Motoren

Ein Mercedes V6 Rennmotor aus der DTM

Ein Motor ist eine Kraftmaschine, die mechanische Geräte bewegt oder antreibt. Er wandelt Energieformen wie thermische, chemische oder elektrische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit um, die ihrerseits Bewegung - bei Motoren meist Rotation - ist. Aufgliedern lässt sich die Kategorie in die Dampfmaschine, Elektromotor und Verbrennungsmotor.

Motorenbau bedeutet Entwicklung und Bau von Aggregaten zum Antrieb für Arbeitsmaschinen, Fahr- und Flugzeugen. Aus technischer Sicht ist er eine Sparte des Maschinenbaus, aus wirtschaftlicher Sicht gehört er zur Metall- oder Maschinen-Industrie.

Vor der Erfindung der Automobile war die Dampfmaschine der meistverwendete Motor. Aufgrund ihres besseren Wirkungsgrades und der hohen Energie-Speicherdichte der Kraftstoffe sind seitdem Verbrennungsmotoren in den Vordergrund getreten, die fossile Brennstoffenergie erst in Wärmeenergie und dann in mechanische Energie umwandeln. Hierbei wird unterschieden zwischen den sehr weit verbreiteten Hubkolbenmotoren (Otto- oder Dieselprozess, Viertaktmotor, Zweitaktmotor) und Kreiskolbenmotoren (Wankelmotor). Heute regeln in den Automobilen eigene Motorsteuerungen die Verbrennungsvorgänge.

Für die Zukunft strebt man einen Wechsel der Energiequelle mobiler Motoren an, um der Verknappung und damit Verteuerung fossiler Brennstoffe zu begegnen. Angenehmer Nebeneffekt ist dabei die Reduktion der Emissionswerte. Voraussetzung hierfür sind wiederum praktikable Verhältnisse von Energiedichten und der Speicherung von nichtfossiler Energie vor allem für den mobilen Einsatz (d.h. für Kraftfahrzeuge).

Bezüglich gespeicherter Energiemengen und mitführbarer Gewichte sind zukünftig Elektromotoren, Hybridantriebe oder Wasserstoffantriebe mögliche Alternativen zu Verbrennungsmotoren. Erheblicher Entwicklungsaufwand wird z. B. auf dem Gebiet der Brennstoffzellen getrieben.

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 von Motoren

• Dampfmaschine
• Elektromotor
• Zyklische Verbrennungskraftmaschine
  • Ottomotor
  • Dieselmotor
  • Kreiskolbenmotor (siehe auch unter: Wankelmotor)
  • Kugelkolbenmotor
  • Glühkopfmotor
  • Raketentriebwerk
  • Strahltriebwerk
  • Staustrahltriebwerk
  • Stirlingmotor
  • Vakuummotor
• Freikolbenmotor
• Druckluftmotor
• Hydraulikmotor
• Nanomotor
• Wasserkraftmaschine
• Kolbenmaschine mit externer Verbrennung

Geschichte

Aus historischer Sicht stand die 1712 von Thomas Newcomen erfundene und 1778 von James Watt entscheidend verbesserte Dampfmaschine am Beginn der Motorenentwicklung. Die Dampfmaschine veränderte die wirtschaftlichen und sozialen Strukturen Europas und löste die industrielle Revolution aus.

1678 soll es bereits ein Dampfauto für den Kaiser von China gegeben haben (Ferdinand Verbiest) und um 100 Herons Dampfturbine zum Öffnen großer Tore. Auch sind Vermutungen zum Umgang ägyptischer Priesterschaft mit Heißgasen zum Bewegen riesiger Türen plausibel.

Anforderungen an Motoren

Motoren und andere Kraftmaschinen wandeln chemische, elektrische oder thermische Energie in mechanische Energie (Arbeit) um. Sie sollen aus moderner Sicht

1. einen hohen Wirkungsgrad besitzen - d.h. den Kraftstoff optimal und daher bei geringem Verbrauch ausnutzen,
2. wenig Emissionen verursachen oder zumindest wenig Schadstoffe ausstoßen,
3. eine möglichst hohe Leistung bei geringem Gewicht entwickeln,
4. hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer aufweisen
5. und je nach Anwendung weitere spezielle Eigenschaften besitzen.

Zu Beginn des Motorenbaues stand - praktisch bei jeder der Grundprinzipien - die Erzielung der nötigen Leistung. Weitere Kenngrößen von Motoren sind neben der Leistung (Leistungsverbrauch an Strom oder Kraftstoff und abgegebene mechanische Leistung) noch die Masse, die Drehzahl und der Wirkungsgrad.

Arten von Motoren

Elektromotor

Die am häufigsten eingesetzte Art von Motoren ist der Elektromotor. Antriebe der verschiedensten Größe und Leistung finden sich in praktisch allen Aggregaten - von miniaturisierten Servo- und Schrittmotoren über Geräte für Haushalt, Büro, Klima und Auto bis zu industriellen Großmaschinen. Die Weiterentwicklung findet hier weniger im Motorbau selbst als in der Optimierung seiner Anwendungen statt.

Dampfmaschine

Zu Beginn der Industrialisierung war die Dampfmaschine vorherrschend.

Verbrennungsmotoren

(siehe hierzu auch den Artikel "Verbrennungsmotor".)

Mit der Erfindung des Automobils zu Ende des 19. Jahrhunderts wurden im Maschinenbau vielfach auch Verbrennungsmotoren eingesetzt. Sie wandeln in thermodynamischen Zyklen die Energie fossiler Brennstoffe zu mechanischer Arbeit um. Meist wird die Expansion der Verbrennungsgase ("Explosion") in eine Hubbewegung und diese in eine Rotation umgesetzt, welche ihrerseits die Kraft für den Antrieb liefert.

Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren ist generell schlechter als der anderer Motorenprinzipien. Daher stecken in ihnen trotz 150 Jahre Entwicklungsarbeit noch zahlreiche Möglichkeiten der Verbesserung (Bauart, Kraftstoff, Steuerung usw.).

Verbrennungsmotoren sind mechanische Konstruktionen, die Frischluft mit einem Verbrennungsmedium wie Benzin, Gas, Diesel oder Schweröl vermischen und zum Verbrennen bringen. Die Verbrennung ist nur möglich, da ein Verbrennungsförderer der Sauerstoff und ein brennbares Medium wie Gas, Benzin, Diesel oder Schweröl gasförmig vermischt, verdichtet und gezündet werden. Die aus dem chemischen Verbrennungstakt gewonnene Energie - Differenz wird mechanisch in Antriebskraft umgewandelt.

Optimierung der Verbrennungsmotoren

Zur Steuerung der Frischluft läuft in den Standard-Motoren die Ventilsteuerung oder Drehschieber mit den Arbeitstakten synchron. Gravierende Veränderung zur beschleunigten Förderung der Frischluft wurde durch die Verwendung des Turboladers erreicht, der aus dem Rennsport stammt. Dies nicht zuletzt wegen des wesentlich besseren Wirkungsgrades der so bestückten Motoren. In Bezug auf die Förderung des brennbaren Mediums wie Benzin usw. hat der Motorenbau eine Verbesserung der Benzinzufuhr in Bezug auf die Einspritzdüsen erfahren. Diese Einspritzdüsen sind elektrisch angesteuert und dadurch in die moderne elektronische Steuerung der Motoren integrierbar.

Selbstzünder (Dieselmotor)

Kann die Explosion oder Verbrennung eines Kraftstoffes ohne Hilfsmittel - nur durch die hohe Verdichtung des Luft-Brennstoffgemisches - erfolgen, handelt es sich um einen Selbstzünder. Verbesserungen hat es in der Modifikation der Brennräume, Kolben der Einspritzdüsen und der Förderpumpen gegeben. Die Glühkerzen des Dieselmotores bzw. Mehrstoffmotors sind nur Hilfsmittel zum Kaltstart. Hier hat sich keine wesentliche Neuerung ausser Modifizierungen der Glühkerzen gegeben.

Fremdzünder (Ottomotor)

Ist die Verdichtug des Motors nicht so hoch wie bei dem Selbstzünder, dann benötigt er Zündkerzen, die von Bosch entwickelt wurden. Verbesserungen hat es in der der Materialauswahl der Zündkerzen (Platin) und mittels der gänzliche Übernahme durch die elektronische Motor-Sensorik und der Steuerung gegeben.

Verbrennungsmotor-Typen

Als Kolbenmaschinen (siehe auch Kraftmaschine) werden sie unterteilt in:

• Hubkolbenmotoren - welche die Volumenänderung eines Gases (de facto einer Art Explosion) in eine Drehbewegung umsetzen, und
• Kreiskolbenmotoren: hier git es keine Zylinderkolben mit Hin-und-Her-Bewegung, sondern eine "umkehrfreie Bewegung" des sogenannten Kreiskolbens auf einer Exzenterwelle in einem Trochoidegehäuse.

Zu ersteren zählen die bekannten Bauarten von

• Zweitaktmotor - vor allem für Mopeds, dem früheren DKW und, noch wohlbekannt, dem "Trabi". Im Autobau hat er aber weitgehend dem
• Ottomotor Platz gemacht, dem klassischen Viertaktmotor.
• Dieselmotor, sowie Varianten als
• Dampfmotor und Druckluftmotor, zum weiteren der
• Wankelmotor. Er war 1957 bis ca. 1980 ein Paradestück des modernen Motorbaus und vereinigt Vier- und Zweitaktprinzip. Durch wenige bewegliche Teile ist er störungs- und vibrationsarm. Außerdem hat er eine geringe Baugröße, vereinigt also hohe Leistung mit niedrigem Gewicht und Platzbedarf.
  • Der Verbrennungsraum mit ungünstigem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen gibt jedoch viel Wärme ungenutzt ans Gehäuse ab und lässt etwas unverbranntes Gemisch zurück, das bei den ersten Typenreihen in den Auspuff ging. Dem schlechteren Wirkungsgrad als beim Ottomotor kann man durch Zweipunkt-Zündung entgegenwirken. Der anfänglich hohe Verschleiß an den Abdichtungen war eine Herausforderung an die Konstrukteure - ebenso wie die höhere Drehzahl. Sie erfordert hohe Materialgüte und genaue Fertigung. Die Hürden wurden erfolgreich genommen. Doch die Hoffnungen der 1970er und 1980er Jahre auf eine entscheidende Wende im Wankel-Motorenbau wurden nicht wie erwartet erfüllt.

Hingegen wird dem

• Stirlingmotor noch einiges Entwicklungspotential eingeräumt. Er ist eine weitere Kolbenmaschine zur Ausnutzung thermischer Energie, der sie ähnlich der Dampfmaschine durch einen Kreisprozess umsetzt.

Die heutigen Verbrennungsmotoren werden in ihrem Betrieb großenteils durch elektronische Motorsteuerung optimiert.

Entwicklung, Zukunft

Diese Motorengruppe ist die am häufigsten eingesetzte, insbesondere als Benzin- und Dieselmotor. Sie macht den Großteil der Fahrzeug-Antriebe aus für Auto und LKW, Diesellok, Panzer etc., kleine Flugzeuge und Motorsegler, Flug- und Motorboote, Yachten, Rasenmäher und viele weitere Anwendungen.

Der Verbrennungsmotor ist mechanisch eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine und hat, aus heutiger Sicht noch über Jahrzehnte, beste Voraussetzungen, weiter optimiert zu werden im Verbrauch, Wirkungsgrad und in der Materialverwendung des Motors. Die Optimierung geschieht zum Teil durch andere Brennstoffe wie Wasserstoff, die fast reinen Wasserdampf als Auspuffgase haben, durch elektrolytische Dissoziation (elektrochemische Spaltung) von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff wieder zu neuem Brennstoff und dem Brennstoffförderer (Sauerstoff) gelangen, sowie durch kombinatorische Energie-Nutzungen bei Hybridkonzepten.

Andere Typen

Durch viele andere Prinzipien von Motoren wird künftig auch im Straßenverkehr mit einem zunehmenden Wechsel der Energiequellen zu rechnen sein, vor allem um die Emissionen zu reduzieren. Hoffnungsträger sind neben dem Elektroauto vor allem der Hybridantrieb, die Nutzung der Bremsenergie und die Brennstoffzelle. An letzterer arbeitet man freilich seit über 100 Jahren, um zur Serienreife zu kommen.

Dampfmaschinen

Die Dampfmaschine ist der "Urmotor" der Industrialisierung der letzten Jahrhunderte. Sie ist ein Konstrukt, welches von Thomas Newcomen erfunden und von James Watt weiter entwickelt wurde. Sie arbeitet mit heißem Wasserdampf unter Druck. Der erzeugte Wasserdampf wird in ein Zylindergehäuse mit Kolben einleitet und dort mittels eines Kurbeltriebes in mechanisch verwertbare Energie umgewandelt. Dabei wird wie beim Verbrennungsmotor eine lineare Bewegung über einen Kurbeltrieb in eine Rotationsbewegung umgesetzt.

Funktionsweise

Unter Verwendung eines Feuerkessels, in dem mit einem Kohlenfeuer das Wasser auf Siedetemperatur oder höher erhitzt wird, erzeugt das erhitzte Wasser sich ausdehnenden Dampf.

Dieser Dampf wird über eine mechanische Steuereinheit vom Kurbeltrieb der Dampfmaschine zugeführt. Die Steuereinheit bewirkt, dass der Dampfzylinder (in dem der Kolben läuft) des Kurbeltriebes nur dann erneut Dampf erhält, wenn der expandierte Dampf des vorherigen Hub-Taktes weitestgehend entwichen ist.

Bewegungsumsetzung

Die lineare Bewegung des Kolbens im expandierenden Zylinderraum, in den zuvor der Wasserdampf eingelassen wurde, wird von einer Pleuelstange am Kurbel- oder Hubzapfen in eine Drehbewegung umgesetzt. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich. Was die Lokomotive aus dem Schornstein entlässt, ist der ausgestoßene Dampf der Kolbenzylinder, vermischt mit den Rauch-Abgasen der Feuerung.

Sonstiges

Sie waren die ersten verwendbaren Kraftmaschinen der Technik (Watt 1778, Stevenson um 1830) und arbeiten mit expandiertem Wasserdampf. Dessen Druckkraft wird vom Dampfkolben aufgenommen, der sich im Regelfall im Innern eines Zylinders (Dampfzylinder) unter guter Abdichtung hin und her bewegen läßt. Schon um 1850 gab es mehrere Arten dieser Kolbenmaschine:

Entwicklung, Zukunft

Die Dampfmaschine ist vom Verbrennunsmotor abgelöst worden und kann aus heutiger Sicht energetisch als veraltet betrachtet werden. Sie hat einen zu niedrigen Wirkungsgrad und hat somit keine Zukunft mehr. Steht die Verbrennunswärme natürlich vorkommend zur Verfügung wie in Island (Geothermie), so wird man anstelle einer stationären Dampfmaschine eher die Dampfturbine verwenden, die auch heute ihren Platz hat in jedem Kohlekraftwerk.

Dampfturbine

Sie ist die moderne Version der Wärmekraftmaschine und nutzt die Dampfkraft mit höherem Wirkungsgrad. Ihr Druck treibt eine Turbine an, deren Drehung prinzipiell einen ruhigeren Lauf hat als das Hin und Her eines Dampfkolbens. Der Drehmomentverlauf ist daher flacher, das heißt, sie arbeitet gleichmäßiger.

Entwicklung, Zukunft

In Elektrizitätswerken wird der Abdampf hinter der Turbine kondensiert, um gegen ein Vakuum zu arbeiten und nicht gegen den atmosphärischen Luftdruck. So erhöht sich der Wirkungsgrad, entsprechend dem Verhältnis Atmosphärendruck zu Überdruck.

Gasturbinen

Turbinen mit Verbrennungsgasen gehören wie die Dampfturbine zu den "Thermischen Fluidenergie-Maschinen", aber in die Gruppe der Verbrennungskraftmaschinen. Als Strömungsmaschinen gelten sie beide.

Jede Gasturbine hat einen Verdichter (Kompressor), eine Brennkammer und eine Turbine, die meist über dieselbe Welle mit dem Verdichter mechanisch gekoppelt ist. Die vom Kompressor verdichtete Luft wird in der Brennkammer bei Temperaturen bis 1500°C mit dem eingespritzten Treibstoff verbrannt. Die mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Verbrennungsgase treiben die Turbine an (bei Raketen entfällt sie). Die Turbine entzieht ihnen mindestens jene Strömungsenergie, die zum Antrieb des Verdichters nötig ist. Der größere Rest steht als nutzbare Energie zur Verfügung - entweder für höhere Drehgeschwindigkeit der Turbine (Elektrizitätswerk, Helikopter) oder als Rückstoß.

Wirkungsgrad und Anwendungen

Je heißer die Gase sind, desto höher ist der Wirkungsgrad von Gasturbinen. Hierin und in der idealen Form der Turbinenschaufeln liegen große Entwicklungsmöglichkeiten des Motorenbaus. Wesentlich hierbei ist die thermische Belastbarkeit von Schaufeln und Ummantelung.

Anwendungen in der Luftfahrt sind durch das sehr gute Leistungs-Masse-Verhältnis der Gasturbinen gegeben, etwa als Triebwerk für Hubschrauber oder Turboprop-Flugzeuge. Die kinetische Energie der Brenngase ist aber auch für Rückstoß-Antrieb von Flugzeugen nutzbar. Bei Jets werden sog. Strahltriebwerke eingesetzt, deren Prinzip weitgehend der Gasturbine entspricht: auf die drei Bauteile der reinen Gastturbine folgt eine Düse, durch die der Abgasstrahl austritt. Die Turbine erhält nur so viel Energie (Drehgeschwindigkeit), wie sie zum Antrieb des Verdichters benötigt.

Anwendungen in der Schifffahrt: hier kommt es weniger auf eine günstiges Verhältnis Leistung-Masse an, als auf geringen Treibstoffverbrauch, und heute auch auf eine geringere Verschmutzung der Meere. Den Schiffsantrieb bringt man im Schiffsrumpf unter, wo man auch Vorkehrungen gegen Vibrationen oder andere Störungen treffen kann. Auch für Luftkissenfahrzeuge wird oft die Gasturbine gewählt.

Anwendung in Elektrizitätswerken Zwei Bauarten von Gasturbinen werden unterschieden.

• Schwere Bauart (Heavy Frame): die Turbinen haben Leistungen von über 50 MW (bis zu einigen hundert MW) und sind für den stationären Dauerbetrieb in großen Kraftwerken gedacht.
• Leichte Bauart: Flugturbinenderivate oder Aircraft Derivative haben Leistungen von 100 kW bis 40 MW und sind konstruktiv den Flugzeugturbinen ähnlich. Beim Einsatz in Industriekraftwerken sind diese Turbinen oft Bestandteil einer Kraft-Wärme-Kopplung bzw. einer GuD-Anlage (Gas-und Dampfkraftwerk). Günstig sind sie auch für leistungsfähige Notstromaggregate, etwa für Spitäler, weil sie zum vollen Hochlaufen nur wenige Minuten brauchen.

Raketenantrieb

Siehe auch Flugzeug- und Raketentechnik.

Elektromotoren

Elektromotoren sind Energieumwandler, die elektrischen Strom in Rotations- oder Linearbewegung umsetzen. Der Motorenbau arbeitet mit genormten Teilen (DIN), die die Produktion von Motoren vereinheitlicht. Dies gilt zumindest für Deutschland. Europäische Elektro-Motorenprodukte unterliegen einer anderen Norm, der CEE-Norm.

Elektromotoren gibt es für Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom. Sie finden vor allem bei Industrieanlagen und für elektrische Maschinen Verwendung - auch bei Spielzeug und vom PC-Lüfter ebenso in Haushaltsgeräten. Der Motorenbau forciert seine Erfolge durch Miniaturisierung und Betriebssicherheit.

Neuere Entwicklungen betreffen die großtechnische Anwendung von Supraleitern, an der intensiv gearbeitet wird. Sie wird neben Leistungssteigerungen im Motorbau auch den Transformatorbau betreffen.

Viele Elektromotoren, speziell solche mit Permanentmagneten, können auch "umgekehrt" als Generatoren arbeiten, d.h. durch ihren mechanischen Antrieb elektrische Energie erzeugen.

Alternative Antriebssysteme

Ergänzung der klassischen Automotoren

• Elektromotoren
• Hybridantrieb
• Wasserstoffantrieb

Für andere Zwecke sind unter anderem vorgesehen:

• Linearmotor (z.B. Eisenbahn),
• Druckluftmotor, Erdgas-Motor
• Stirlingmotor, Stelzer-Motor
• Wasserkraftmaschine, Dampfturbine

Alternative Treibstoffe

Durch die abzusehende Erdöl-Knappheit wird auch an neuen Treibstoffen statt Benzin, Kerosin, Schwer- und Dieselöl gearbeitet. Sie stellen den Motorenbau vor hohe Herausforderungen, weil die Verbrennungsvorgänge neu zu modellieren sind:

• Pflanzenöl aus „nachhaltigem Anbau“, Biogase,
• Wasserstoff
• Alkohol, Analogien zum früheren Holzbenzin

Verbesserungen an Otto- und Dieselmotor

Um der Forderung nach weniger Umweltschäden und Energieverbrauch zu entsprechen, muss der Dieselmotor noch wesentlich sauberer werden, und der Ottomotor deutlich sparsamer. Ein ebenso großer Effekt ließe sich freilich schon jetzt durch energiesparendere Fahrweise vieler Autofahrer erzielen.

Die technischen Aspekte dazu sind weitgehend klar, doch muss eine Bewusstseinsbildung damit einhergehen. Aus diesem Mangel heraus hat sich das Dreiliterauto, seit einem Jahrzehnt propagiert und technisch-wirtschaftlich längst machbar, noch kaum am Markt durchgesetzt. Neue Möglichkeiten ergeben sich in den wachsenden Märkten in Indien und China.

Zusammenfassung: heutige Tendenzen im Motorenbau

Bei PKW-Antrieben sind mittelfristig neben der Entwicklung und wirtschaftlich-ökologischer Anwendung die politisch-gesellschaftlichen Rahmenbedingungen mit entscheidend. Die US-Gesetzgebung fordert vor allem eine strenge Limitierung der Schadstoffemissionen und kümmert sich weniger um den Klimaschutz. Eben wegen diesem will hingegen Europa auch die CO2-Emissionen, also den Kraftstoffverbrauch, weiter eindämmen.

Da der Verbrennungsmotor auf absehbare Zeit dominierendes Antriebskonzept bleiben wird, gilt:

• Der prinzipiell verbrauchsgünstige Dieselmotor muss seine Emissionen von Stickoxid- und Partikeln (v.a. Ruß) verringern, doch unter Beibehaltung seines Vorteils im Verbrauch.
• Für den Ottomotor sind technische Konzepte zu etablieren, die seinen Verbrauch weiter senken.
• In einer Übergangsfrist zu alternativen Antriebskonzepten müssen auch Hybridmotoren zum Einsatz kommen.

Siehe auch

• Verbrennungsmotor
• Gasmotor
• Maschinendynamik
• Drehvermögen
• Elastizität
• Modalanalyse
• Chronologie der Technik
• Energie
• Getriebemotor

Wiktionary: Motor – Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen