Diesel, Rudolf

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Rudolf Christian Karl Diesel (* 18. März 1858 in Paris; am 29. September 1913 zuletzt lebend an Bord eines Schiffes im Ärmelkanal gesehen) war ein deutscher Ingenieur und der Erfinder des Dieselmotors. Er war das zweite Kind des gelernten Buchbinders und späteren Lederwaren-Herstellers Theodor Diesel und seiner Frau Elise Diesel geb. Strobel.

Biografie

Seine Kinder- und Jugendjahre bis 1870 verbrachte Diesel in Paris und Umgebung.

Nach seinem Schulabschluss am Holbein-Gymnasium Augsburg fasste Diesel 1872 den Entschluss, „Mechaniker“ (Ingenieur) zu werden, und schloss 1873 die Gewerbeschule sowie im Sommer 1875 die Ausbildung an der Industrieschule jeweils als Bester ab. Er begann noch 1875 sein Studium an der Technischen Hochschule in München. 1880 holte er im Januar das Abschlussexamen an der Technischen Hochschule München mit der besten Leistung seit Bestehen der Anstalt nach.

Am 27. Februar 1892 meldete Diesel beim Kaiserlichen Patentamt zu Berlin ein Patent auf eine „Neue rationelle Wärmekraftmaschine“ an, auf das er am 23. Februar 1893 das DRP 67 207 für ein „Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen“ erhielt (ausgestellt mit dem Datum 28. Februar 1892). Eine zweite Patentanmeldung (29. November 1893, DRP 82 168) modifizierte den ursprünglichen Carnot-Prozess mit dem Gleichdruck-Prozess. Die Grundregel wurde durch Herbert Akroyd Stuart von England 1890 patentiert.

Wirken

Diesel benutzte für seine ersten Experimente Petroleum, was aber nicht funktionierte. Er wich daher zunächst auf Benzin aus, um überhaupt Zündungen zu erreichen. Der Brennstoff wurde über einen umgebauten Vergaser zerstäubt und mit Luft zusammen unter Hochdruck in den Brennraum eingeblasen. Zur Druckerzeugung diente ein komplizierter und anfälliger Kompressor, die sogenannte Einblasemaschine. Eines der Probleme war, dass die verdichtete Luft nicht zu heiß werden durfte, sonst wäre das Benzin schon im Rohr teilverbrannt – was auch geschah. Es wurde also mehrstufig verdichtet und gekühlt. Sodann musste aber die heiße Luft im Brennraum trotzdem in der Lage sein, das eingeblasene (extrem fette) Gemisch zu entzünden.

Ab 1893 entwickelte Rudolf Diesel in der Maschinenfabrik MAN AG Augsburg, aus der 1906 die Firma MAN AG wurde, mit finanzieller Beteiligung der Firma Friedrich Krupp den Dieselmotor. 1897 war das erste funktionstüchtige Modell dieses Motors fertig. Ohne die Ingenieure von MAN hätte Diesel den Motor nicht zur Serienreife gebracht. Aus der geplanten halbjährigen Entwicklungszeit wurden vier lange Jahre mit zahlreichen Rückschlägen. Der erste Lauf eines Dieselmotors erfolgte 1897 mit einem Wirkungsgrad von 26,2 Prozent.

Am 1. Januar 1898 wurde die Dieselmotorenfabrik Augsburg gegründet. Am 17. September 1898 kam es zur Gründung der Allgemeinen Gesellschaft für Dieselmotoren. Die Diesel Engine Company wurde im Herbst 1900 in London gegründet. Die ersten Motorschiffe mit Dieselmotor entstanden 1903. Im Jahr 1911 wurde die Dieselmotorenfabrik Augsburg wieder aufgelöst. Jahrelange Patentprozesse zerrütteten Diesels Gesundheit, und auch wirtschaftlich ging es bergab.

Tod

Am 29. September 1913 ging Rudolf Diesel in Antwerpen an Bord des Postdampfers Dresden, um in London an einem Treffen der Consolidated Diesel Manufacturing Ltd. teilzunehmen. Er schien guter Laune zu sein, wurde aber, nachdem er abends in seine Kabine gegangen war, nie wieder gesehen. Am 10. Oktober sah die Besatzung des holländischen Regierungslotsenbootes Coertsen bei heftigem Seegang die Leiche eines Mannes im Wasser treiben. Sie konnte die in Auflösung befindliche Leiche nicht bergen, sondern nur den Kleidern einige kleine Gegenstände entnehmen (Pastillendose, Portemonnaie, Taschenmesser, Brillenetui), die von dem Sohn Eugen Diesel am 13. Oktober in Vlissingen als seinem Vater gehörend identifiziert wurden.

Die genauen Todesumstände wurden nie geklärt. Seine Hinterbliebenen zweifelten die Selbsttötungstheorie jedoch stark an und glaubten an einen Mord, bei dem es darum ging, Diesels Ideen zu stehlen. Eine der Mordthesen geht davon aus, dass das Deutsche Kaiserreich Diesel angesichts des nahenden Krieges ermorden ließ, da dieser die Dieseltechnik auch an die rivalisierenden Nationen Frankreich und Großbritannien lizenzieren ließ. Eine andere These geht davon aus, dass Diesel im Auftrag der Ölindustrie ermordet worden ist, da er gerade an einer Biodiesel-Variante arbeitete. Gleichwohl gilt ein Freitod des Erfinders als wahrscheinlicher, da er kurz vor seinem finanziellen Ruin stand.

Seine Büste fand Aufstellung in der Ruhmeshalle in München. Die Dieselgasse in Wien-Favoriten wurde 1930 nach ihm benannt.

Diesel-Stromerzeuger

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Ein Diesel-Stromerzeuger ist ein Form des Stromerzeugers, bei der der Verbrennungsmotor als Dieselmotor betrieben wird. 

Dieselmotor

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Ein Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor, der nach dem 1892 von Rudolf Diesel erfundenen Verfahren arbeitet. Das charakteristische Merkmal ist die Selbstzündung des eingespritzten Kraftstoffes in der heißen, komprimierten Verbrennungsluft. Das Verfahren wurde bei der Firma MAN in Augsburg von Rudolf Diesel entwickelt. Ein Dieselmotor wird überwiegend als Hubkolbenmotor, selten als Wankelmotor, ausgeführt.

Elektromotor

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Elektromotor

Elektromotor bezeichnet einen elektromechanischen Wandler, der elektrische Energie in mechanische Energie wandelt. In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch translatorische Bewegungen ausführen (Linearantrieb). Elektromotoren werden zum Antrieb verschiedener Arbeitsmaschinen und Fahrzeuge (vor allem Schienenfahrzeuge) eingesetzt.

Geschichte

1819 entdeckte der dänische Physiker und Philosoph Hans Christian Ørsted (1777-1851) das Phänomen des Elektromagnetismus. Bereits im gleichen Jahr veröffentlichte Michael Faraday seine Arbeitsergebnisse über "elektromagnetische Rotation". Er konstruierte eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Leiter um einen festen Magneten rotierte und im Gegenexperiment ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter. 1822 entwickelte Peter Barlow das nach ihm benannte Barlow-Rad. Der britische Wissenschaftler William Sturgeon erfand 1832 einen weiteren Motorvorläufer. Auf dem europäischen Kontinent wirkten Ányos Jedlik (1827) und Hermann Jacobi an der Weiterentwicklung des Gleichstrom-Elektromotors. So entwickelte Jacobi bereits 1834 den ersten praxistauglichen Elektromotor in Potsdam und stattete 1838 in Sankt Petersburg ein sechs Personen fassendes Boot mit dem von ihm entwickelten 220 Watt starken Motor aus, was somit gleichzeitig auch die erste Anwendung eines Elektromotors in der Praxis darstellte. Auch der US-amerikanische Grobschmied Thomas Davenport in Vermont entwickelte einen Kommutatormotor. Auf sein Design wurde ihm am 25. Februar 1837 ein Patent erteilt.

Damit war um 1837/1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und auch bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt. Im Jahre 1861 erfand Ányos Jedlik die Dynamomaschine, welche aber erst von Werner von Siemens im Jahre 1866 patentiert wurde. Sie ermöglichte erstmals eine Erzeugung elektrischer Energie in größerem Umfang. Dies verhalf dem Elektromotor zum Durchbruch bei einer praxistauglichen breiten Anwendung.

Grundprinzip/Funktionsweise

Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben.

Der (feststehende) Stator ist bei einem Gleichstrommotor ein Dauermagnet mit Polschuhen. Bei einem Wechselstrommotor besteht der Stator hingegen aus einem Elektromagneten. Wird Strom durch diesen Elektromagneten geleitet, entsteht ein Magnetfeld im Stator (Ørsted-Prinzip).

Im Inneren des Stators ist ein Rotor, der in den meisten Fällen aus einer Spule mit Eisenkern (dem sogenannten Anker) besteht, der drehbar im Magnetfeld zwischen den Polschuhen des Stators gelagert ist.

Die Stromzuführung für den Anker erfolgt über einen segmentierten Kommutator und Schleifkontakte (Kohlebürsten). Schickt man durch den Rotor Strom, entsteht auch hier ein Magnetfeld, das jetzt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt. Er dreht sich somit um seine Achse und schaltet über den sich mitdrehenden Kommutator immer die passenden Wicklungen in den Stromweg und kann so elektrische Arbeit in mechanische Arbeit umwandeln.

Hätte ein solcher Motor keinen Kommutator, würde sich der Anker so weit drehen, bis das Rotormagnetfeld zum Statorfeld gleichgerichtet ist. Damit er an diesem „toten Punkt“ nicht stehen bleibt, wird der Strom in den Ankerspulen mit Hilfe des Kommutators (auch Stromwender oder Kollektor genannt) bei jedem neuen Segment umgeschaltet. Der Kommutator besteht aus Metallsegmenten, die eine durch schmale Streifen nichtleitenden Materials (Kunststoff, Luft) unterbrochene Zylinder- oder Kreisfläche bilden. An den Segmenten sind die Ankerwicklungen angeschlossen. Am Kommutator liegen, durch Federn angedrückt, meist zwei Kohlebürsten an, die den Strom zuführen. Mit jeder Drehung des Rotors wird die Stromrichtung durch die Ankerwicklungen geändert und es gelangen diejenigen Leiter in das Magnetfeld des Stators, deren Stromfluss so gerichtet ist, dass ein Drehmoment erzeugt wird.

Das Magnetfeld im Rotor steht - relativ zum Stator - fest, der Eisenkern des sich drehenden Ankers muss daher zur Vermeidung von Wirbelströmen aus einem Blechstapel bestehen.

Nach diesem Prinzip können auch Wechselstrommotoren gebaut werden, wenn das Erregerfeld mit dem Wechselstrom ebenfalls seine Polung ändert (Universalmotor). Dann muss auch der Stator aus einem Blechpaket bestehen.

Motorarten

Drehfeld- und Wanderfeld-Maschinen

    * Drehstrommotor

          o Drehstrom-Asynchronmaschine

          o Drehstrom-Synchronmaschine

          o Kaskadenmaschine

    * Linearmotor

    * Wechselstrommotoren:

          o Kondensatormotor

          o Spaltpolmotor

          o Synchronmotor/Einphasenasynchronmotor

          o Reluktanzmotor

    * Schrittmotor

Stromwender- bzw. Kommutator-Maschine

    * Gleichstrommotor

    * Universalmotor (für Gleich- und Wechselstrom)

    * Repulsionsmotor

          o permanent erregter Gleichstrommotor

          o elektrisch erregter (fremderregter) Gleichstrommotor

                + Reihenschlussmotor

                + Nebenschlussmotor

                + Verbundmotor

          o elektronisch kommutierter Gleichstrommotor

Praktische Anwendungen

Elektromotoren bewirkten ab Ende des 19. Jahrhunderts wesentlich die Industrialisierung und Mechanisierung. Sie lösten den Zentralantrieb von Maschinen durch eine Dampfmaschine oder eine Wasserkraft durch den Einzelantrieb (Motoren an jeder Maschine) ab.

Erste mobile Anwendungen waren Elektrolokomotiven und elektrische Bahnen, später Elektrokarren und Gabelstapler. Entwicklungen in der Leistungselektronik brachten einen weiteren Anwendungsschub - nun konnten die wartungsfreien, preiswerten Asynchronmotoren auch für drehzahlvariable Antriebe eingesetzt werden.

Heute werden Elektromotoren in großer Zahl in Maschinen, Automaten, Robotern, Spielzeug, Haushaltsgeräten, Elektronikgeräten (z. B. Videorecorder, Festplatten, CD-Spieler), in Ventilatoren, Rasenmähern, Kränen usw. eingesetzt. Die große Bedeutung des Elektromotors für die heutige moderne Industriegesellschaft spiegelt sich auch im Energieverbrauch wider: Elektromotoren haben einen Anteil von über 50 Prozent am Stromverbrauch in Deutschland.

Faraday

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 Michael Faraday (* 22. September 1791 in Newington Butts bei London; † 25. August 1867 bei Hampton Court) war ein englischer Physiker und Chemiker.

Leben

Mit 14 Jahren wurde er Buchbinderlehrling. Zuvor hatte er nur Lesen und Schreiben gelernt. Während der siebenjährigen Lehrzeit erwachte sein Interesse an den Naturwissenschaften. Er fertigte dann Notizen über seine Beobachtungen und Überlegungen an.

Nachdem er Humphry Davy einige Muster seiner Notizen zugesandt hatte, stellte ihn Davy 1813 als Assistent in der Royal Institution in London an.Diese Forschungsanstalt übertrug ihm 1821 die Funktion eines Oberinspektors, 1825 die eines Direktors und 1827 die eines Professors der Chemie, die er bis 1867 innehatte. Gleichzeitig war er Professor der Chemie an der Militärschule in Woolwich.

Werk

Die größten Beiträge lieferte Faraday nicht für den Bereich der Elektrotechnik, wie oft gesagt wird. Er war auch kein Ingenieur. Vielmehr hat Faraday als erster das Zusammenspiel von Magnetismus und Elektrizität durchschaut und damit die Grundlagen für die erste vereinheitlichte Theorie gelegt: die Elektrodynamik. Ihre Ausformulierung durch James Clerk Maxwell galt um 1890 als Ende der Physik. Faradays größte Leistung besteht allerdings in der Vorhersage der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Kraft und im sensationellen Nachweis der magnetischen Eigenschaften des Lichts.

1821, kurz nachdem der dänische Chemiker Ørsted das Phänomen des Elektromagnetismus entdeckt hatte, baute Faraday zwei Vorrichtungen um das herzustellen, was er elektromagnetische Rotation nannte: eine konstante kreisförmige Bewegung einer magnetischen Kraft um einen Draht. Zehn Jahre später, 1831, begann er mit einer Serie von Experimenten, die schließlich am 29. August zur Entdeckung der elektromagnetischen Induktion führten. Diese Experimente bildeten die Grundlage der modernen elektromagnetischen Technologie. Sie ermöglichten es ihm, den ersten Dynamo (Generator) zu konstruieren. Ihm wurde aber auch klar, dass seine Theorie noch nicht vollständig sein konnte: Das faradaysche Paradoxon ließ sich damit nicht auflösen.

Im Jahre 1832 stellte Faraday die Grundgesetze der Elektrolyse (faradaysche Gesetze) auf. 1845 entdeckt er den Faraday-Effekt.

Im Bereich der Elektrostatik zeigte Faraday, dass die Ladung nur an der Außenseite eines geladenen Leiters konzentriert ist. Die Ladung außen hat keinen Einfluss auf Objekte, die sich innerhalb des vom Leiter umschlossenen Raumes befinden. Dieser Abschirmeffekt wird heute faradayscher Käfig genannt.

Er entwickelte rostfreie Stahllegierungen und die Gasverflüssigung durch Druck.

1825 entdeckte Faraday die später Benzol genannte Verbindung in geleerten Gasflaschen einer Londoner Fabrik, die „portables“ Gas aus Walfett herstellte.

Generator

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Ein elektrischer Generator (v. lat. generare: hervorholen, erzeugen) ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie bzw. mechanische Energie in elektrische Energie wandelt und damit technisch gesehen identisch mit einem Elektromotor ist, der umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie wandelt.

Der Generator fußt auf dem von Michael Faraday 1831 entdeckten Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Hubkolbenmotor

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Ein Hubkolbenmotor ist ein Motor, der die Volumenänderung eines Gases über hin- und hergehende Kolben in eine Drehbewegung umsetzt. Er zählt zu den Kolbenmaschinen.

Funktionsprinzip

Die Ausdehnung des Gases in einem Zylinder verrichtet Arbeit an einem Kolben, die durch eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt, wobei prinzipiell zwei kinematische Bauformen möglich sind:

Die erste ist der (herkömmliche) Standmotor, bei dem die Zylinder fixiert sind und die Kurbelwelle sich dreht. Dadurch können die Kolben Arbeit über die Pleuel an die Kurbelwelle abgeben (Abb. 1).

Die zweite Form ist als Umlaufmotor bekannt. Beim Umlaufmotor ist die Kurbelwelle fixiert und die Hubzapfen sowie die Zylinder sind drehbar gelagert. Dabei rotieren die Zylinder auf einer anderen Achse als der Hubzapfen (exzentrisch), wodurch der Hub der einzelnen Kolben in den Zylindern zustande kommt.

Beispiele für Hubkolbenmotoren sind:

• Verbrennungsmotoren:
  • Dieselmotor
  • Ottomotor
• Wärmekraftmaschinen wie der Stirlingmotor
• Dampfmotoren
• Gasexpansionsmotoren

Hubkolbenmotoren werden auch nach der Zahl und Anordnung der Kolben je Brennraum eingeteilt:

• normaler Hubkolbenmotor mit einem Kolben je Brennraum (bei weitem am häufigsten)
• Doppelkolbenmotor mit zwei Kolben in parallelen Zylindern, die miteinander verbunden sind
• Gegenkolbenmotor mit zwei gegeneinander arbeitenden Kolben im gleichen Zylinder

Sie werden auch nach der Zahl und Anordnung der Zylinder eingeteilt:

• Reihenmotor
• V-Motor
• Boxermotor
• Sternmotor
• W-Motor (und weitere)

Kraftstoff

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Ein Kraftstoff (auch Treibstoff) ist ein Brennstoff, dessen chemische Energie durch Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine, …) und Raketentriebwerken in Antriebskraft umgewandelt wird.

Kraftstoffe werden überwiegend zum Antrieb von Fortbewegungsmitteln (Kraftfahrzeug, Flugzeug, Schiff, Rakete) verwendet. Da sie jeweils mittransportiert werden müssen, werden häufig Stoffe mit einer hohen Energiedichte eingesetzt. Aber auch stationäre Verbrennungsmotoren können mit ihnen betrieben werden.

Bei der Verbrennung wird als Oxidator meist der Luft-Sauerstoff verwendet, teils, vor allem bei Raketen, aber auch ein eigener Oxidator wie verflüssigter Sauerstoff, Lachgas oder Salpetersäure.

Nomenklatur

Die Abgrenzung des Begriffes Kraftstoff zu dem Begriff Treibstoff ist nicht durchgängig einheitlich geregelt:

• Als Kraftstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zur direkten Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine genutzt wird. Besonders gängig ist der Begriff im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik.
• Als Treibstoff wird normalerweise ein Stoff bezeichnet, der zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels, seltener auch einer stationären Maschine, verwendet wird. Somit schließt der Begriff die Kraftstoffe mit ein. Besonders gängig ist der Begriff Treibstoff im Bereich der Schifffahrt und der Luft- und Raumfahrt.

In den meisten anderen Sprachen gibt es die Unterscheidung so nicht. So bedeutet z.B. im Englischen der Begriff fuel allgemein Brennstoff. Dies schließt Kraftstoffe (manchmal motor fuel genannt) und Treibstoffe (manchmal propellant genannt) mit ein.

Arten von Kraftstoffen

Flüssige Kraftstoffe

• Kerosin bzw. Petroleum
• Benzin (Ottokraftstoff)
• Leichtbenzin
• Synthetisches Benzin (Ottokraftstoff)
• Zweitaktgemisch (Ottokraftstoff mit Ölzusatz)
• Dieselkraftstoff
• Alkylatbenzin
• Biodiesel
• Ethanol-Kraftstoff, darunter Bioethanol und Cellulose-Ethanol
• Flüssigerdgas (auch: LNG Liquified Natural Gas)
• Flüssiggas (Propan/Butan-Gemisch, auch: Autogas oder LPG bzw. Liquified Petroleum Gas)
• Methanol
• Pflanzenöl
• Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel, zur Schadstoffminderung durch Temperaturabsenkung)
• Schweröl
• Benzol
• Benzin-Benzol-Gemisch (Bibo) (Ottokraftstoff)
• Gasöl
• Motorpetroleum

Gasförmige Kraftstoffe

• Erdgas – auch: Methan, CNG (Compressed Natural Gas) oder LNG (Liquid Natural Gas)
• Kompogas
• Biogas
• Methan - auch: Erdgas
• Ethan
• Wasserstoff
• Holzgas
• Deponiegas
• Blaugas, ein nach dem Chemiker Hermann Blau benanntes Gas, das dem Flüssiggas ähnlich war (siehe Auftriebsausgleich für Luftschiffe) und heute keine Bedeutung mehr hat.

Feste Kraftstoffe

• Festbrennstoffe (zum Beispiel für Antriebe von Feststoffraketen)

MAN

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Notstromaggregat

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Die Anordnung von Verbrennungskraftmaschine und Generator auf einem Rahmen bilden als Einheit ein Stromerzeugungsaggregat (engl. power generation unit). Diese werden eingesetzt, wo das öffentliche Stromnetz fehlt oder wo der Ausfall desselben zu erheblichen Problemen führen kann. Die Bandbreite reicht von (kleinen) mobilen Aggregaten bis hin zu (größeren) fest installierte Einheiten mit mehreren tausend kVA.

Oftmals werden Notstromaggregate auch im Inselbetrieb benützt, um vom öffentlichen Netz abweichende Spannungen und Frequenzen darzustellen.

Ölkühlung

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Unter Ölkühlung versteht man eine Kühlung mit Öl. Die Ölkühlung wird hauptsächlich für leistungselektrische Geräte, wie Transformatoren angewandt, wobei das Öl auch die Funktion der Isolation übernimmt. Bei der Ölkühlung befindet sich das wärmeentwickelnde Element in einem Ölbad, welches mit einem Ausdehnungsgefäß ausgestattet ist, um Volumenschwankungen des Öls auszugleichen.

Seltener ist die Ölkühlung als besondere Form der Flüssigkeitskühlung von Verbrennungsmotoren, bei der das Motoröl auch als Kühlflüssigkeit verwendet wird.

Selbstzündung

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Die Selbstzündung eines Kraftstoffes bezeichnet die Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ohne Zündquelle (zum Beispiel bei der Verdichtung). Die Selbstzündung ist bei Ottomotoren ein unerwünschter Vorgang, bei Dieselmotoren ist es eine Betriebsgrundlage.

Bei Otto-Motoren führt die Selbstzündung zum so genannten Klopfen. Die Resistenz eines Otto-Treibstoffes gegen das Klopfen wird durch die Oktanzahl beschrieben.

Die Zündwilligkeit eines Dieselkraftstoffes wird durch die Cetanzahl beschrieben.

Chemische Vorgänge

Die genauen chemischen Vorgänge der Selbstzündung bei Motoren sind komplex.

Bei steigendem Druck im Zylinder kommt es aufgrund der schnellen Kompression zu Temperaturerhöhungen (ideal: adiabate Kompression). Bei den ersten Reaktionen zwischen dem Sauerstoff und den Kohlenwasserstoffen kommt es zur Insertion von Sauerstoff in die Kohlenwasserstoffketten. Dabei werden exotherm Peroxide und Hydroperoxide gebildet. Diese Reaktionen sind relativ langsam. Im normalen Betrieb in einem Ottomotor können dabei schon bis zu 10 Prozent der Gesamtenergie der Verbrennung freigesetzt werden.

Durch hohe Temperaturen können die C-C und C-H-Bindungen gespalten werden, und es entstehen reaktive Radikale. Ebenso können die Peroxide zu Radikalen gespalten werden. Diese Radikale reagieren dann sehr schnell exotherm mit dem Sauerstoff. Dadurch kommt es zu einer explosionsartigen Kettenreaktion an verschiedenen Stellen, wodurch es zu Druckschwankungen kommt, die als Klopfen wahrnehmbar sind.

Bei einer Zündung durch einen Zündfunken werden vermutlich im Bereich des Plasmas durch den Zündfunken Radikale gebildet. Dadurch kommt es zu einer von der Zündquelle ausgehenden Flammfront. Es kommt dabei zu keinen Druckschwankungen, da die Zündung nur an einer Stelle gestartet wurde und sich als Flammfront stetig durch den Brennraum bewegt.

Stromnetz

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Stromnetz

Prinzipiell ist ein Stromnetz ein weit gefasster Begriff und bezeichnet in der Physik ein Netzwerk von elektrischen Stromleitungen. Die physikalischen Gesetze in diesen Netzen werden durch die Kirchhoffschen Regeln beschrieben.

Dieser Begriff steht in Deutschland meistens für das Verbundnetz zur Versorgung der Verbraucher durch die Stromanbieter mit elektrischer Energie.

Begriff

Es gibt verschiedene gebräuchliche Bezeichnungen für das Stromnetz: Energieverbundnetz, Lichtnetz, Stromverbundnetz, Elektroenergienetz, Energieversorgungsnetz, Stromversorgungsnetz, Elektrizitätsnetz und Kraftnetz. In Fahr- und Flugzeugen spricht man vom Bordnetz.

Aufgaben

Um die Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, ist es notwendig, Leitungen von den Elektrizitätswerken zum Verbraucher zu legen. Dazu werden Stromnetze mit verschiedenen, aber festgelegten Spannungen und bei Wechselstrom auch mit festgelegten Frequenzen eingesetzt. Über weite Distanzen wird in Deutschland die Energie mittels Dreiphasenwechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und einer Netzspannung von bis zu 400 kV übertragen. Erst in der Nähe des Verbrauchers wird sie auf eine Niederspannung mit einem Effektivwert von 230 V (Einphasenwechselstrom) bzw. 400 V (Dreiphasenwechselstrom) transformiert.

Noch bis in die 1950er-Jahre wurden viele Haushalte in Deutschland mit Gleichstrom versorgt, weil die begonnene Umstellung durch den Zweiten Weltkrieg unterbrochen wurde. In anderen Ländern sind auch andere Spannungen oder Frequenzen möglich. Weit verbreitet ist auch das System mit 120 V (Effektivwert) Netzspannung und einer Frequenz von 60 Hz (insbesondere in Nordamerika).

Mit Freileitungen werden Leistungen bis über 600 MW übertragen. Um große Leistung zu übertragen, werden hohe Spannungen oder Ströme benötigt. Zur Verteilung und Fernübertragung großer Leistungen werden hohe Spannungen verwendet:

    * es treten geringere Stromwärmeverluste auf

    * hohe Spannungen sind leichter zu schalten als hohe Ströme

    * es können dünnere Kabeladern bzw. Leiterseile verlegt werden.

Freileitungsnetze zur Verteilung von Elektroenergie werden auch zur Nachrichtenübermittlung eingesetzt:

    * mittels Trägerfrequenzverfahren auf den Leiterseilen

    * über die Erdseile

    * über mitverlegte Nachrichtenkabel (meist Glasfaserkabel)

Die Nachrichtenübertragung wird von den Energieversorgern selbst verwendet oder auch anderen Nutzern angeboten.

Spannungsebenen

Stromnetze teilt man nach der Spannung ein, bei der sie Strom übertragen:

    * Höchstspannung: In Europa in der Regel 220 kV oder 400 kV. In Kanada und in den USA werden 735 kV und 765 kV verwendet. In Russland existiert ein ausgedehntes 750-kV-Netz, von dem einzelne Leitungen auch nach Polen, Ungarn, Rumänien und Bulgarien führen. Eine 1150-kV-Leitung führt vom Kraftwerk Ekibastus (Kasachstan) zur Stadt Elektrostal (Russland). Sie wird heute jedoch mit 400 kV betrieben.

    * Hochspannung: 50 kV bis 150 kV

    * Mittelspannung: 6 kV bis 30 kV. Für Netze mit hohem Freileitungsanteil, ausgedehnten ländlichen Regionen und bei neuen Installationen sind 20 kV bis 25 kV üblich. In städtischen Regionen, wo teilweise noch ältere Erdkabel in Papier-Blei-Ausführung mit Aluminium als Strom-Leiter dienen, deren Austausch teuer ist, wird eine niedrigere Mittelspannung mit 10 kV eingesetzt [2].

    * Niederspannung: 230 V oder 400 V. In der Industrie sind auch andere Niederspannungen üblich, zum Beispiel 500 V oder 690 V.

Die Höchst-, Hoch- und Niederspannungen sind für Westeuropa weitgehend standardisiert. Bei der Mittelspannung ist das zu aufwändig, da man sehr viele alte Erdkabel uneinheitlicher Spannung austauschen müsste.

Funktion der einzelnen Netze

    * Das Höchstspannungsnetz ist ein Übertragungsnetz. Es verteilt die größtenteils von Kern- und Kohlekraftwerken, aber auch Wasserkraftwerken eingespeiste Energie landesweit an Transformatoren, die nahe an den Verbrauchsschwerpunkten liegen. Diese Kraftwerke übernehmen die Grundlastversorgung. Auch ist es über sog. Kuppelleitungen an das internationale Verbundnetz angeschlossen.

    * Das Hochspannungsnetz sorgt für die Grobverteilung von elektrischer Energie. Leitungen führen hier in verschiedene Regionen, Ballungszentren oder große Industriebetriebe. Abgedeckt wird ein Leistungsbedarf von 10 bis 100 MW.

    * Das Mittelspannungsnetz verteilt den Strom an die Transformatorstationen des Niederspannungsnetzes oder Einrichtungen wie zum Beispiel Behörden, Schulen oder Fabriken. Stadtwerke, die ebenfalls Kraftwerke oft auch mit Kraft-Wärme-Kopplung betreiben, speisen ihren Strom in dieses Netz.

    * Die Niederspannungsnetze sind für die Feinverteilung zuständig. Die Mittelspannung wird auf 400 V bzw. 230 V transformiert und damit werden Haushalte, Industrie, Gewerbe und Verwaltungen versorgt. Diese Leitungen werden auch als die letzte Meile bezeichnet.

Die Leistungstransformatoren im Niederspannungsnetz haben im allgemeinen ein festes Übersetzungsverhältnis. Um trotz der im Laufe eines Tages auftretenden großen Lastschwankungen die Netzspannung beim Verbraucher in etwa konstant halten zu können, kann das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren zwischen Hoch- und Mittelspannungsnetz (z. B. 110 kV/20 kV) in Grenzen variiert werden. Dazu werden von der Primärwicklung mehrere Anzapfungen nach außen geführt. Ein extra dafür gebauter Schalter, ein sogenannter Stufenschalter, erlaubt das Umschalten zwischen den Anzapfungen, ohne den Transformator dazu abschalten zu müssen. Dieser Vorgang wird Spannungsregelung genannt. Für die einwandfreie Funktion vieler Geräte muss die Netzspannung innerhalb enger Grenzen gehalten werden. Zu hohe oder zu niedrige Spannungen können durch Störungen verursacht werden.

Daneben gibt es auch noch Leitungen mit hochgespanntem Gleichstrom für Übertragung über weite Strecken, insbesondere Seekabel (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung).

Verbindung der Stromnetze untereinander

Die Verbindung von Stromnetzen mit unterschiedlichen Spannungsebenen erfolgt über Transformatoren, die in Umspannanlagen installiert sind. Der Stromfluss durch die Netze und zu Netzen mit gleicher Spannungsebene erfolgt über Schaltanlagen.

Verteilung

Die elektrische Energie kann in diesen Größenordnungen nur drahtgebunden über Hochspannungsleitungen übertragen werden. Für diese Aufgabe stehen Freileitungen und Erdkabel zur Verfügung. Hierbei haben beide Systeme Vor- und Nachteile.

Für den Einsatz von Freileitungen sprechen die geringeren Kosten sowie leichtere Lokalisierbarkeit und Behebbarkeit von Fehlern. Dem gegenüber sind die Leitungen größeren Umwelteinflüssen ausgesetzt, wirken sich störend auf das Landschaftsbild aus und können eine Gefahrenquelle für Menschen, Tiere und Maschinen darstellen (Beispiel: Klettern auf Strommasten). Bei Freileitungen werden verschiedene Typen von Masten eingesetzt, z. B. Tragmasten, Winkeltragmasten, Abspannmasten, Weitabspannmasten und Endmasten.

Über besondere Probleme im Leitungsbau bei der Überquerung von Hindernissen, siehe Freileitungskreuzungen.

Erdkabel haben einen geringeren Platzbedarf, sind vor Umwelteinflüssen besser geschützt und bei der Bevölkerung besser akzeptiert. Sie zeichnen sich aber auch durch höhere Kosten und hohen Wartungsaufwand bei Defekten aus und es gibt technische Probleme, wenn unterirdische Hochspannungsleitungen gewisse Kabellängen überschreiten, beispielsweise bei der Wärmeabfuhr, die bei Freileitungen durch die umgebende Luft gewährleistet ist, bei Erdkabeln hingegen nicht.

Das deutsche Stromnetz ist ca. 1,6 Mio. km lang, davon im Jahre 2003 ca. 71 % unterirdisch verlegt. Im Vergleich zu dem Wert für 1993 von nur ca. 64 % zeigt sich die Tendenz, die unterirdische Stromverteilung auszubauen.

USV

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Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), englisch Uninterruptible Power Supply (UPS) wird eingesetzt, um bei Störungen im Stromnetz die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicherzustellen.

USVen finden daher vor allem in Krankenhäusern, Leitstellen und Rechenzentren Verwendung. Sie werden in die Stromzuleitung der zu sichernden Anlagen oder Geräte eingefügt.

Entgegen dem genauen Wortlaut der Bezeichnung kann bei einfachen Ausführungen der USV die Stromversorgung für einen kurzen Zeitraum unterbrochen werden, der von den angeschlossenen Verbrauchern ohne Funktionseinbußen toleriert wird. Normalerweise beträgt dieser Zeitraum aber nur wenige Millisekunden.

Verbrennungsmmotor

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Ein Verbrennungsmotor gehört zu den Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung (englisch internal combustion engine). Die Energie des Kraftstoffs oder Treibstoffs wird in mechanische Arbeit umgewandelt. Kolben, Pleuel und Kurbelwelle sind derzeit noch die am meisten verwendeten Maschinenelemente.

Den für die Verbrennung notwendigen Sauerstoff erhalten diese Motore aus der angesaugten Umgebungsluft. Im Verbrennungsraum wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Zündung gebracht. Hieraus ergeben sich die typischen Arbeitstakte.

Wankelmotor

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Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor (RKM), der nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt worden ist. Es existieren prinzipiell zwei kinematische Versionen: Der Drehkolben-Wankelmotor (DKM 54) und der Kreiskolben-Wankelmotor (KKM 57), wobei die Zahl für das Jahr der Entstehung steht. Bei einem Wankelmotor wird die Verbrennungsenergie ohne den Umweg einer Hubbewegung, wie es bei Hubkolbenmotoren (HKM) der Fall ist, direkt in eine Drehbewegung umgesetzt. Wirtschaftliche Bedeutung konnte nur der von Hanns Dieter Paschke konzipierte Kreiskolben-Wankelmotor erlangen, der allgemein als Wankelmotor bezeichnet wird.

Beim KKM 57P (konstruiert 1957 von Hanns Dieter Paschke) übernimmt der bogig-dreieckige Rotationskolben, als Läufer bezeichnet, gleichzeitig die Funktion der Kraftabgabe und der Steuerung der Gaswechselvorgänge. Der Kreiskolben-Wankelmotor hat eine Exzenterwelle und damit eine geringe Unwucht, die durch Ausgleichsgewichte vollkommen ausgeglichen werden kann. Der Drehkolben-Wankelmotor DKM 54 hat keine Exzenterwelle. Hier drehen sich der Läufer und die oval-bogige Hüllfigur (Trochoïde) unwuchtfrei um ihre eigenen Schwerpunkte. Die Achsen sind somit exzentrisch zueinander gelagert. Beim DKM 54 ist der Außenläufer das kraftabgebende Element, der Innenläufer dient nur als Absperrteil zur Steuerung des Gaswechsels.

Wasserkühlung

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Als Wasserkühlung (allgemeiner: Flüssigkeitskühlung) wird ein Kühlsystem bezeichnet, bei dem das primär wärmeabführende Kühlmittel Wasser ist. Eine Wasserkühlung kann für die Kühlung eines Motors, eines Rührkessels, eines Hochofens, einer Klimaanlage, eines Getränkekühlers, einer Senderendstufe, eines Stromrichters, eines Computers (PC-Wasserkühlung) etc. mittels stehendem Wasser oder eines anliegenden oder durchlaufenden Wasserkreislaufes, angewandt werden.