kann ferner die Methode sein: z.B. ein effizienter Lösungsweg mit hohem Nutzen bei geringem Aufwand. Der Begriff der Leistung wird in unterschiedlichen Bereichen verschieden definiert und verwendet.

Leistung in der Pädagogik

Das Vermitteln, Erwerben und Üben von Kompetenzen bildet den Kern des pädagogischen Prozesses. Erfolgserlebnisse spielen eine wichtige Rolle für die Lernleistung. Das Leistungsprinzip mit Leistungsvergleichen und Leistungstests verbunden mit entsprechender Förderung kann eine motivierende Rolle für das Lernen spielen. Aus dem Leistungsprinzip kann durch Konkurrenzdruck Leistungsdruck entstehen.

Leistung (Physik)

In der Physik ist die Leistung P (power) allg. definiert als

P = \frac

.
Die erste Ableitung (Differenziation) der Arbeit

W

(work) nach der Zeit

t

(time) ergibt die Leistung. Für lineare Zusammenhänge lässt sich vereinfachen:

P = \frac

. Typischerweise wird die Leistung angegeben in

Nm/s = J/s = W

(Watt). Ein Beispiel:
:Heben wir einen Kasten Sprudel vom Boden auf die 1 m hohe Ladentheke, so ist zunächst die Arbeit W bei einem angenommenen Gewicht von 10 kg stets etwa 100 Nm = 100 J (Joule), unabhängig von der Zeit, die wir dafür benötigen. Dagegen ist die Leistung bspw. im Falle einer "Hubzeit" von 1 s gleich 100 W (Watt), im Falle einer benötigten Zeit von 0,2 s hingegen bereits 500 W. Gegenbeispiel: :Tragen wir hingegen denselben Kasten Sprudel vom Auto bis zur Haustüre, so ist folgende Rechnung falsch: ::Wir verrichten Arbeit in Höhe von "Kraft x Weg" mit $F$ als Kraft sowie $s$ als zurückgelegte Strecke. :Hier wurde nicht berücksichtigt, daß der Richtungsvektor der Kraft parallel zum Richtungsvektor des Weges sein muß. Eine Berechnung der hier verrichteten Arbeit und demzufolge auch der Leistung ist nur über die Berechnung der physiologischen Haltearbeit, die verrichtet wird, möglich. Tatsächlich wird nämlich beim Halten eines Gegenstandes physikalisch definierte Arbeit geleistet, indem die Muskulatur in schneller Folge angespannt und wieder leicht entspannt wird. Die Berechnung ist allerdings sehr komplex und aufwendig, daher ist dieses Beispiel zur Erläuterung der Begriffe Arbeit und Leistung im physikalischen Sinne nicht geeignet.

Der Leistungsbegriff im Sport

Im Sport findet der Leistungsbegriff zunächst in einem sehr weiten Sinne Anwendung: Als höhere Leistung gelten u.a. größere Geschwindigkeiten, größere Höhen und Weiten in den Sprung- und Wurfdisziplinen, aber auch höhere Punktzahlen bei technischen Sportarten, bei denen nicht nur die Schwierigkeitsgrade sondern auch der „künstlerische Ausdruck“ bewertet werden. In den Ausdauer-Sportarten, aber beispielsweise auch in den Sprint-Disziplinen des Radsports wird der Begriff auch in seinem engeren, physikalischen Sinne angewandt. In einigen Sportarten, beispielsweise im Rudern, besonders aber im Radsport korreliert die vom Sportler zu erbringende, physiologische Leistung (Energieumsatz pro Zeiteinheit) besonders eng mit der effektiv messbaren physikalischen Leistung. Infolgedessen sind in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Leistungstests und Verfahren der Leistungsdiagnostik entwickelt worden, die in erster Linie auf Fahrradergometern bzw. der Rolle, aber auch auf Laufbändern durchgeführt werden. Die hier erbrachte physikalische Leistung wird dabei ins Verhältnis zu verschiedenen anderen Parametern wie Sauerstoff-Aufnahme, Herzfrequenz, Atem-Volumen, gepumptes Blutvolumen/Zeiteinheit, Laktat-Konzentration usw. gesetzt. Von der Leistungsdiagnostik ausgehend werden umfangreiche Anregungen zur Trainingsgestaltung entwickelt. Demgegenüber wird von kritischen Vertretern der Trainingslehre und Sportwissenschaft eingewandt, daß es hierbei zu einer Überbetonung der physikalischen Aspekte der Leistungserbringung kommt. Während weitere i.w.S. leistungsbestimmende Faktoren wie Erholungsfähigkeit, Laktatabbau u. dergl. durchaus einbezogen werden können, bleiben wesentliche Aspekte wie Willenskraft, „Tagesform“ usw. außen vor.

Leistung (Erfüllung)

Das Erbringen eines Versprechens und seine Erfüllung, s. hierzu Leistung (Erfüllung)!

Leistung (Recht)

- die ziel- und zweckgerichtete Mehrung fremden Vermögens

Leistung (Rechnungswesen)

- Ertrag eines wirtschaftlichen Leistungsprozesses (Erlös +/- Bestandsveränderung), sowie Kosten- und Leistungsrechnung, bewertete sachzielbezogene ordentliche Gütererstellung eines Unternehmens in einer Periode

Leistung (Nachrichtentechnik)

- Verkehrswert in der Verkehrstheorie

Leistung (Verwaltung)

- Dienstleistungsverwaltung

Siehe auch

- Dienstleistung
- Leistungsgesellschaft Kategorie:Tätigkeit Kategorie:Wertvorstellung

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, bei einer Maschine beispielsweise das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung. Bei Wärmeerzeugern ist stets zwischen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad zu unterscheiden. Der Nutzungsgrad ist kein Verhältnis von Leistungen, sondern das Verhältnis von Wärmemengen (Wärmemenge bzw. Arbeit = Leistung x Zeit). Der Wirkungsgrad wird mit η (Eta) bezeichnet und hat einen Wert zwischen 0 und < 1 oder, in Prozenten ausgedrückt, zwischen 0 und < 100%. Die ungenutzte Energie wird umgangssprachlich auch als Energieverlust bezeichnet.

Wirkungsgrad, Wertebereich

Der theoretisch mögliche Wert von 1 bzw. 100 % kann in der Praxis nicht erreicht werden, weil bei allen Vorgängen Energie durch Wärme oder Reibung in thermische Energie umgewandelt wird. Ein Wirkungsgrad größer als 1 entspräche einem Perpetuum Mobile erster Art, was gegen den Energieerhaltungssatz verstoßen würde. Bei Wärmekraftmaschinen ist als Carnot-Prozess der ideale Wirkungsgrad der Quotient aus der Differenz zwischen höchster Temperatur und niedrigster Temperatur und der höchsten Temperatur im gesamten Prozess. Die Temperaturangaben sind dabei in Kelvin zu machen.

Gesamtwirkungsgrad

Arbeiten mehrere Maschinen hintereinander, so werden deren einzelne Wirkungsgrade zum Gesamtwirkungsgrad der Anlage multipliziert. Beispiel:
- Kraftwerk 40 % (0,4),
- Transformator am Kraftwerk 95 % (0,95)
- Transformator in der Nähe des Verbrauchers 95 % (0,95)
- Elektromotor im Haushalt 80 % (0,8) Gesamtwirkungsgrad: 0,4 x 0,95 x 0,95 x 0,8 = 0,2888 oder 28,88%

Wärme-Wirkungsgrade

Thermischer Wirkungsgrad/Prozesswirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von der gewonnen technischen Leistung zum zugeführten Wärmestrom in einer Wärmekraftmaschine, z. B. einer Wärmepumpe an: :

\eta_ = \frac

mit

\eta_

als dem thermischen Wirkungsgrad,

P_

der gewonnen technischen Leistung und

\dot

dem zugeführten Wärmestrom. Der thermische Wirkungsgrad wird als Bewertungsmaß für die Effektivität des Prozesses benutzt, daher wird er auch Prozesswirkungsgrad genannt.

Anlagenwirkungsgrad

Wird die bei einem thermischen Umwandlungsprozess frei werdende Abwärme weiter genutzt, zum Beispiel zur Luftvorwärmung, Ölvorwärmung oder Fernheizung, wie es bei Blockheizkraftwerken der Fall ist (siehe Tab. unten), so vergrößert sich der Wirkungsgrad der Anlage, da ein Teil der eigentlich für den Prozess verlorengegangen Wärme trotzdem genutzt werden kann. Den sich daraus ergebenen Wirkungsgrad nennt man Anlagenwirkungsgrad um ihn von dem eigentlichen, niedrigeren thermischen Wirkungsgrad (Prozesswirkungsgrad) zu unterscheiden. Anlagenwirkungsgrade sind mit Wärmetauschern relativ einfach zu verbessern, während die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades häufig nur mit erheblichen Mühen und Forschungsaufwand verbunden ist.

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad gibt die Nutzung der aus der Verbrennung eines Brennstoffes entstehenden Wärme an. Er berücksichtigt lediglich den Wärmeverlust durch Aufheizen der Abgase und Umgebungsluft des Feuers. Eine Bewertung der energetischen Effizienz eines Wärmeerzeugers allein mit Hilfe des gemessenen Abgasverlustes ist möglich, wenn außer dem Abgasverlust nur marginale weitere Verluste vorhanden sind, was in der Hausheizung der Fall ist. Er bestimmt sich aus der Differenz von 100 % und dem Abgasverlust, der die in dem Abgas verbleibende Wärmemenge bezogen auf die Temperatur der die Feuerstelle umgebenden Luft angibt. Eine Abkühlung unter die Temperatur der Umgebungsluft wird dabei als nicht möglich angesetzt. Der Abgasverlust ist von der Zusammensetzung des Abgases abhängig, vor allem dem Luftanteil, da in der Verbrennungswärme die Erwärmung der Verbrennungsluft auf die Flammtemperatur enthalten ist. Als 100%-Wert wird traditionell der Heizwert (auch "unterer Heizwert" genannt) angesetzt, der definitionsgemäß die evtl. anfallende Kondensationswärme des Abgases nicht berücksichtigt. Aufgrund der in den letzten Jahre zunehmenden Verbreitung der Brennwerttechnik ist diese Betrachtungsweise jedoch nicht mehr zeitgemäß. Moderne Anlagen steigern den Wirkungsgrad durch Absenken der Abgas-Temperaturen und durch Rückgewinnung der Kondensationswärme von Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen. Sie nutzen den Brennwert eines Brennstoffes, während in alten Anlagen nur der Heizwert genutzt werden konnte. Es werden hohe Anforderungen an die Kamin-Anlage gestellt. Die Abgase müssen teilweise aktiv (z. B. Ventilator) abtransportiert werden, da sie nicht mehr warm genug sind, um selbst aufzusteigen. Der Schornstein ist korrosiven Angriffen durch Wasser ausgesetzt. Es bildet sich Teer, der aufgefangen und in die Verbrennung zurück geführt werden muß.

Wirkungsgrade größer 100 %

Wirkungrade von über 100 % können sich aus Berechnungen ergeben, die nicht alle Energieanteile berücksichtigen. Ein Beispiel sind Brennwertkessel, bei denen teilweise heizwertbezogene Wirkungsgrade von über 100 % angegeben werden. Dabei wird unter "aufgewendete Energie" der Heizwert des Brennstoffes angesetzt. Der Heizwert berechnet sich jedoch aus der insgesamt frei werdenden Wärme abzüglich der Verdampfungswärme für das bei der Verbrennung entstehende Wasser. Der Heizwert beinhaltet also nur einen Teil der gesamten Brennstoffenergie. Im Unterschied zum "konventionellen" Heizkessel wird beim Brennwertkessel das Abgas soweit abgekühlt, dass das bei der Verbrennung verdampfte Wasser kondensiert. Die dabei frei werdende Kondensationswärme kommt der Nutzenergie zugute. Wird der Wirkungsgrad nicht auf Basis des Heizwertes sondern auf Basis des Brennwertes des Brennstoffes berechnet, wird im Idealfall ein Wirkungsgrad von maximal 100 % erreicht. Ähnliches gilt für Wärmepumpen. Auch bei ihnen können Wirkungsgrade von über 100 % angegeben werden (handelsübliche Systeme liegen bei 200 bis 600%). Um diese irreführende Angabe zu vermeiden wird jedoch statt des Wirkungsgrades die Leistungszahl (ε) als Maß für die Effizienz verwendet. Ursache für die eigentlich unmöglich hohen Wirkungsgrade ist auch hier die Vorgehensweise bei der Berechnung. Die Wärmepumpe fördert die Wärmeenergie aus der Umwelt und bringt sie auf das gewünschte Temperaturniveau. Dieser Teil der Energie wird jedoch in der Berechnung nicht unter Aufwand einbezogen. Die insgesamt bereitgestellte Wärmeleistung ist daher größer als die elektrisch aufgenommene Leistung.

Beispiele

Bemerkungen: : (a) bei Volllast bis zu 30%, bei Teillast, (Auto, bei ca. 100 km/h) unter 10%. : (b) Teillastwerte bitte einfügen. : (1) Gesamtwirkungsgrad, d. h. auch einschließlich Energie, die zur Bereitstellung der Reaktionsmoleküle erforderlich ist. : (2) Energie der geförderten Kohle, die zur Verbrennung zur Verfügung steht. : (3) Ein Lagerfeuer setzt den Heizwert des Brennstoffs mit hohem Wirkungsgrad in Wärme um (Unterscheidung zwischen Brenn- und Heizwert beachten). Aber nur ein geringer Teil der Wärme erhitzt einen Topf, der über dem Feuer hängt. Der größte Teil erwärmt die umgebende Luft. : (4) Dies gilt für alle Wärmekraftwerke, also für Kohle, Erdgas, Erdöl und Kernenergie (siehe Carnot-Wärmekraftmaschine). : (5) Der hohe Wert gilt nur dann, wenn die Wärme z. B. für Fernheizung auch genutzt wird. : (6) Gas- Dampf- bzw. Wasserturbinen besitzen einen Wirkungsgrad über 95%. Es ist die Bereitstellung der Prozessmittel (strömendes Gas, Wasser) aus (4), und die Umform- und Leitungsverluste, die den Wirkungsgrad bis zur Steckdose auf unter 30 % begrenzen. : (7) Bei fast allen Fahrraddynamos ist der Wirkungsgrad bei ca 20 % anzutreffen, besonders effektive Dynamos mit Reiberädchen erreichen 25-30%. 60 % lassen sich nur durch alternative Bauarten im optimalen Geschwindigkeitsbereich erreichen. : (8) Anders als bei Bühnenlautsprechern ist bei Heim-Lautsprechern und Studio-Monitoren die klangneutrale Wiedergabe wichtiger als "lauter" Wirkungsgrad. : (9) ohne Leitungsverluste Beispiele für den Wirkungsgrad von Lichtquellen siehe: Lichtausbeute.

Siehe auch

- Energieeinsparung
- Erntefaktor von Kraftwerken

Weblinks

- [http://www.energie-fakten.de/html/wirkungsgrad-kohle-kkw.html Warum ist der elektrische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken in der Regel niedriger als der von Kohlekraftwerken?] Kategorie:Ingenieurwissenschaft Kategorie:Thermodynamik

Drehzahl

Als Drehzahl oder Umdrehungsfrequenz n oder Umlauffrequenz f bezeichnet man den Quotienten, gebildet aus der Anzahl der Umläufe oder Umdrehungen als Zähler und der dafür benötigten Zeitspanne t als Nenner. Die Drehzahl ist nicht von der Dimension 1 ("dimensionslos"), wie es die Endung -zahl vermuten läßt, sie ist also keine Zahl, sondern eine physikalische Größe mit der Dimension 1/Zeit. Der Kehrwert der Drehzahl ergibt die Dauer eines Umlaufs

T

T=\frac =\frac

Unter dem Drehwinkel

\varphi

versteht man das Produkt aus der Anzahl der Umläufe N in einer bestimmten Zeitspanne und dem Winkel eines Umlaufs (bei einem Umlauf

= 2 \pi

\varphi = 2 \pi N

Über die Definition der Winkelgeschwindigkeit

\omega = \frac

und den Werten für eine Umdrehung erhält man die Kreisfrequenz (Winkelfrequenz)

\omega

zu:

\omega =   =  = \frac

, mit der Einheit

[\omega ]=\frac= \mathrm

(Hertz).

Einheit

SI-Einheit:

[n]=[f]=\frac=\mathrm

(Hertz). Der spezielle Name Hertz für die reziproke Sekunde sollte vorzugsweise nicht für Drehzahlen benutzt werden. Aus anderen gesetzlichen Zeiteinheiten lassen sich weitere "gesetzliche Einheiten im Messwesen" für Drehzahlen bilden, zum Beispiel: 1 Hz = 1 /s = 60/(60 s) = 60/min = 3600/(60 min) = 3600/h = (24 x 3600)/(24 h) = 86400/d. Nicht normgerecht ist die weiterhin häufig verwendete Angabe von Drehzahlen in Umdrehungen pro Minute (U/min), weil "Umdrehung" oder "U" keine Einheit ist; im englischen Sprachgebrauch ist rpm oder r/min anzutreffen.

Beispiele

für Drehzahlen in der Einheit min^-1: Schallplatten für Sprachlehrgänge u. ä.: 16 LP-Schallplatten mit 25 cm oder 30 cm Durchmesser: etwa 33 Single-Schallplatte mit 17 cm Durchmesser: 45 Schellack-Schallplatten: 78 Automotoren bei Leerlauf: ca. 700 Disketten-Laufwerke, je nach Typ: bis ca. 800 Höchstdrehzahl eines Automotors: ca. 7000 Propellerkolbenmotoren (Modellflugzeug): 18 000 Rennmotor der Formel 1: bis zu 19 000 Gasturbinen: 100 000 Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren: 200 000 turbinengetriebene Zahnarztbohrer: bis zu 5 000 000 Kategorie:Mechanik Kategorie:Technik ja:Rpm

Drehmoment

Als Drehmoment bezeichnet man die physikalische Größe, die bei der Beeinflussung einer Drehbewegung wirkt.

Definition

Wirkt auf einen starren Körper eine Kraft, so wird er beschleunigt: Seine Geschwindigkeit wird verändert. Er führt eine geradlinige oder (z.B. unter Einfluß der Gravitation) gekrümmte Bewegung = Translationsbewegung aus. Wird der Körper an einem Punkt festgehalten, so ist keine Translationsbewegung mehr möglich. Die Bewegungsmöglichkeit des Körpers reduziert sich dann auf Rotationsbewegungen (Drehungen) um diesen Punkt. Die Größe, die diese Drehbewegung beeinflusst, d.h. die die Änderung der Rotationsgeschwindigkeit verursacht, heißt Drehmoment. Eine einzelne Kraft

\vec F_1

kann keine reine Drehbewegung verursachen. Eine Veränderung der Drehbewegung ohne Änderung der Translationsbewegung ist erst möglich, wenn ein Kräftepaar angreift. Die zweite Kraft wird z.B. durch die drehbare Befestigung des Körpers aufgebracht. Ist die zweite Kraft entgegengesetzt gleich der ersten Kraft,

\vec F_2=-\vec F_1

, so ist die resultierende Kraft auf den Körper Null und die Translationsbewegung ändert sich nicht. Trotzdem bewirkt das Kräftepaar ein Drehmoment und dadurch eine Veränderung der Drehbewegung. Dabei ist neben der Größe der beiden Kräfte

\vec F_1

und

\vec F_2

auch der Abstand der beiden Punkte, an denen die Kräfte angreifen, von Bedeutung. Der Abstand

\vec r

ist ein Vektor, der vom Angriffspunkt der Kraft

\vec F_2

zum Angriffspunkt von

\vec F_1

zeigt. Zum Drehmoment trägt nur die Komponente

r'

von

\vec r

bei, die senkrecht auf der Richtung der Kraft

\vec F_1

(oder

\vec F_2

) steht.

r'

ist der Abstand, in dem die beiden Kräfte wirken. Der Betrag des Drehmoments ist dann das Produkt von

|\vec F_1|

mit

r'

, und die Richtung des Drehmoments ist senkrecht zu der Ebene, die durch die Kraft

\vec F_1

und den Abstandsvektor

\vec r

aufgespannt wird, und zwar in der Richtung, in die der Daumen zeigt, wenn man mit den gekrümmten Fingern der rechten Hand in Richtung der durch das Drehmoment hervorgerufenen Drehbewegung zeigt. Dieser Zusammenhang zwischen den auf den Körper wirkenden Kräften, dem Abstandsvektor der beiden Angriffspunkte und dem Drehmoment (in Betrag und Richtung) wird in kompakter Form durch das Kreuzprodukt (Vektorprodukt) ausgedrückt. In dieser Darstellung erhält man für das Drehmoment

\vec M

die Definition: :

\vec M =\vec r\times\vec F_1

. Die physikalische Dimension des Drehmoments ist damit das Produkt aus Kraft und Weg. Im SI-System hat es die (abgeleitete) Maßeinheit Newtonmeter (

\mathrm

D'Alembertsches Prinzip

Wirkt auf einen Körper eine von Null verschiedene resultierende Kraft, z.B. weil nur eine einzige Kraft

\vec F_1

von außen einwirkt, so wird der Körper nach dem 2. Newtonschen Gesetz beschleunigt. Nach dem d'Alembertschen Prinzip wird dies im beschleunigten Bezugssystem so beschrieben, dass eine Trägheitskraft (Scheinkraft)

\vec F_t = -m\vec a

berücksichtigt wird. Wenn die Wirklinie der Kraft

\vec F_1

nicht durch den Schwerpunkt geht, dann bilden

\vec F_1

und

\vec F_t

ein Kräftepaar, das ein Drehmoment erzeugt (obwohl im beschleunigten Bezugssystem die Summe aller Kräfte einschließlich der Trägheitskraft Null ergibt!). Die Beschreibung des gleichen Vorgangs im ruhenden System (Inertialsystem) kommt ohne Trägheitskräfte aus. Hier bewirkt

\vec F_1

sowohl eine Beschleunigung als auch ein Drehmoment

\vec M =\vec r\times\vec F_1

und damit eine Winkelbeschleunigung (Beispiel: Anschneiden eines Balles durch seitliches Treten). Siehe auch: Hauptartikel D'Alembertsches Prinzip

Reale Körper

Reale Körper sind keine starren Körper. Das Modell des starren Körpers kann hier nur angewandt werden, wenn die durch die Einwirkung des Drehmoments hervorgerufene Deformation (z.B. Torsion) des Körpers vernachlässigbar klein ist. Die Definition des Drehmoments selbst lässt sich jedoch auch auf den Fall übertragen, der die Deformation des Körpers einschließt. Zur Unterscheidung dieses Falles von dem der reinen Drehbewegung wird in der Technik die Größe, die auch die Deformation einschließt, als Moment bezeichnet. Nur im Fall der reinen Drehbewegung kann von Drehmoment gesprochen werden.

Beispiel

Moment Ein praktisches Beispiel zur Veranschaulichung des Drehmoments ist das Lösen einer festsitzenden Schraube. Wenn die Schraube horizontal angeordnet ist und man einen Schraubenschlüssel von einem Meter Länge so auf die Schraube aufsetzt, dass der Hebelarm nach links weist, so kann man zum Lösen der Schraube auf diese ein Drehmoment von 100 Nm (100 N · 1 m) ausüben, wenn man das Ende des Schraubenschlüssels mit einer Kraft von 100 N nach unten drückt. Die Schraube muss dabei eine rückhaltende Kraft von 100 N in entgegengesetzter Richtung (nach oben) aufbringen, was z.B. zu einem Verkanten/Verbiegen der Schraube führen kann. Diese Situation wird mit einem kürzeren Schraubenschlüssel noch verschärft. Um mit einem halb so langen Schlüssel das selbe Drehmoment aufzubringen wird eine Kraft und Gegenkraft von 200 N benötigt (200 N · 0,5 m). Diese zusätzliche Belastung der Schraube kann komplett verhindert werden, wenn man einen Schlüssel verwendet, dessen auf die Schraube aufzusetzender Sechskant sich in der Mitte des Hebelarms des Schlüssels befindet. Wenn man bei diesem an beiden Enden mit einer Kraft von 100 N in entgegengesetzter Richtung zieht und der Schlüssel eine Länge von einem Meter besitzt, so wird auch hier ein Drehmoment von 100 Nm (100 N · 0,5 m + 100 N · 0,5 m) ausgeübt, aber ohne dass die Schraube die Rückhaltekraft aufbringen muss. Wenn man einen solchen Schlüssel nicht zur Hand hat, so kann man die Schraube auch dadurch entlasten, dass man mit der gleichen Kraft, mit der man das linke Hebelende nach unten drückt, am anderen Ende (dicht an der Schraube) nach oben zieht.

Vergleich mit der Translationsbewegung

Das Verständnis des Drehmoments kann ein Vergleich der bei einer Drehbewegung auftretenden Größen mit den charakteristischen Größen der Translationsbewegung erleichtern: Das Massenträgheitsmoment

J

, oder auch kurz Trägheitsmoment ist allgemein nicht konstant, und kann allgemein auch nicht als Skalar dargestellt werden, sondern vielmehr als Tensor 2. Stufe, dem Trägheitstensor. Der Punkt über einer Größe besagt, dass es sich hier um deren Zeitliche Änderung (Ableitung

\frac

) handelt, z.B.

\dot

, der zeitlichen Änderung des Drehimpulses:

\vec M=\dot\vec L=\frac

Unterschiedliches Auftreten des Drehmoments

In der Technik ist es gebräuchlich, dem Drehmoment unterschiedliche Bezeichnungen zu geben, je nachdem in welchem Zusammenhang sie wirken: Man unterscheidet je nach der Richtung, in der Leistung fließt, zweierlei Drehmomente: # Antriebsmoment ist das Drehmoment, womit die Maschine etwas antreibt und Leistung abgibt. # Abtriebsmoment ist das Drehmoment, womit die Maschine angetrieben wird und Leistung aufnimmt.
- Antriebsmoment eines Motors
- Abtriebsmoment eines Generators, eines Kompressors oder einer Pumpe
- Antriebsmoment und Abtriebsmoment eines Getriebes
- Anfahrmoment einer Gasturbine
- Anzugsmoment einer Schraube
- Drehmoment in der Propellerwelle eines Schiffes Bei den folgenden Größen geht es nicht um die Bewegung, sondern um die Belastung und Deformation der Körper; in der Technik werden sie daher nicht als Drehmoment, sondern als Moment bezeichnet:
- Biegemoment in einem Stahlträger
- Torsionsmoment in einer Welle
- Einspannmoment eines Kragträgers
- krängendes Moment des Windes auf ein Segelboot

Weblinks

- [http://www.lorenz-messtechnik.de/artikel/entw-dre.htm Entwicklung und Zukunft der Drehmomentmesstechnik]
- [http://www.e31.de/torque.html Drehmoment und Leistung beim Auto]

Siehe auch

- Moment Kategorie:Mechanik ja:力のモーメント ms:Tork

Nennspannung

Die Nennspannung einer Zelle ist ein geeigneter, angenäherter Wert der Spannung zur Bezeichnung oder Identifizierung einer Zelle, einer Batterie oder eines elektrochemischen Systems [DIN EN 60050-482, „Deutsche Ausgabe des internationalen elektrotechnischen Wörterbuchs, Teil 482“, Juli 2004]. Die Nennspannung einer Batterie ist das Produkt aus der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen und der Nennspannung einer Zelle. Der Wert pro Zelle beträgt:
- 1,35 V für die Quecksilberoxid-Zink-Zelle
- 1,5 V für die Alkali-Mangan-Zelle
- 1,5 V für die Zink-Kohle-Zelle
- 1,5 V für die Zink-Luft-Zelle
- 1,55 V für die Silberoxid-Zink-Zelle
- 1,5 V für die Lithium-Eisensulfid-Zelle
- 2,9 bis 3,6 V für Lithium-Zellen, abhängig vom Kathodenmaterial
- 1,2 V für den Nickel-Cadmium-Zelle
- 1,2 V für den Nickel-Metall-Hydrid-Zelle
- 2,0 V für den Bleidioxid-Blei-Zelle Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Nennstrom

Nennstrom ist bei elektrischen Geräten der aufgenommene Strom, wenn das Gerät mit der Nennspannung versorgt wird und seine sogenannte Nennleistung abgibt. Z.B. nimmt eine 60 W-Glühlampe bei 230 V (Nennspannung) einen Nennstrom von 0,261 A auf. Im Einschaltmoment kann der Strom wesentlich höher sein, da der Glühfaden noch kalt ist. Sinkt die Spannung, so sinkt auch der tatsächlich aufgenommene Strom. Motoren verbrauchen den Nennstrom bei voller Leistung. Bei Überlastung kann der Strom und somit die Leistung ein Mehrfaches betragen (Gefahr der Überhitzung). Wird der Motor nicht belastet so verbraucht er nur den sog. Leerlaufstrom. Siehe auch: Nennleistung Kategorie:Elektrotechnik

Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch innere Verbrennung von Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet. Strömungsmaschinen mit Verbrennung, zum Beispiel Gasturbinen, und Motoren mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, beispielsweise Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, zählt man nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne.

Anwendung

Verbrennungsmotoren werden zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und stationären Maschinen verwendet. Verbrennungsmotoren können auch in der Kraft-Wärme-Kopplung Anwendung finden.

Grundsätzliche Funktionsweise

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder entzündet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und die temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck, wirkt sich auf einen Kolben aus, der dadurch verschoben wird. Es existiert eine Reihe unterschiedlicher Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche Kreisprozesse ausnutzen. Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess ständig den Arbeitszyklus, der aus vier Arbeitsschritten besteht: # Ansaugen # Verdichten # Leistung erbringen # Ausstoßen Ausstoßen und Ansaugen dienen dem Gaswechsel, das heißt dem Austausch von Abgas (Ausstoßen) gegen Frischgas (Ansaugen). Verdichten und Arbeiten dienen der Umwandlung von chemischer Energie (Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches).Der in Energie wie Wärme und Druck abgegeben wird. Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet. Allerdings ist diese Bezeichnung bei Zweitaktern nicht sinnvoll, da Zweitakter auch alle vier Arbeitsschritte ausführen.

Die Arbeitstakte, am Beispiel des 4-Takt-Hubkolbenmotors

Expansion # Im ersten Takt (Ansaugtakt - Einlassventil geöffnet, Auslassventil geschlossen) wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens (vom oberen zum unteren Totpunkt) Kraftstoff-Luftgemisch oder Luft in den Zylinder "gesaugt". # Im zweiten Takt (Verdichtungstakt - beide Ventile geschlossen) verdichtet der Kolben in seiner Aufwärtsbewegung (vom unteren zum oberen Totpunkt) das Kraftstoff-Luftgemisch oder die Luft im Zylinder. Am Ende des zweiten Taktes (Kolben oberer Totpunkt) erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch Fremdzündung (Zündkerze), bei Dieselmotoren durch Selbstzündung während der Einspritzung des Kraftstoffes. # Im dritten Takt (Arbeitstakt - beide Ventile bleiben geschlossen) verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Anstieg der Temperatur steigt auch der Druck des Gemisches und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten in Richtung unterer Totpunkt (UT). Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt. # Im vierten Takt (Auslasstakt - Einlassventil geschlossen, Auslassventil geöffnet) schiebt der sich nach oben in Richtung oberer Totpunkt (OT) bewegende Kolben die Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt.
Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt drei erhalten hat. Ein Einzylinderviertaktmotor hat somit einen Zündabstand von 720 Grad-Kurbelwelle d.h.alle zwei Umdrehungen erfolgt eine Zündung mit Arbeitstakt. Da eine Zunahme der Zylinderzahl den Zündabstand verringert, wird somit pro 720 Grad Kurbelwelle, Verbrennungsenergie proportional häufiger zugeführt und verbessert die Laufruhe des Motors. z.B. Vierzylinderviertakt: 720:4 = 180 Grad KW Zündabstand. Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Kettensäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im KFZ). Große Motoren (Stationärmotoren und Lokomotiv- oder Schiffsdiesel) werden durch direkt in die Zylinder eingeführte Druckluft gestartet. Der Gaswechsel zwischen einströmenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile. Die Steuerzeiten der Nockenwelle sind je nach Ausführung so gelegt,dass eine Überschneidung des Ein- bzw. Auslassventils erfolgt d.h. beim Übergang des Auslasstaktes zum Ansaugtakt ,sind Ein- und Auslassventil für einen kurzen Zeitraum gleichzeitig geöffnet. Beim Gaswechsel (Abgase raus - Frischgase rein) sollen die mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Abgase die Frischgase in den Verbrennungsraum ziehen. Dies dient einer besseren Befüllung des Zylinder mit Frischgasen und erhöht den Verbrennungsdruck.

Einteilung der Verbrennungsmotoren

In der Geschichte des Motorenbaus sind viele Konzepte erdacht und realisiert worden, die nicht in das folgende Raster passen, zum Beispiel Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren nach dem Dieselverfahren, aber mit Zündkerze. Im Sinne der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle. Die Bauarten können in einer großen Vielfalt kombiniert sein, beispielsweise kleinvolumige Motoren mit Kreiskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor), oder großvolumige 2-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess

- Ottomotoren
- Dieselmotoren

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

- 4-Takt-Verfahren: Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit "Takt" ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder eine Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Der Gashub ist geschlossen, das heißt Frischgas und Abgas sind vollständig voneinander getrennt. In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Berührung während der so genannten Ventilüberschneidung.
- 2-Takt-Verfahren: Auch beim 2-Takt-Verfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während nur zwei Kolbenhüben (=Takte). Dies ist möglich, weil ein Teil des Ansaugens und der Verdichtung (das Vorverdichten) außerhalb des Zylinders stattfindet, und zwar im Kurbelgehäuse unter dem Kolben oder in einem Lader. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitsspieles nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Vergleich der Arbeitsverfahren

Ventilüberschneidung
- 2-Takt-Motoren haben eine größere Leistungsdichte, da sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung Arbeit verrichten.
- 2-Takt-Motoren können nicht den gesamten Hubraum zur Expansion nutzen, da ein Teil des Hubraumes aufgrund der Ein- und Auslassschlitze einen Druckaufbau nicht zu läßt.
- 2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil sie im Gegensatz zu Viertakt-Hubkolbenmotoren keine Ventilsteuerung benötigen. Sie ist erforderlich, weil die Ein- und Auslassöffnungen für Frisch- und Abgas bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden müssen. Bei 2-Takt-Motoren kann der Kolben diese Aufgabe übernehmen, da Öffnen und Schließen bei jeder Kurbelwellenumdrehung stattfinden.
- Ohne Ventilsteuerung treten bei 2-Takt-Motoren geringere Massenkräfte auf, deshalb sind höhere Drehzahlen möglich. Dies erhöht die Leistungsdichte zusätzlich.
- 2-Takt-Motoren herkömmlicher Bauart haben einen höheren spezifischen Verbrauch und schlechtere Abgaswerte, weil sie einen Teil des Kraftstoff-Luftgemisches unverbrannt durch Überspülen verlieren. Überspülen entsteht, wenn sich Frischgas mit dem Abgas mischt und ausgestoßen wird. Durch eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs (wie beispielsweise beim Zweitakt-Dieselmotor) kann dieses verhindert werden.
- Der Wirkungsgrad eines 2-Takt-Motors ist geringer als der eines vergleichbaren modernen 4-Takt-Motors, weil der 2-Takt-Motor im Gegensatz zu diesem nicht mehr weiterentwickelt wurde. Wegen seines hohen Verbrauchs und seiner schlechten Abgaswerte wird er von den 4-Takt-Motoren verdrängt, auch wenn seine Leistungsdichte höher als die eines 4-Takt Motors gleichen Hubraums ist.

Anwendungen

Zweitakt-Motoren werden vorwiegend eingesetzt, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies ür Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Motorsägen, Modellbau, Motorradrennsport und bei großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden. Wo Gesetzgeber und Verbraucherinteresse auf Umweltschutz und Kraftstoffverbrauch achten, haben sich Viertaktmotoren durchgesetzt.

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

- Hubkolbenmotor (typ. in Kombination mit Pleuel und Kurbelwelle, teilweise auch mit Knick-Pleuel)
- Kreiskolbenmotor (typ. nach Wankel)
- Drehkolbenmotor (z.B. als Kugelkolbenmotor)
- Freikolbenmotor (typ. lineare Kolbenbewegung)

Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren

Vor der Verbrennung müssen Kraftstoff und Luft durchmischt werden. Der Kraftstoff muss verdampfen.
- Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden außerhalb des Zylinders vermischt, dann dem Zylinder zugeführt und verdichtet. Typische Vertreter sind der Ottomotor mit Vergaser oder der Zweitaktmotor. Durch überhöhte Motortemperatur, zu frühen Zündzeitpunkt, Selbstzündung oder ungeeignetes Gemisch kann es zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Detonationen kommen, die im Fall des Verbrennungsmotors speziell Klopfen genannt werden. Während der Verdichtung muss der Kraftstoff teilweise verdampfen, sodass die Verbrennung unmittelbar nach der Zündung sehr schnell erfolgen kann und eine hohe Drehzahl ermöglicht. Es handelt sich um eine Gleichraumverbrennung, weil der Brennraum seine Größe in der kurzen Zeit praktisch nicht ändert. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden.
- Innere Gemischbildung: Dem Zylinder wird nur Luft zugeführt und verdichtet, der Kraftstoff wird erst später in den Brennraum eingespritzt. Ohne Kraftstoff ist keine Selbstzündung möglich, deshalb kann der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden. Die Zündung kann durch Selbstzündung (Dieselmotoren) oder Fremdzündung (Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren) erfolgen. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Verdampfen, wodurch die Drehzahl begrenzt wird. Da insbesondere bei Dieselmotoren mit höheren Drücken gearbeitet wird, sind diese Motoren massiver ausgeführt und haben somit mehr Schwungmasse, was ebenfalls die Drehzahl deutlich begrenzt. Die Verbrennung kann durch die Zufuhr des Kraftstoffes (siehe auch: Einspritzverfahren) beeinflusst werden, thermodynamisch ideal wäre eine Gleichdruckverbrennung.

Einteilung nach dem Zündverfahren

- Fremdzündung
- Selbstzündung Die Fremdzündung kommt beim Ottomotor vor. Bei der Fremdzündung wird das Entzünden des Kraftstoff- Luftgemisch durch eine Zündkerze eingeleitet, optimal kurz vor dem oberen Totpunkt. Die Selbstzündung kommt beim Dieselmotor vor. Bei der Selbstzündung wird erst reine Luft stark verdichtet und kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die große Hitze entzündet sich der Kraftstoff selbst.

Einteilung nach der Füllungsart

- Saugmotor
- Ladermotor

Einteilung nach dem Kühlverfahren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)
- Wassergekühlt
- Luftgekühlt
- Ölgekühlt
- Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung (SAME)

Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden Otto- und Dieselmotoren gebaut als
- Einzylinder (1)
- Reihenmotor (2, 3, 4, 5, 6, 8)
- V-Motor (2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16)
- VR-Motor (6, 8)
- W-Motor (3, 8, 12, 16)
- Boxermotor (2, 4, 6, 12)
- Sternmotor (3, 5, 7, 9)
- Gegenkolbenmotor (nur 2-Takt) Die Zahlen in Klammern sind typische Zylinderzahlen.
Im Rennsport werden, auch trotz der höheren Unwucht, V-Motoren mit drei Zylindern gebaut.

Exotische Bauarten von Motoren

- Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. Beim Wankelmotor rotiert in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse ein bogig-dreieckiger Kolben in einer nur leicht oszillierenden Bewegung. Durch die anhaltende Bewegung in immer gleichbleibender Drehrichtung ergibt sich ein sehr ruhiger Motorlauf. Der Kreiskolbenmotor ist sehr kompakt aufgebaut und benötigt keine Ventilsteuerung. Abgesehen von der unterschiedlichen Bewegungsart entspricht das Prinzip der Krafterzeugung dem des Ottomotors. Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung in einer Scheibe ausgeführt. So wie beim Hubkolbenmotor mehrere Zylinder vorhanden sind, können auch beim Wankelmotor mehrere Scheiben kombiniert sein.
- Der Stelzer-Motor, benannt nach seinem Erfinder Frank Stelzer, ist ein Zweitakt-Freikolbenmotor. Im Stelzer-Motor wird während des gesamten Arbeitsablaufes nur der Kolben bewegt. Seine unterschiedlichen Kolbendurchmesser öffnen und schließen verschiedene Öffnungen im Gehäuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel.
- Beim Kugelkolbenmotor handelt es sich im Grundkonzept um einen Drehkolbenmotor, der als Besonderheit sowohl die Einlass-Steuerung wie auch die Brennraumgröße durch eine Taumelbewegung realisiert.
- Der Druckzellenmotor ist bis jetzt nur ein Konzept.

Kraftstoffe

- Ottokraftstoff (Siehe auch Oktanzahl)
- Dieselkraftstoff
- Pflanzenöl, Pflanzenöl nach Veresterung ist Biodiesel
- Methylester (als Beimischung zum Diesel)
- AutoGas (LPG)
- Erdgas (CNG)
- Methan (Biogas)
- Alkohol (rein oder als Beimischung)
- Teeröl (für Schiffsmotoren)
- Kohlenstaub
- Wasserstoff
- Generatorgas
- Gichtgas
- Silan (in Entwicklung)
- Nitromethan (meist nur als Kraftstoffzusatz)

Wichtige Motorenbauer

- Carl Benz
- Lebon d'Humbersim
- Rudolf Diesel
- Etienne Lenoir
- Nikolaus Otto
- Eugen Langen
- Gottlieb Daimler
- Wilhelm Maybach
- Siegfried Marcus
- Robert Stirling
- Felix Wankel
- Ludwig Elsbett
- Frank Stelzer

Siehe auch

- Stirlingmotor
- Motorelektronik
- Freikolbenmotor
- Abgasrückführung
- Big Block

Weblinks

- [http://www.niester.de/n_technik/motoren/motoren.html Motoren allgemein]
- [http://www.motorrad.de/v2.0/techniktipps/zweitakt/zweitakt.html Zweitaktmotor] Kategorie:Verbrennungsmotor ja:内燃機関

Ottomotor

] Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor, bei dem der Kraftstoff in die angesaugte Luft während des Ansaugvorganges eingebracht wird, was ein zündfähiges Gemisch im Zylinder ergibt. Das Einbringen des Kraftstoffs erfolgt durch einen Vergaser oder über eine (heute meist elektronisch gesteuerte) Einspritzung. Mit Hilfe einer Zündkerze wird kurzzeitig ein elektrischer Funkenüberschlag, der Zündfunke, erzeugt, mit dem das Gemisch zur kontrollierten Explosion gebracht wird. Die Kraftentfaltung wird dann in mechanische Arbeit umgesetzt. Als Kraftstoff dient hauptsächlich Benzin, aber auch Flüssiggas, Erdgas und sogar Wasserstoff kann abhängig von den Einstellungen verwendet werden. Ottomotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor ausgeführt sein, wobei der Viertaktmotor die gebräuchlichere Bauart ist. Klassische Merkmale des Ottomotors sind:
- Fremdzündung: Das Gemisch wird definiert gezündet.
- Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden vor dem Brennraum gemischt.
- Quantitätsregelung: Die Leistung wird über die Menge des zugeführten Kraftstoff-Luft Gemisches geregelt. An die letzten beiden Merkmale halten sich "Benzin-Direkteinspritzer" (FSI- und GDI-Motoren) allerdings nicht mehr so genau. Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ist nicht mehr an die Einlaßsteuerzeiten gebunden und kann auch in der Verdichtungsphase erfolgen. Außerdem werden Schichtladungen ermöglicht, siehe Magermotor, mit zündfreudigem stöchometrischem Gemisch (d.h. 14,7 Teile Luft : 1 Teil Kraftstoff) um die Zündkerze und mageren Gemischen im restlichen Brennraum. Der HCCI-Motor benötigt keine Fremdzündung mehr.

Geschichte

Der Ottomotor wurde Ende des 19. Jahrhunderts von Nikolaus August Otto, auf Basis des erheblich leistungsschwächeren 3- Takt Gasmotors von Lenoir entwickelt. Die wesentliche Neuerung war die Einführung eines Verdichtungstaktes. Ottos erste Konstruktion hatte allerdings mit den heutigen Motoren wenig Ähnlichkeit. Es handelte sich um einen atmosphärischen Motor, d.h. die Explosion schleuderte den Kolben hinaus, der frei wegflog. Erst auf dem Rückweg leistete er (bzw. der Atmosphärendruck) über eine Zahnstange Arbeit. 1876 erwarb Otto in Deutschland ein Patent auf einen Verbrennungsmotor, welches auch das Viertakt-Prinzip mit einschloss. Wegen älterer Ansprüche des Franzosen Alphonse Beau de Rochas wurde das Otto-Patent 10 Jahre später in Deutschland aufgehoben. Gottlieb Daimler und Carl Benz bauten 1886, unabhängig davon 1888 - 89 in Wien Siegfried Marcus die ersten Kraftfahrzeuge mit einem Ottomotor. Der Begriff Otto-Motor geht zurück auf eine Anregung des VDI aus dem Jahre 1936 und wurde erstmals im Jahre 1946 in der DIN Nr. 1940 verwendet.

Siehe auch

- Dieselmotor
- Elektronische Einspritzanlage
- Hybridmotor
- Otto-Prozess
- Wankelmotor (auch Kreiskolbenmotor genannt).
- HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition)

Weblinks

- [http://www.k-wz.de/vmotor/v_omotor.html interaktive Animation des Ottomotor-Prozesses] Kategorie:Verbrennungsmotor ja:ガソリンエンジン

Wankelmotor

Der Wankelmotor (auch: Kreiskolbenmotor) ist ein Verbrennungsmotor, bei dem keine zylindrischen Kolben in einem Zylinder in axialer Richtung hin- und herbewegt werden. Stattdessen findet sich die umkehrfreie Bewegung eines so genannten Kreiskolbens, der – auf einer Exzenterwelle angeordnet – in einem Trochoidgehäuse kreist und gleichzeitig um seine eigene Achse rotiert. Die Kontur des Kreiskolbens besteht aus drei abgeflachten Kreisbögen und sieht wie ein "bauchiges" Dreieck aus (Reuleaux-Dreieck). Die Ecken stehen ständig in Kontakt mit dem Trochoidgehäuse und bilden so drei unabhängige Arbeitsräume. Benannt ist der Wankelmotor nach seinem Erfinder Felix Wankel, der ihn ab 1954 entwickelt hat. Zuerst wurde er als Drehkolbenmotor (DKM54) ausgeführt. Später setzte der NSU-Ingenieur Hanns Dieter Paschke den Außenläufer still, so entstand der KKM57P.

Beschreibung des Arbeitsablaufes für einen Arbeitsraum

Hanns Dieter Paschke Ein Arbeitsraum läuft am Einlassschlitz vorbei, wobei ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt wird. Durch den bei der Drehung des Kreiskolbens immer kleiner werdenden Arbeitsraum wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in diesem Arbeitsraum verdichtet. Nach dem Gasgesetz erwärmt es sich durch die Verdichtung. Schließlich erreicht es den Ort der Zündkerze. Jetzt hat das Kraftstoff-Luft-Gemisch seine höchste Dichte und wird gezündet. Durch die Verbrennung wird der Kreiskolben beschleunigt. Man spricht dabei vom Arbeitstakt. Im Gegensatz zu einem Otto- oder Dieselmotor geht die bei der Verbrennung freiwerdende Energie direkt in eine Drehbewegung der Kurbelwelle über. Mit weiterer Drehung des Arbeitsraumes vergrößert sich das Brennraumvolumen wieder. Der Auslassschlitz wird erreicht, das Abgas wird durch diesen ausgestoßen. Dieser Zyklus wird von jedem der drei Arbeitsräume durchlaufen, was bedeutet, dass bei einer Kolbenumdrehung drei Zündungen stattfinden. Anmerkung: Der Kreiskolbenmotor arbeitet nach dem Viertaktprinzip. Die Taktdauer beträgt beim Wankelmotor 270° und ist somit 50% länger als beim 4T-HKM (4-Takt-Hubkolbenmotor). Ein kompletter Viertaktdurchgang umfasst 1080° gegenüber 720° beim 4T-HKM.

Vor- und Nachteile (gegenüber dem Hubkolbenmotor)

Viertaktprinzip Ein Vorteil des Wankelmotors ist sein relativ einfacher Aufbau. Er hat nur wenige bewegliche Teile (je nach Bauart unterschiedlich viele, meist zwei Kreiskolben und die Exzenterwelle). Dadurch, dass sich alle Teile nur um ihren Schwerpunkt drehen, kann man einen Wankelmotor vollkommen auswuchten. Der Wankelmotor hat wegen einer um 50 Prozent längeren Taktdauer eine weit größere Gleichförmigkeit im Motorenlauf als ein Hubkolbenmotor. Die Kraftübertragung geschieht direkt auf die Exzenterwelle und benötigt keinen Umweg über die beim Hubkolbenmotor vorhandenen Pleuel. Auch benötigt ein Wankelmotor keinerlei Ventile wie ein Viertakt-Hubkolbenmotor. Darüber hinaus hat er einen niedrigen Oktanzahlbedarf und eine höhere Ausfallsicherheit. Der Wankelmotor besitzt eine relativ geringe Baugröße. Das heißt, er ermöglicht eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht. Der Grund liegt in der kompakteren Anordnung von Exzenterwelle und Läufer im Vergleich zu Kolben, Pleuel und Kurbelwelle beim Hubkolbenmotor. Auch benötigt man nur die Hälfte an Kammervolumen im Vergleich zum Hubraum des Viertakt-Hubkolbenmotors, weil bei jeder Exzenterwellenumdrehung ein Arbeitstakt pro Kammer stattfindet. Durch die räumliche Trennung von Ansaug- und Verbrennungsraum ist der Wankelmotor besonders für den Wasserstoffbetrieb geeignet. Durch die Abwesenheit von heißen Auslassventilen ist zudem die Klopffestigkeit gegenüber dem Viertakt-Hubkolbenmotor gesteigert. Bei Viertakt-Hubkolbenmotoren kann sich das Gemisch nämlich vorzeitig an den heißen Auslassventilen oder der heißen Zündkerze entzünden. Der Wankelmotor eignet sich besonders für den Schichtladebetrieb, weil zum Einspritzen mehr Zeit zur Verfügung steht und die Ladungsschichtung sich ohne Hilfsmittel einstellt. Schichtladebetrieb Der Hauptnachteil des Wankelmotors ist sein sehr flacher, langgestreckter Verbrennungsraum, der im Vergleich zum Hubkolbenmotor ein ungünstiges Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und -oberfläche hat und deshalb relativ viel Energie in Form von Verlustwärme verlorengeht. Bei alten Wankelmotoren mit Umfangsauslass wurde relativ viel Gemisch unverbrannt zum Auslassschlitz ausgeschoben. Dies führte zu hohen HC-Werten im Abgas. Gleichzeitig hatte man eine unerwünscht hohe Abgasrückführungsrate, was zu Zündaussetzern im Leerlauf und im Teillastbetrieb führen konnte. Dies kann man mit einem Seitenauslass vermeiden, wie er beim Mazda Renesis in der Serie eingesetzt wird. Dort wird kein unverbranntes Gemisch mehr durch den Auslass ausgestoßen. Das Ausschieben von unverbranntem Gemisch reduziert man durch die Verwendung einer Doppelzündung und/oder auch mit einer einzigen Kerze in der Late-Trailing-Position (Late Trailing = die nacheilende Kerze ist weit oberhalb der Einschnürung angeordnet); der Verbrauch wird so gegenüber den frühen Ausführungen um etwa 30 Prozent gesenkt. Die zweite Kerze ist ohnehin bei Flugzeugmotoren wegen der damit verbundenen höheren Ausfallsicherheit Pflicht. Im Mazda 26B (24-Stunden-Rennen von Le Mans 1991) wurde sogar eine Dreifach-Zündung eingesetzt, womit ein spezifischer Verbrauch von 210 g/Psh bei 6000 Upm erreicht wurde. Mazda hat die Äquidistante (Abstand zwischen rechnerischer Trochoide zur tatsächlichen Laufbahn) beim Renesis (RX-8) gegenüber den bisherigen Mazda 13B verkleinert; hierdurch wurde das Volumen der Zwickel verkleinert und im Gegenzug der Verbrennungsraum mehr in die Brennraummulde des Läufers verlagert. Man hat somit die Brennraumoberfläche und das Volumen der Zwickel verringert.Schichtladebetrieb Beim Wärmeübergang kann man nicht eindeutig nur die Brennraumoberfläche betrachten, weil auch Brennraumdrücke beim Wärmeverlust und die herrschenden Brennraumtemperaturen berücksichtigt werden müssen. Auch sieht man heute eine drehzahl- und temperaturabhängige Kühlung des Läufers vor. Bei aktuellen Mazda-Modellen werden die Läufer bis 60°C Öltemperatur überhaupt nicht gekühlt, darüber erst ab einer Motordrehzahl von 3000 U/min. So erreicht man eine lastkonforme Kühlung des Läufers, was den Wirkungsgrad des Motors verbessert. Insgesamt verringert man den Wärmeverlust allgemein durch heute deutlich höhere Betriebstemperaturen. Das Wärmemanagement eines modernen Viertakt-Hubkolbenmotors ist ähnlich kompliziert. Während beim Hubkolbenmotor der Brennraum im Ansaugtakt durch das Frischgas gekühlt wird, bildet sich beim Wankelmotor eine heiße Zone (warmer Bogen) aus, die gekühlt werden muss. Den mit einer ungleichmässigen Temperatur des Motorblocks verbundenen Wärmeverzug kann man beim Wankelmotor durch entsprechende Kühlwasserführung und/oder Stahleinlagen (zum Beispiel SIP-Verfahren bei Mazda) in tolerierbaren Bereichen halten. Der scheinbare Nachteil der räumlichen Trennung von Verbrennungs- und Verdichtungsraum macht den Wankelmotor besonders geeignet zur Verbrennung von Wasserstoff und ähnlichen Brennstoffen mit geringer Oktanzahl, da sich das Gasgemisch nicht vorzeitig an heißen Bauteilen (wie etwa den Auslassventilen und der Brennraumoberfläche) entzünden kann.

Fahrzeuge mit Wankelmotor

Oktanzahl

Automobile

- Mazda RX-8 (seit 2003)
- Mazda RX-7 (1978 - 2002)
- Mazda RX-5 (1975 - 1981)
- Mazda RX-3 (1972 - 1977)
- Mazda RX-2 (1971 - 1974)
- Mazda 110 S Cosmo Sport (1967 - 1972) 1. Serienwankel mit Zweischeibenmotor
- Mazda 787B (1991 LeMans 24h Gewinner)
- NSU Ro80 (1967 - 1977)
- NSU Wankel Spider (1964 - 1967)
- Audi 100 C2 (1976 - 1977) ca. 25 Prototypen in der Erprobung
- Citroën GS Birotor (19?? - 19??)
- Citroën M35 (19?? - 19??)
- Datsun ?? (19?? - 19??)
- Mercedes-Benz C111 (Prototyp 1969 - 197?)
- IFA (MZ, Trabant, Wartburg), einzelne Prototypen von 1961 bis Ende der 1960er Jahre
- Lada (1970er - 1990er Jahre)
- Die Flugautos M200 und M400 der Firma Moller Moller

Motorräder

- Hercules W 2000 "Staubsauger" Hercules Wankel
- Suzuki RE 5
- Van Veen OCR 1000
- Norton P41 "Interpol II"
- Norton P43 "Classic"
- Norton P52 "Commander Police"
- Norton P53 "Commander Civilian"
- Norton P55 "F1"
- Norton P55B "F1 Sports"

Weitere Anwendungen

Anwendung findet der Wankelmotor auch als Flugzeugantrieb. Auch als Antrieb für Gurtstraffer kommen kleine Wankelmotoren zum Einsatz. Eine Variante ist der "Wankel-Fremdzündungsdiesel", ein Vielstoffmotor, der mit Fremdzündung für den Antrieb von sogenannten Drohnen arbeitet. Zwar wird hier Diesel als Kraftstoff mit eingespritzt, jedoch kommt die dieseltypische Selbstzündung nicht zum Einsatz. Die 1998 begonnene Entwicklung ist bis zum heutigen Tage (2004) nicht zu einem Abschluss gekommen. Die englische Firma UAV ist zur Zeit der Weltmarktführer bei Drohnen-Wankelmotoren. Die Wankel Supertec hat einen Fremdzündungsdiesel-Wankelmotor entwickelt, der im Verbrauch an hochoptimierte HKM-TDIs heranreicht. Seit neuerem werden auch Karts von Wankelmotoren angetrieben. Die Vorteile liegen im geringen Gewicht, den wenigen bewegten Teilen im Vergleich zum Viertaktmotor und der gleichmäßigen, turbinenartigen Leistungsentfaltung. Die Leistung beträgt über 30 kW bei einem Hubraum von weniger als 300 cm³ und einem Gewicht von 17 Kilo. Der Achsantrieb erfolgt über eine Fliehkraftkupplung ohne Getriebe, was einen gleichmäßigen Drehmomentverlauf erfordert.

Kraftfahrzeugsteuer (in Deutschland)

Wankelmotoren werden nach dem zulässigen Gesamtgewicht wie LKWs besteuert. Die Höhe der PKW-KFZ-Steuer bemisst sich in Deutschland nach dem Hubraum. Der NSU-RO80 mit knapp 1000 ccm Kammervolumen und 115 PS hätte bei Anwendung der damaligen Hubraumsteuer von 14,40 DM/100 ccm eine Steuer von nur 144,00 DM/Jahr bedeutet. Um Wankelmotoren gegenüber Hubkolbenmotoren nicht zu begünstigen, wollten die Steuerbehörden zuerst das Kammervolumen doppelt rechnen, da ein Auto mit 115 PS zu dieser Zeit einem Hubraum von 2 Litern eines Hubkolbenmotors entsprach. Nach etlichen Verhandlungen einigte man sich aber auf die Anwendung der LKW-Steuer, die damals und auch heute noch bei 198,00 DM (umgerechnet in €)/Jahr liegt.

Literatur

- Andreas Knie, Wankel-Mut in der Autoindustrie, 290 Seiten - Edition Sigma, ISBN 3894041455
- Richard F. Ansdale, Der Wankelmotor. Konstruktion und Wirkungsweise, 228 Seiten - Motorbuch Vlg., Stuttgart, ISBN 3879432147

Weblinks

- [http://www.der-wankelmotor.de/ Informationen über den Wankelmotor]
- [http://members.aol.com/rotaryroster/index.html?f=fs Flugzeuge mit Wankelmotor]
- [http://www.rotaryeng.net/Wankel_prinzip.wmv Film "Das Prinzip"] (wmv-Datei) Kategorie:Verbrennungsmotor ja:ロータリーエンジン

Motorsteuerung

Eine Motorsteuerung ist ein eigens entwickelter Computer (Motorsteuergerät), der die Steuerung der Zündung und elektronischer Einspritzanlagen übernimmt. Bei moderneren Verbrennungsmotoren werden außerdem mit der elektronischen Drosselklappe und dem Luftmassensensor die Luftmasse, das Gemischverhältnis (Luft zu Kraftstoff) und die katalytische Abgasreinigung sowie die Abgasrückführung und mit einem variablen Ventiltrieb die Öffnungs- und Schließ(kurbelwellen)winkel der Ein- und Auslassventile den momentanen Erfordernissen entsprechend eingestellt. Bei Motoren mit geeignetem Turbolader kann auch der Ladedruck geregelt werden. Genaugenommen handelt es sich dabei meistens nicht um eine offene Steuerung, sondern um eine geschlossene Regelung, weil der mit einem Sensor gemessene Istzustand mit einem berechneten Sollzustand verglichen wird (Rückkopplung) und über einen Aktuator dann die Abweichung im geschlossenen Regelkreis minimiert wird. Um dies Missverständnis zu vermeiden, wird bei der Software in der Motorsteuerung auch vom elektronischen Motormanagement gesprochen. Moderne Motoren werden mit 32-Bit Prozessoren ausgestattet, um die in Echtzeit benötigten Rechenoperationen genügend schnell und genau zu verarbeiten. Vorteilhaft kann aber auch sein, Motorsteuerungen mit FPGAs auszuführen, da diese bei Bedarf interne Mikroprozessoren per Programm enthalten können, aber gleichzeitig auch die Möglichkeit bieten, digitale Funktionen schneller auszuführen. Soweit die Stückzahlen es erlauben, findet man auch in ASICs integrierte Mikrocontroller. Charakteristisch für einen Motorsteuerungscomputer ist das integrierte Interface für analoge und digitale Eingangssignale von Sensoren und Ausgangssignale für Aktoren. Typische Eingangssignale sind unter anderem die Motordrehzahl, der Drosselklappenwinkel, die Luftmasse, verschiedene Temperaturen und Drücke sowie das Klopfsensorsignal. Typische Ausgangssignale aktivieren die Zündung und die Einspritzventile sowie bei modernen Motoren unter anderem den Drosselklappensteller, das Abgasrückführungsventil, den Turbolader und die Nockenwellenverstellung. Hersteller von Motorsteuerungen sind unter anderem:
- Robert Bosch GmbH
- Siemens VDO Automotive AG
- Denso

Siehe auch

Motorsteuergerät

Weblinks

- [http://www.bgsoflex.com/megasquirt.html Open Source Motorsteuerungsprojekt] Kategorie:Elektronik Kategorie:Verbrennungsmotor

Emission (Umwelt)

Emission (lat. emittere, herausschicken, heraussenden) bedeutet Austrag von Schadstoffen, aber auch von Lärm, Licht, Strahlung oder Erschütterungen, aus/von einer entsprechenden Quelle (= Emittent). Beispiele sind gasförmige Schadstoffemissionen aus Autos oder Schornsteinen, flüssige Emissionen aus Altlasten, staubförmige Emissionen von Halden oder Emissionen von Lärm. Jede Emission hat eine Immission (Eintrag) in ein Umweltmedium zur Folge. Emissionen sind nicht nur anthropogenen Ursprungs, es gibt auch natürliche Emittenten, zum Beispiel emittieren Rinder und Sümpfe Methan, Pflanzen emittieren Pollen und VOC, Vulkane emittieren Schwefeldioxid. Ein wesentliches Ziel des Umweltschutzes ist es, schädliche Emissionen möglichst abzustellen oder so weit wie möglich zu reduzieren.

Siehe auch

Bundes-Immissionsschutzgesetz, Emissionsrechtehandel, Extensionalisierung, Elektrosmog, Emissionsmessung</