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T30

Wärmestau in der Motormitte ?

Eine wiederholt  gestellte  Frage bei Drehkolbenmaschinen ist die Verhinderung von Wärmestauungen in der Motormitte.
Die Frage stellt sich durch die vom Viertaktmotor bekannten Kühlprobleme, bei denen  80% Verbrennungswärme abgeführt werden müssen, um den Motor funktionsfähig betreiben zu können, oder anders, damit  20% Arbeit genutzt werden können.
Man denke an den Ölstrahl in den Hubkolben  zwecks Kühlung.
Auf den Eintaktmotor bezogen, liegt das Problem anders, aber schwer verständlich. Wo keine Motormitte ist, aber nur heiße Luft, kann sich keine Wärme anstauen. Die Drehkörper sind hohl und werden zwar aufgeheizt, aber gleichzeitig durch die Expansion " gekühlt".
Bei der Eintakt- Verbrennung hat man den Vorteil, dass nur 20% Wärme heruntergekühlt werden muß.
Die starke Expansion nach der Explosion erfolgt ohne Wärmezufuhr. Dass sind bei einem 40 KW Motor nur 8 kW bzw. ca. 2.2 W/ min. die als Wärmemenge abgeführt werden müssen, also relativ wenig.
Diese 8 kW können zwar die Drehelemente und den Zylinder bis 300°C oder auch höher aufheizen, bis zu dem Punkt, an dem sich die Temperatur stabilisiert. Wärme- Zufuhr und -Abfuhr stabilisieren sich durch eine lange Expansionsstrecke und durch die Güte der Isolierung am Außenkörper, bis das Wärmegleichgewicht gehalten wird. Ab dieser Temperatur wird die Wärme durch die Arbeit im heißen Zylinder an den Zylinderwänden konstantgehalten. Steigen kann die Temperatur nicht, den die Leistung wird wird von einem Maximum ab - heruntergeregelt.

Ein Teil der Wärmeleistung durch die Explosion -  dient dem  Aufheizen der Zylinderwand bis zum Maximum.  Siehe: <Wärmeabgabe in Watt> .

Interessant ist die Beobachtung bei Vorversuchen, aus denen  man schließen könnte, die kurzzeitig gestaute Wärme im Zylinder und an den den Drehkörpern der Arbeit zugute kommt,  wie das untenstehende Eintaktdiagramm zeigt.
Die gestrichelt eingezeichnete Linie zeigt dem Verbrennungsablauf in einem kalten Zylinder, der auf den ersten Blick eine Verwandtschaft mit der Dampmaschine aufweist, nur etwas kürzer ist. Mit einem Bogen nach außen, der nur in einem heißen glühenden Zylinder entsteht vergrößert sich das Leistungsfeld (schraffiert im Diagramm)  erheblich.
Dieser Vorgang bedarf zwar noch einer genauen Untersuchung am Prüfstand, denn der Bogen nach außen könnte unter günstigsten Bedingungen noch ausgeweitet werden. Das ist von vielen Faktoren abhängig. 

daex1.jpg (15351 Byte)

 

  1. Der relativ kühle Kraftstoff der auf die Sperrwalzen aufgesprüht wird - verdampft teilweise und wird mechanisch aufgearbeitet.
Der Kraftstoff wird stark vorgewärmt, das entspricht ebenfalls einer Kühlung aus der Motormitte. Weil zu erwarten ist, dass die Sperrwalzen kühler bleiben als der Drehkolben.
Beim Laden genügt ein geringer Wärmestoß durch den Überschallzusammenprall der aber nicht eine zuverlässige Zündung gewährleistet, aber durch den Dauer- Zündfunken, der Glühwand,  auch bei niedriger Verdichtung ohne Aussetzer  das Gemisch explodieren läßt.
  2. Es erfolgt nach der Explosionsverbrennung die Expansion ohne Wärmezufuhr die mit einem erheblichen Wärmeentzug verbunden ist und größer wird, je besser die Expansionsmöglichkeit ist. Beim einflügligen Expansionsmotor <Zweiwellenmotor> dürfte es je nach Leistung diesbezüglich  keine Probleme geben.
Diese Motorausführung ist bei den Fachleuten gut Angekommen, und es ist zu hoffen, dass der Stein ins Rollen kommt.
  3. Der Drehkolben kann, wie vorgesehen als <Dünnwandausführung>mit einer kräftigen <Hohlwelle> ausgeführt werden, so dass diese Leichte Ausführung den schnellen Wechsel der der zugeführten und durch die Expansion abgeführten Wärmemengen mitmacht.
 
Die verdichtete vorgewärmte Luft oder das Gemisch hält die Temperatur des Drehkolbens konstant.
Die noch verbliebene Restwärme im Abgas heizt dann  rekuperativ die Verbrennungsluft auf.  
  
Ein Wirkungsgrad von  80% ändert die Ausgangslage, denn mit 15% bis 20% Restwärme (Verlustwärme) ist es möglich, einen stabilen Wärme- Zustand im Zylinder herzustellen.
Durch isobare Arbeit und die annähernd  isochore kurzzeitige Entspannung vor dem Auspuffen kommt quasi einer leichten  inneren Ausgleichkühlung gleich.

Nach dem Gesagten ist zu erwarten, dass es keine schwerwiegende Probleme gibt die Temperatur aus der Motormitte in akzeptablen Grenzen zu halten.

Die an der Oberfläche glühende Zylinderwand hat kaum Auswirkungen auf die Abgastemperatur, diese aufgeschaukelte Wärme kommt der Arbeit fast restlos zugute. Die Abgase werden  rekuperativ durch die verdichtete Frichluft oder das Gemisch zurückgekühlt. Siehe dazu das Kapitel: <Zündung bei 2 - 5 bar Verdichtung)>
Die Wärmeaufnahme der Glühschicht zeigt die Aufstellung als Vergleich zwischen einer   Metallschicht von 0,25 mm und eine poröse Keramikschicht ebenfalls von 0,25 mm dann kommt folgender Vergleich zustande:

Vergleich Metall und Keramik als Glühschicht
              Dichte       Gewicht         Fläche             spez. Wärme          Temperatur               Leistung
              gr/ cm3    der Probe      der Probe             Wh/kg K        von 120°C auf 500°C     
Metall        7,8             19,5 g        100 cm2               0,1337                    653 K                   1,50 W
Keramik    2.0               5,0 g        100 cm2               0,2350                    653 K                   0,75 W

Ob Metall mit einer Leistungsaufnahme von 1,5 W , oder 0,75 W als Keramikschicht, im Betriebszustand bleibt die Temperatur konstant. Der Energieverbrauch für diese Glühschicht entspricht praktisch den Wärmeverlusten die durch die Isolierung entweicht. Die Abstrahlungswärme am Motor Außenkörper:
Beträgt die Außentemperatur des wärmeisolierten Motors von 40 kW bei einer aktiven Oberfläche 2000 cm2, nimmt an der Oberfläche durch die Isolierung hindurch eine Temperatur von 65°C an, dann bedeutet das, aus dem inneren Drehkolbenbereich werden ca. 60 Watt ( 0,03 W/cm2 x 2000 cm2) als Wärmeverlust abgestrahlt.
Beispiel 2: Hat der Drehkolbenbereich ( Die Segmentzylinder + Sperrwalzen) eine Oberfläche von ca. 600 cm2 dann steht die Wärmebelastung zur Außenabstrahlung im Verhältnis also ( 2000: 60 = 3,3 x 0,03 W/cm2  = 0,99 W/cm2 ) nach der Tabelle bedeutet das Motor Zylinderwände nehmen eine Temperatur von ca. 366°C an. Natürlich wird die Temperaturverteilung nicht gleichmäßig ausfallen. Im Sperrwalzenbereich wird die Temperatur niedriger sein als im Drehkolben- Explosionsbereich. Es ist eine grobe Orientierung damit man die Verhältnisse abschätzen kann.
überschlägig angenommen halbiert sich annähernd die Restwärme.

Die Glühschicht  verliert praktisch  nur die Wärme, die nach außen über die Isolierung verloren geht und die Wärme die nach dem Reku ins Freie abbläst.
Eine  Kolbentemperatur von 200°C bis  500°C, also dunkle Rotglut, ist noch vorstellbar,  800°C, Gelbglut sind nach dem heutigen Stand der Technik nicht nachvollziehbar ( Klopfneigung), dass aber diese Spitzen- Temperaturen beim Betrieb eines wärmeisolierten Motors erwünscht sind, ist machbar denn diese werden nur öberflächlich erzeugt.
Einen Überblick über die Auswirkungen bekommt man durch die Tabelle zur <Betriebstemperatur> . die  bei bei unterschiedlichen Wandtemperaturen den Einfluß auf den Wirkungsgrad zeigt.

Ein aufschlußreiches Beispiel ist der <Gasbrenner> . Durch eine sehr hohe Temperatur im Brennraum , unterstützt durch weißglühende Keramikscheiben erreicht der Brenner einen Wirkungsgrad von 94 %. Auch wenn dieses Beispiel nicht ganz so glücklich geeignet ist auf die motorische Verbrennung übertragen zu werden, zeigt es doch die Auswirkungen einer Heißkammer. Wenn im Motor  Wärme so effektiv erzeugt wird und in Druck umgesetzt wird, ist es einen Teil der Lösung. Der Explosions-Verbrennungsstoß in Drehrichtung und das übergangslose  Entspannen auf am Drehkolben, ist der nächste Teil der Lösung - um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.


Bedenken werden wegen der entstehenden hohen Temperatur Eintaktexplosionsverbrennung geäußert, die ohne Kühlung zu Schwierigkeiten führen konnte.
Dabei wird auf die Zylingerkopfkühlung und Turbinenschaufelkühlung hingewiesen.   Siehe: <80% Wirkungsgrad ?>

Die Kurzzeitigkeit hoher Temperaturen in Verbindung mit einer ausreichenden Expansion senkt die Gefahr des Temperaturstaus im Motor. Die annähernd isochore Expansion geringer Wärmemengen bei hoher Temperatur,  wirkt wie ein Kühlvorgang.   <Zündung>
 
Temperaturanhebungen in einem Otto- Verbrennungsmotor werden mit allen Mitteln wegen der Klopfgefahr  unterbunden. Damit werden gleichzeitig  jegliche Drucksteigerungen, die effektive Arbeit leisten könnten, mit unterbunden .
Zu den Einwänden gegen hohe Verbrennungs- bzw. Explosionstemperaturen gehört auch die Beeinträchtigung der Schmierung.
Die Problemlösung durch den Eintaktmotor befremdet natürlich sehr, denn diese Lösung beruht darauf, dass man eine poröse schlecht wärmeleitende Keramikoberfläche, oder dünne metallische Konstruktionselemente verwendet, die man durch die hohe Explosionstemperatur zum Glühen anregt, indem man diese frei oder auf diesen  schlecht wärmeleitenden Untergrund zum Glühen anregt. Eine dünne Metallschicht von 0,05 bis 0,1mm aufsprüht und zum glühen angeregt erfüllt den Zweck, als würde der Motorblock in seiner Gesamtheit glühen.

Es ist eine weitere Steigerung der Wandtemperatur, ohne Wärmestau, durch Doppelwandigkeit zu erzielen, wobei die innere Zylinderwand möglichst so dünn gehalten wird und durch eine Vakuumisolierung gegen Wärmeverluste geschützt wird. In diesem Falle wird die Verdichtete Frischluft rekuperativ erwärmt (isotherme Verdichtung).
So wird es möglich gezielt die Wärmeabfuhr aus der Motormitte zu sichern.

Die Skepsis diesen Weg zu gehen kommt aus den vergeblichen Bemühungen den Otto- oder auch den Dieselmotor wärmeisoliert zu konzipieren. Es wurden bei aller Sorgfalt nie Verbesserungen vom Wirkungsgrad erreicht. So kam das Thema ins Abseits. Dass die Verdichtung ein ungelöstes Problem war, wurde in den meisten Fällen verschwiegen
Siehe dazu < Der adiabatische Motor > der die Bemühungen zeigt, über die Zylindertemperatur den Wirkungsgrad zu verbessern.

Abschließend kann man mit Überzeugung behaupten, dass man in Zukunft auf natürlich nachwachsende Bioöle wird zurückgreifen müssen. Im Ertrag gegenüber den Mineralölen steht  ein bescheidener Hektarertrag von ca. 3 t/ha an Ölausbeute gegenüber.  Auf dieses Bio.-Dieselöl muß man ein Jahr warten und es liegen Ernte und Aufarbeitung dazwischen. Die derzeitige Ernte entspricht einen relativ bescheidenen Ertrag von ca. 2 Millionen t Öl pro Jahr.
Unter diesen Voraussetzungen ist es nur eine Frage der Zeit, einen Motor zu schaffen der nicht schneller Bioöl verheizt als z.B. die Rapspflanze  nachwächst.
Zum Eintaktmotor gibt es mit 80% Wirkungsgrad keine Alternative - und zum voll wärmeisolierten Verbrennungsmotor gleich welcher Art, gibt es auch keine Alternative, denn die Lösung liegt nur, man kann es drehen und wenden wie man will, nur im voll wärmeisolierten  Motor. Der Eintaktmotor ist prädestiniert hier einen Durchbruch, eine Lösung voranzutreiben.
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