Wenn nicht für die Kolbenmotor, fällt es der Mehrheit der Erwachsenen in der modernen Gesellschaft schwer, im Alltag dorthin zu gelangen, wo sie sein müssen. Wer ein konventionelles Kraftfahrzeug fährt oder mitfährt, profitiert von einem solchen Motor (Elektroautos haben keine Kolben, sondern werden rein von Motoren.)
Auch bekannt als a Hubkolbenmotor, das Hauptmerkmal dieser Motoren, die sie übersetzen Druck in Rotationsbewegung. Diese Rotationsbewegung – also eine Bewegung um eine physikalische oder begriffliche Achse – lässt sich in translatorische und andere Bewegungsformen mit Leichtigkeit, z. B. wenn die Reifen Ihres Autos Sie und der Rest des Fahrzeugs, das darüber hängt, die Straße.
Es gibt verschiedene Typen von Kolbenmotoren, von denen der bekannteste gerade beschrieben wurde – der Verbrennungsmotor, die gasbetriebene Automotoren und andere Untertypen umfasst. Zu den anderen Kolbenmotorvarianten zählen die externer Verbrennungsmotor und der Stirlingmotor.
Sie erfahren unter anderem, dass Atomkraftwerke mit Old-West-Lokomotiven mehr gemeinsam haben, als Sie vielleicht denken, und in allgemein ein Verständnis dafür gewinnen, wie sich Not und menschlicher Einfallsreichtum wieder einmal zu etwas Bemerkenswertem und Veränderndem zusammengetan haben.
Die Kolben- und Zylinderbaugruppe
Aus irgendeinem Grund scheinen Kolben mehr Aufmerksamkeit von den Alltagsleuten zu bekommen als das, was sie funktional macht, nämlich die zylindrische Kammer, in der sie untergebracht sind. Ungeachtet seiner Bekanntheit ist der Kolben-Zylinder das Herzstück des einzigen Geräts, das die Welt wohl mehr verändert hat als jede einzelne Maschine, und das ist der Verbrennungsmotor.
Ein Kolben ist selbst ein Zylinder mit geschlossenem oder massivem Kopf, der sich innerhalb eines größeren zylindrischen Gehäuses hin- und herbewegt, dem der Name des Zylinders zugrunde liegt. Der Kolben kann sich bewegen gegen Flüssigkeitsdruck oder durch Flüssigkeitsdruck bewegt werden. Bei einer Dampfmaschine ist der Kolben an beiden Enden geschlossen; ein Stab geht durch die Mitte, aber die Verbindung ist fest verschlossen. Bei einem Benzinmotor ist er an einem Ende offen, um die Schwingung (Vor- und Zurückbewegung) anderer beweglicher Teile innerhalb des Motors zu ermöglichen.
Wie ein Kolbenmotor funktioniert
Die Bewegungen eines Kolbenmotors sind eng aufeinander abgestimmt und orchestriert. Ein Motor kann aus einem einzigen Kolben bestehen, obwohl dies ungewöhnlich ist. Verschiedene Konfigurationen einschließlich mehrerer Kolben- und Zylinderkombinationen sind möglich, einschließlich Reihen, "V"-Formen und "Zickzack"-Kombinationen davon.
Abgesehen von der Anzahl der einzelnen Kolben verhalten sich alle diese Motoren im Allgemeinen gleich, unabhängig davon, wie viel Leistung sie erzeugen können oder welcher Brennstoff die Druckquelle im Inneren des Zylinder.
Der Klassiker Viertaktzyklus eines reziproken Motors weist vier Schritte oder Prozesse auf:
Aufnahme: Im ersten Schritt des Viertaktzyklus wird eine Art Kraftstoff durch eine Einlassöffnung oben in den Zylinder gepresst, die den Kolben an den Boden des Zylinders drückt.
Kompression: Der Kolben wird dann wieder nach oben gedrückt, wodurch der Kraftstoff komprimiert und bei den meisten Motoren über eine Zündkerze gezündet wird. Bei Dieselmotoren reicht es aus, den Kraftstoff ausreichend zu verdichten, um ihn zu entzünden (in der Physik steigen Druck und Temperatur zusammengenommen an).
Zündung: Durch die Zündung des Kraftstoffs wird der Kolben wieder nach unten gedrückt und erzeugt so nützliche Arbeit (eine physikalische Größe, die der nutzbaren Energie ähnelt) an den Motor. Dieser "Schlaganfall" wird alternativ als Verbrennung oder Leistung Schritt.
Auspuff: Die Abfallchemikalien aus der Verbrennung des Kraftstoffs werden durch eine Auslassöffnung ausgestoßen und der Zyklus wiederholt sich. Trotz der scheinbar gründlichen Natur der vier Takte wiederholt sich der Zyklus in Standardautos effizient Tausende von Malen pro Minute – etwa 50 bis 100 Mal pro Sekunde.
- An dieser Stelle werden Sie vielleicht zum ersten Mal richtig verstehen, warum Ihr Motor unbedingt ein Schmiermittel oder Motoröl benötigt; selbst in einem perfekt abgestimmten Top-End-Motor ist das eine Menge unvermeidlicher Reibung, die irgendwie angegangen und abgebaut werden muss.
Der Kolbenmotor mit externer Verbrennung
Das Vorstehende beschreibt die Welt, in der Sie leben, in der Autos praktisch universell sind. Das war natürlich auch in der relativ jüngeren Menschheitsgeschichte nicht immer so.
Der französische Militäringenieur Nicolas-Joseph Cugnot stand hinter einem der ersten Versuche, eine Flüssigkeit zum Antrieb eines Kolbens in einem Zylinder zum Antrieb eines Fahrzeugs zu verwenden. (EIN Flüssigkeit ist ein Gas oder eine Flüssigkeit, wie Dampf oder Wasser, wobei ersteres die gasförmige Form des letzteren ist.) 1769 baute Cugnot einen plumpen dreirädrigen "Dampf". Wagen", der Kanonen tragen sollte und etwa 5 Kilometer pro Stunde erreichen konnte, aber die Tendenz hatte, außer Kontrolle zu geraten und Absturz.
Mitte des 19. Jahrhunderts war die Dampfkraft so weit verbreitet, dass die damit verbundenen technologischen Fortschritte enorme Verbesserungen ermöglichten. Der Dampflokomotivzug ist ein großartiges Beispiel für einen (jetzt veralteten) Verbrennungsmotor: Extern weil Kohle, die angezündet und verbrannt wurde draußen der Motor (in einem Ofen) wurde verwendet, um große Mengen Wasser zu kochen, wodurch Dampf erzeugt wurde, der dann in die Zylinder im Inneren des Motors gepumpt wurde.
Der Verbrennungsmotor mit Kolben
Im Jahr 1826 wurde der Amerikaner Samuel Morley sicherte sich das erste Patent für eine Art Motor, der die Zündung des Kraftstoffs und die Expansion des Zylinders aufgrund der resultierenden Druckerhöhung an den gleichen physikalischen Ort stellte. Aber erst 1858 produzierte Morley einen dreirädrigen Wagen mit einem Verbrennungsmotor, der mit "Kohlengas" betrieben wurde und eine Reise von 80 Kilometern zurücklegte.
Ein wichtiger Fortschritt bei der Konstruktion von Verbrennungsmotoren war die Fähigkeit, das Gas vor der Zündung zu komprimieren, um die Verbrennung des Kraftstoffs zu erleichtern; Druck und Temperatur eines Gases neigen dazu, gemeinsam zu steigen, während die Verringerung des Volumens eines Gases (dh das Komprimieren) seinen Druck erhöht.
Sobald sich der Verbrennungsmotor einer entfernt kompakten Größe näherte, begannen Ingenieure und Träumer sofort davon zu träumen, wie sie damit die ersten Flugmaschinen antreiben könnten.
Flugzeugmotoren
In den 1880er Jahren experimentierten wagemutige Erfinder mit, wenn nicht sogar mit fliegenden Maschinen, „Hüpfmaschinen“, die dampf- oder gasbetriebene Kolben verwendeten Motoren, einige schaffen es bis zu 50 Meter weit, aber viele andere werden im Kampf zerstört, den menschlichen Beobachtungshorizont zu erweitern und zu reisen Grenzen.
Das Wright-Brüder, Orville und Wilbur, sind heute berühmt, aber sie waren eigentlich etwas späte Einsteiger in das späte 19. Jahrhundert Version des "Weltraumrennens", das sich über ein halbes Jahrhundert später zwischen den Vereinigten Staaten und den Sowjets entwickeln sollte Union. 1899 machten sie ihre Due Diligence und experimentierten viel mit Segelflugmaschinen, bevor sie versuchten, sie mit Motoren auszustatten und so mehr über die zugrunde liegende Aerodynamik zu erfahren.
Seit dem ersten Siegesflug der Gebrüder Wright 1903 in Kitty Hawk, North Carolina, hat der Verbrennungsmotor einen langen Weg zurückgelegt. Während Düsentriebwerke werden heute in großen Verkehrs- und anderen Hochleistungsflugzeugen eingesetzt, die meisten kleineren und privaten Flugzeuge werden noch immer mit Propellern und Verbrennungsmotoren gebaut.
- Sie können oft Hubkolbenmotoren für Flugzeuge sehen, die als Wärmekraftmaschinen bezeichnet werden, aber alle mit Verbrennungsmotor Motoren sind Wärmekraftmaschinen, wobei Verbrennungsmotoren die andere primäre Kategorie von Wärme sind Motoren.