Motorenbau

Ein Mercedes-V6-Rennmotor aus der DTM

Ein Motor (lat. mōtor, „Beweger“; [ˈmoːtoːr]; auch [moˈtoːr]) ist eine Vorrichtung, die mechanische Arbeit verrichtet, indem sie verschiedene Energieformen, zum Beispiel thermische Energie, chemische Energie oder elektrische Energie, umwandelt.

In der Regel verfügen Motoren über eine Welle, die sie in Rotation versetzen und durch sie mechanische Vorrichtungen wie Getriebe antreiben. Ausnahmen sind Raketenmotoren und Linearmotoren. Heute sind Verbrennungsmotoren und Elektromotoren von herausragender Bedeutung. Sprachlich ist die Abgrenzung zu Maschine und Antrieb oft nicht klar.

Geschichte

Die frühesten Motoren könnten um 100 Herons Rauchturbinen zum Öffnen großer Tore gewesen sein. 1678 soll es ein Dampfauto für den Kaiser von China gegeben haben (Ferdinand Verbiest). Auch sind Vermutungen zum Umgang ägyptischer Priesterschaft mit Heißgasen zum Bewegen riesiger Türen plausibel.

Die technische Entwicklung zu heutigen Motoren begann nachvollziehbar mit der von Thomas Savery und Thomas Newcomen erfundenen und 1778 von James Watt weiter entwickelten Dampfmaschine.

Die Dampfmaschine veränderte die wirtschaftlichen und sozialen Strukturen Europas und löste die industrielle Revolution aus. Es gab nicht nur ortsfeste Maschinen, sondern auch die Lokomobile (eine fahrbare, teilweise selbstfahrende Dampfmaschine zum Antrieb von Dreschmaschinen oder zum Dampfpflügen), Dampflokomotiven, Dampftraktoren und -straßenwalzen.

Dampfmaschinen waren die ersten motorischen Schiffsantriebe (Dampfer).

Der erste Verbrennungsmotor wurde 1862 von Nicolas August Otto erfunden, und dann nach ihm benannt. Der Ottomotor war jedoch viel zu groß und zu schwer um in ein Automobil (lat.=sich selbst bewegen) eingebaut werden zu können. Dieses Problem löste Gottlieb Daimler. Er verbesserte den Ottomotor, so dass er in ein Auto eingebaut werden konnte, also hatte er das Auto erfunden. Allerdings gelang diese Erfindung zur gleichen Zeit auch dem Ingenieur Carl Friedrich Benz. Benz meldete seine Entdeckung als erster dem Patentamt an, also gilt er als wahrer Erfinder des Automobils.

Auch nach der Erfindung der Verbrennungsmotoren war die Dampfmaschine noch ein vielverwendeter Antrieb – es konnte billige Kohle oder Holz als Brennmaterial verwendet werden. Aufgrund deren besseren Wirkungsgrades und der hohen Energiedichte der Kraftstoffe sind seitdem aber Verbrennungsmotoren in den Vordergrund getreten, die die chemische Energie der Brennstoffe in ihrem Inneren in Wärmeenergie und dann in mechanische Energie umwandeln.

Für die Zukunft strebt man einen Wechsel der Energiequelle mobiler Motoren an, um der Verknappung und damit Verteuerung fossiler Brennstoffe zu begegnen. Oft verringern sich dadurch auch die Emissionswerte. Voraussetzung hierfür sind praktikable Speichermöglichkeiten nichtfossiler Energieträger vor allem für den mobilen Einsatz (Akkumulatoren, alternative Treibstoffe). Elektromotoren und Hybridantriebe sind mögliche Alternativen zum Ersatz oder der Ergänzung des Kolbenmotors.

In allen Größen, von Spielzeugen bis Industrieanlagen, finden Elektromotoren für Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom 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.

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.

Übersicht verschiedener Typen

• Elektromotor
  • Linearmotor
  • Drehstromasynchronmotor (DASM)
  • Drehstromsynchronmotor (DSM)
  • Schrittmotor
  • Servomotor
  • Universalmotor
  • Gleichstrommotor
  • Reluktanzmotor
  • Schleifringläufermotor
  • Polumschaltbare Motore
  • Drehstromlinearmotor
  • Nebenschlussmotor
  • Doppelschlussmotor
  • Anwurfmotor
  • Einphaseninduktionsmotor
  • Kondensatormotor
  • Spaltpolmotor
  • Elektromotor
  • Kappelmotor
  • Scheibenläufer
  • Stromwendermachine
• Dampfmaschine (mit externer Verbrennung bzw. Wärmequelle)
• Zyklische Verbrennungskraftmaschine
  • Stelzer-Motor
  • Hubkolbenmotor (mit interner Verbrennung als Standmotor oder Umlaufmotor)
    • Ottomotor
    • Dieselmotor
    • Diesotto-Motor
    • Wasserstoffverbrennungsmotor
    • Wasserstoffkreislaufmotor
    • Gegenkolbenmotor
    • Glühkopfmotor
  • Rotationskolbenmotor (mit interner Verbrennung)
    • Wankelmotor
      • Drehkolbenmotor (eine kinematische Form des Wankelmotors)
      • Kreiskolbenmotor (zweite kinematische Form des Wankelmotors)
• Stirlingmotor (mit externer Verbrennung bzw. Wärmequelle)
• Kolbenmaschine mit externer Verbrennung
• Vakuummotor
• Freikolbenmotor
• Druckluftmotor
• Hydraulikmotor
• Nanomotor
• Wasserkraftmaschine
• Ultraschallmotor
• Rückstoßmotoren
  • Raketentriebwerk
  • Strahltriebwerk
  • Staustrahltriebwerk
  • Pulsstrahltriebwerk

Arten von Motoren

Dampfmaschine

Die Dampfmaschine ist der „Urmotor“ der Industrialisierung der letzten Jahrhunderte. Sie wurde von James Watt erfunden. Sie arbeitet mit heißem Wasserdampf unter Druck. Dessen Druckkraft wird vom Dampfkolben aufgenommen. Dabei wird wie beim Verbrennungsmotor eine lineare Bewegung über einen Kurbeltrieb in eine Rotationsbewegung umgesetzt. Schon um 1850 gab es mehrere Arten dieser Kolbenmaschine.

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 das Fortbewegungsmittel aus dem Schornstein/Auspuff entlässt, ist der ausgestoßene Dampf der Kolbenzylinder, vermischt mit den Rauch-Abgasen der Feuerung.

Entwicklung, Zukunft

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

Dampfturbine

Sie ist die moderne Version der Wärmekraftmaschine und nutzt die Dampfkraft mit höherem Wirkungsgrad. Dampfdruck 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.

Verbrennungsmotoren

Komponenten eines typischen Viertaktmotors mit obenliegender Nockenwelle: C: Kurbelwelle E: Abgasventil-Nockenwelle I: Luftzufuhrventil-Nockenwelle P: Kolben R: Pleuelstange S: Zündkerze V: Ventile W: Kühlwasserschächte Rot: Abgasöffnung Blau: Einsaugöffnung

Mit der Erfindung des Automobils zu Ende des 19. Jahrhunderts wurden im Maschinenbau vielfach auch Verbrennungsmotoren eingesetzt. Sie wandeln in thermodynamischen Zyklen die Energie des Treibstoffs 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 kann mechanisch in Antriebskraft umgewandelt oder direkt zur Erzeugung von Elektrizität (s. http://www.treehugger.com/files/2008/10/free-piston-engines-efficient-plug-in-hybrid-cars-electric.php) verwendet werden.

Optimierung der Verbrennungsmotoren

Zur Steuerung der Frischluft läuft in den Standard-Motoren eine Steuerung der ein- und austretenden Gase per Ventilen oder mittels Drehschieber mit den Arbeitstakten synchron.

Durch den aus dem Flugzeugbau stammenden Turbolader wird Frischluft mit erhöhter Dichte zugeführt und dadurch der Wirkungsgrad der Motoren erhöht. Bei Otto-Motoren wird die Benzinzufuhr durch Einspritzdüsen verbessert. Sie sind elektrisch angesteuert und dadurch in die moderne elektronische Steuerung der Motoren integrierbar. Analog dazu kommt bei Dieselmotoren das Pumpe-Düse-System oder die Common-Rail-Einspritzung zur Leistungsverbesserung zum Einsatz.

Mittels Schubabschaltung erreicht man eine Verbrauchsoptimierung.

Selbstzünder (Dieselmotor)

Kann die Verbrennung eines Kraftstoffes ohne Hilfsmittel – nur durch die hohe Verdichtung des Luft-Brennstoffgemisches – erfolgen, so handelt es sich um einen Selbstzünder durch Druckbefüllung der Brennkammer. Verbesserungen hat es in der Modifikation der Brennräume, Kolben, Einspritzdüsen und Förderpumpen sowie bei der Erhöhung der Einspritzdrücke, der damit verbundenen besseren Mischung des Kraftstoffs mit der Luft und systematischen Variierung der Kraftstoffzumessung gegeben.

Die Glühkerzen des Dieselmotors bzw. Mehrstoffmotors sind nur Hilfsmittel zum Kaltstart alternativ können auch hochentzündliche Startbrennstoffe beim Start zugespeist werden. Hier hat sich keine wesentliche Neuerung außer Modifizierungen der Glühkerzen ergeben.

Fremdzünder (Ottomotor)

Ist die Verdichtung des Motors nicht so hoch wie bei dem Selbstzünder, dann benötigt er Zündkerzen, die von Bosch entwickelt wurden, um das Reaktionsgemisch korrosionsfrei zu entzünden. Verbesserungen hat es in der Materialauswahl der Zündkerzen (Platin) und mittels der gänzlichen Übernahme durch elektronische Motor-Sensorik und zunächst mechanische sowie bald auch elektronische Steuerung gegeben.

Entwicklung, Zukunft

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

Der Verbrennungsmotor ist mechanisch eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine und hat, aus heutiger Sicht noch über Jahrzehnte, beste Voraussetzungen, weiter optimiert zu werden im Verbrauch, im Wirkungsgrad und in der Materialverwendung des Motors. Die Optimierung geschieht zum Teil durch andere Brennstoffe oder Arbeitsmittel wie Wasserstoff, bei denen fast reiner Wasserdampf entsteht, sowie durch kombinatorische Energie-Nutzungen bei Hybridantriebskonzepten.

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 Turbokompressor, 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 Rest steht als nutzbare Energie zur Verfügung – entweder mechanische Energie zum Antrieb einer Welle (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 Gasturbine 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 ein günstiges Verhältnis Leistung-Masse an als auf geringen Treibstoffverbrauch an. Deshalb hat der effizeinterer Dieselmotor, der im Gegensatz zur Gasturbine auch mit günstigem Schweröl betrieben werden kann, diese im zivilen Bereich verdrängt. Für militärische Anwendung wird sie wegen ihrer größeren Laufruhe gelegentlich eingesetzt. 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 Krankenhäuser, weil sie zum vollen Hochlaufen nur wenige Minuten brauchen.

Stirlingmotor

Der Stirlingmotor wandelt Wärmeenergie in mechanische Energie um, ohne dass dazu zwingend eine Verbrennung stattfinden muss.

Raketenmotoren

Raketenmotoren erzeugen in der Regel aus chemischer Energie über den Umweg der Wärmeenergie mechanische Energie. Siehe auch Rakete, Raketentechnik.
Ausnahmen, die rein physikalisch arbeiten, sind:

• Kalt- und Heißwasserraketen.
• Ionenantriebe

Elektromotor

Die am häufigsten eingesetzten Motoren sind Elektromotoren. Antriebe der verschiedensten Größe und Leistung finden sich in praktisch allen Maschinen Geräten, Automaten und Produktionsmitteln – von miniaturisierten Servo- und Schrittmotoren über Geräte für Haushalt, Büro, Klima und Auto bis zu Industrieanlagen.

Die Weiterentwicklung findet hier weniger im Motorbau selbst als in der Optimierung seiner Anwendung, z. B. durch leistungselektronische Steuerung, statt.

Elektromotoren sind Energieumwandler, die elektrischen Strom in Rotations- oder lineare Bewegung (Linearmotor) umsetzen. Größere Asynchronmotoren sind oft genormt (DIN, Deutschland), was die Produktion und den Einsatz von Motoren vereinheitlicht. Europäische Elektro-Motorenprodukte unterliegen oft der der CEE-Norm.

Elektromotoren gibt es für Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom. Sie finden vor allem bei Industrieanlagen und für elektrische Maschinen Verwendung. Auch in Spielzeugen oder z. B. in PCs (Lüfter, Laufwerke, Festplatte) und in Haushaltsgeräten werden sie eingesetzt.

Entwicklungstrends sind die Miniaturisierung und die Kombination mit Steuerungstechnik (Sensorik, Leistungselektronik).

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

Fast alle Elektromotoren können auch „umgekehrt“ als Generatoren arbeiten, d. h. bei mechanischem Antrieb elektrische Energie erzeugen. Damit kann z. B. beim Bremsen oder bei Fahrstühlen Energie zurückgewonnen werden.

Eine Sonderform von Elektroantrieben sind die Piezomotoren.

Hydraulikmotor

Hydraulikmotoren arbeiten oft nach dem umgekehrten Prinzip einer Zahnradpumpe. Sie erzeugen eine Drehbewegung aus Druck und Strömung einer Hydraulikflüssigkeit. Sie sind vergleichsweise klein und können hohe Drehmomente erzeugen. Sie werden u. a. an Baggern, Tunnelbohrmaschinen und in der Landwirtschaft eingesetzt.

Eine Abart ist in Strömungsgetrieben zu finden, wird dort jedoch nicht so genannt.

Druckluftantriebe

Druckluft wird zum Betrieb von Turbinen (z. B. zahnärztliche Turbinen (Bohrer), Zentrifugen) oder Kolbenmaschinen genutzt.

Alternative Antriebssysteme

Ergänzung der klassischen Automotoren

• Hybridantrieb
• Wasserstoffantrieb
• Erdgas-Motor

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 (bevorzugt aus nachhaltigem Anbau), Biogase, veresterte Pflanzenöle (Biodiesel)
• Wasserstoff (Hydrolyse aus Wasser mit nachhaltig erzeugtem elektrischem Strom) für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge
• Alkohole (Methanol, Ethanol aus Biomasse, für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge) Analogien zum früheren Holzbenzin
• sogenanntes Synfuel, synthetische, diesel- oder benzinähnliche Kraftstoffe aus Biomasse

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.

Im März 2008 gab die Firma MeRoTa AG aus dem Landkreis Anhalt-Bitterfeld bekannt, dass sie einen BMW 316i M43 194 E1 Motor so verbessert habe, dass der Wirkungsgrad beträchtlich gesteigert werden konnte, so dass der Verbrauch mit einem Drittel des angegebenen Wertes beziffert werden konnte.

Historie

Nicht unerwähnt bleiben sollte im Zusammenhang von Motoren die Wasserkraft und die Windkraft. Auch ein Wasserrad in oberschlächtiger oder unterschlächtiger Bauweise ist ein Motor, ein Energiewandler: das Energieangebot von Wasser mit höherer Lage (potentielle Energie) eines Teiches oder eines Flusses wurde mittels eines Wasserrades in eine Drehbewegung umgesetzt, um Mühlsteine (Wassermühle) oder ein Sägewerk anzutreiben.

Ebenso ist ein Windrad ein Motor: die Kraft der vorbeiströmenden Luft wird verwendet, um z. B. einen Mühlstein (Windmühle), eine Wasserpumpe oder einen Generator anzutreiben.

Weitere historische Antriebe arbeiteten mit Muskelkraft von Tieren oder Menschen (siehe Göpel). Noch heute treiben in trockenen Ländern Menschen oder Tiere Pumpwerke an, um Wasser zu fördern.

Siehe auch

• Maschinendynamik
• Drehvermögen
• Elastizität
• Kühlung (Verbrennungsmotor)
• Modalanalyse
• Chronologie der Technik
• Energie
• Getriebemotor