Kolbenmaschine

Kolbenmaschinen sind Fluidenergiemaschinen mit einem Arbeitsraum, dessen Volumen durch einen meist periodisch bewegten Verdränger (Kolben) intermittierend verändert wird. Der Fluidstrom sowie Druck­unter­schiede zwischen Ein- und Auslauf sind bei Kolben­maschinen infolge der inter­mittie­renden Arbeitsweise veränderlich, was sie von kontinu­ierlich arbeitenden Strömungsmaschinen wie Gasturbinen unterscheidet, bei denen Fluidstrom und Druckverlauf stationär konstant bleiben.

Allgemein kann es sich dabei sowohl um Arbeitsmaschinen handeln (in der Sichtweise der Hydraulik: "Geber"), als auch um Kraftmaschinen (Motoren; in der Hydraulik: "Nehmer"), wobei manche Kolben­maschinen auch reversibel in beide Richtungen arbeiten können, wie Hydraulikzylinder sowie manche Hydraulikpumpen, die umgekehrt als Hydraulikmotor funktio­nieren oder ein Stirling-Motor, der als Arbeitsmaschine angetrieben zur Wärmepumpe wird. Grundsätzlich zu unter­scheiden sind zwei kinematische Prinzipien:

• Hubkolbenmaschinen, bei denen der Verdränger ein Kolben ist, der sich in einem Zylinder hin- und her bewegt. Im weitesten Sinn zählen auch mit einer Membran arbeitende Maschinen (Membranpumpe, Membranzylinder) zu den Kolbenmaschinen.
• Rotationskolbenmaschinen, bei denen sich speziell geformte Verdränger entweder nur drehen oder dazu noch auf einer Kreisbahn umlaufen.

Hubkolbenmaschinen

Bei Hubkolbenmaschinen ist der Verdränger ein mehr oder weniger scheibenförmiger Kolben (engl. Piston), der sich in einem Zylinder hin- und her bewegt oder ein zylindrischer Plunger, der zum Beispiel in einer Stopfbuchse läuft. Hubkolbenmaschinen gibt es sowohl als Arbeitsmaschine (Pumpe = Geber) wie auch als Kraftmaschine (Nehmer) die eine Last antreiben, wie ein Hydraulikzylinder. Ähnliche Prinzipien gelten in der Pneumatik, wobei dann jedoch zusätzlich die Kompressibilität des Arbeits­gases mit Verdichtung und Expansion zu berück­sichtigen ist. Zu unterscheiden sind je nach Art der Kinematik:

• Einfache Hubkolbenmaschinen, die über eine Schubstange direkt mit ihrer Linear­bewegung wirken, wie einfache Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder oder eine Plungerpumpe:
  → Hauptartikel: Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder und Plungerpumpe

• Hubkolbenmaschinen mit Kurbeltrieb, bei denen die Linear­bewegung kinematisch über eine Schubkurbel in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird, wie Hubkolbenpumpen und -verdichter (Kompressor) als Arbeitsmaschinen sowie Hubkolbenmotoren als Kraftmaschinen:
  → Hauptartikel: Hubkolbenpumpe, Hubkolbenverdichter und Hubkolbenmotor

• Flugkolbenmaschinen übertragen die Linear­bewegung hingegen über eine Zahnstange auf eine Welle (Zahnstangentrieb), wie der Flugkolbenmotor:
  → Hauptartikel: Flugkolbenmotor

• Freikolbenmaschinen, bei denen der Kolben selbst unmittelbar mit seiner Linear­bewegung wirkt, sind meist Freikolbenmotoren wie Explosionsrammen oder Freikolben-Lineargeneratoren oder mit einer Turbine kombiniert wie der Pescara Gasgenerator, bei dem ein Freikolben-Dieselmotor gegen Gasfedern arbeitet und seine Abgase in einer Turbine als Kraftmaschine genutzt werden
  → Hauptartikel: Freikolbenmotor

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  Doppeltwirkender kombinierter Hubkolbenexpander-Verdichter

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  Kolbenpumpe und Plungerpumpe

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  Hubkolbenmaschine mit Kurbeltrieb, der oberen und unteren Totpunkt bestimmt und damit eine der Komponenten ist, die Hubraum und Verdichtungsverhältnis beeinflussen

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  Freikolbenmaschine: Im Pescara Gasgenerator ist ein Freikolbenmotor mit einer von den Abgasen angetriebenen Gasturbine kombiniert

Rotationskolbenmaschinen

Drehkolbenpumpe

Als Kreiskolbenmaschine zählt auch der Wankel-Motor zu den Kolbenmaschinen

Bei Rotationskolbenmaschinen rotieren speziell geformte Verdränger, so dass der Kurbeltrieb entfällt. Zu unterscheiden sind hier nach der Art der Kinematik:

• Drehkolbenmaschinen mit unmittelbarer Dreh­bewegung des Kolbens sind Drehkolbenpumpen, wie Drehschieberpumpen, Zahnradpumpen oder Roots-Gebläse, die umgekehrt auch als Hydraulikmotor arbeiten können:
  → Hauptartikel: Drehkolbenpumpe, Drehkolbenmotor und Zahnradpumpe
  → Hauptartikel: Roots-Gebläse
  Zu den Drehkolbenpumpen zählen auch die Flüssigkeitsringpumpen.

• Kreiskolbenmaschinen, speziell Kreiskolbenpumpen oder Kreiskolbenmotoren mit besonderer Kinematik wie der Wankel-Motor, der als periodisch arbeitende Fluidenergiemaschine mit veränder­lichen Druck­verlauf mit einem kreisenden und sich dabei drehenden Kolben arbeitet:
  → Hauptartikel: Kreiskolbenpumpe, Kreiskolbenmotor und Wankel-Motor

Einteilung der Rotationskolbenmaschinen

Bezeichnung	Kürzel	Rotierende Massenkräfte	Oszillierende Massenkräfte	Beispiel
Drehkolbenmaschinen	DKM	–	–	Roots-Gebläse
Kreiskolbenmaschinen	KKM	+	–	Wankelmotor
Drehkolbenartige Umlaufkolbenmaschinen	DUKM	–	+
Kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschinen	KUKM	+	+	Flügelzellenpumpe

Bei DUKM und KUKM sind in der Regel die Dreh­zahlen begrenzt, wenn die Massenkräfte nicht ausgeglichen werden können.

Maschinenart	Arbeitsmaschinen	Kraftmaschinen
Hydraulische Kolbenmaschinen (≈inkompressible Medien)	Kolbenpumpen	Hydraulikmotoren
Thermische Kolbenmaschinen (kompressible Medien)	Kolbenverdichter	Verbrennungsmotor Gasexpansionsmotor Dampfmaschine Stirlingmotor

Siehe auch

• Verdrängermaschine
• Freikolbenmaschine
• Kreiskolbenpumpe
• Arbeitsmaschine
• Kraftmaschine
• Zylinderdruckindizierung

Literatur

• Wolfgang Kalide: Kolben und Strömungsmaschinen. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1974, ISBN 3-446-11752-0
• Norm DIN 1940 „Verbrennungsmotoren“, verschiedene Ausgaben seit Juli 1946

Weblinks

Wiktionary: Kolbenmaschine – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

Bauweisen von Verbrennungsmotoren

Einzylindermotor | Reihenmotor | Boxermotor | V-Motor | U-Motor | W-Motor | Y-Motor | VR-Motor | X-Motor | H-Motor | Δ-Motor

Sternmotor | Reihensternmotor | Mehrfachsternmotor | Umlaufmotor | Taumelscheibenmotor

Doppelkolbenmotor | Gegenkolbenmotor | Freikolbenmotor | Rotationskolbenmotor | Kugelmotor | Schiebermotor | Wankelmotor | Glühkopfmotor | Direkteinspritzender Glühkopfmotor