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Motorenbau

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Es kommt der Moment, wo man aufhören muß, den Motor hochzudrehen und den Gang einzulegen. (David J. Mahony)

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

Einleitung

Spontan denkt man bei "Motorenbau" an die leistungsfähige Motoren für die Auto-Industrie. Doch das Thema "Motoren" ist so vielfältig wie wenige Sparten der Technik. So fordert etwa die Miniaturisierung von Aggregaten in sehr kleinen Maschinen oder für Steuerungsgeräte vom Konstrukteur viel an Wissen und Ingenieurskunst.

Aus historischer Sicht stand die Dampfmaschine am Beginn, u.a. als Kessel-, Drei- und Vierzylinder-Maschine. Keine andere Erfindung hat in Europa größere Veränderungen bewirkt: industrielle Revolution und ihre wirtschaftlichen Folgen, die soziale Frage, die Entwicklung neuer Parteien usw. Man schreibt sie James Watt zu (1778), doch schon 1712 war Thomas Newcomen erfolgreich.

1678 soll es bereits ein Dampfauto für den Kaiser von China gegeben haben (Ferdinand Verbiest) und um 100 Herons Dampfturbine zum Öffnen großer Tore.

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 ausnützen,
  2. wenig Emissionen verursachen oder zumindestens 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 4-5 Grundprinzipien - die Erzielung der nötigen Leistung. So entstanden in Fabriken große, robuste Dampfmaschinen, die oft 100 Jahre in Verwendung standen, in Einzelfällen sogar noch bis heute (Beisp. Hamburg?). Andererseits hat fehlende Motorleistung viele Entwicklungen stark behindert - etwa die ersten Motorflüge. Andernfalls hätte vermutlich schon Wilhelm Kress - einige Jahre vor den Wrights - den ersten Motorflug geschafft.

Die wichtigsten Kenngrößen von Motoren sind neben der Leistung (Eingangs- oder Ausgangsleistung) noch die Masse, bei Triebwerken der Schub, die Drehgeschwindigkeit und der Wirkungsgrad.
Aufgabe des Motorenbaues ist es nun, diese Größen in ein für den jeweiligen Zweck günstiges Verhältnis zu bringen. Dies erfolgt beispielsweise im heutigen Autobau vor allem durch Optimierung des Verbrennungsvorgangs.

Arten von Motoren

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.

Zu Beginn der Industrialisierung war die Dampfmaschine vorherrschend. 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. (siehe Schlusskapitel).

Durch viele andere Prinzipien von Motoren wird künftig auch im Straßenverkehr mit einem zunehmenden Wechsel der Energiequellen zu rechnen sein - vor allem um die Emission (Umwelt) 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.

Verbrennungsmotoren

Diese Motorengruppe ist die allgenein am besten bekannte - insbesondere als Benzin- und Dieselmotor. Sie macht den Großteil der Fahrzeug-Antriebe aus (Auto und LKW, Diesellok, Panzer etc., kleinere Flugzeuge und Motorsegler, Flug- und Motorboote, Yachten, Rasenmäher und viele weitere.

Verbrennungsmotoren erhalten die Energie - ähnlich den (unten angeführten) Gas- und Dampfturbinen) aus der Verbrennung meist flüssiger Treibstoffe zu heißen Gasen. Die Betriebstemperaturen liegen allerdings viel tiefer, was einen schlechteren Wirkungsgrad bedeutet - und damit starke Umweltverschmutzung und ein Drittel Anteil am Treibhauseffekt. Andererseits ist eine geringere Motortemperatur ein kleiner Vorteil für Produktionskosten, Gewicht und Betriebssicherheit.

Als Kolbenmaschinen (siehe auch Kraftmaschine) werden sie unterteilt in:
o Hubkolbenmotoren - welche die Volumenänderung eines Gases (de facto einer Art Explosion) in eine Drehbewegung umsetzen, und
o Kreiskolbenmotoren: hier git es keine Zylinderkolben mit Hin-Her-Bewegung, sondern eine "umkehrfreie Bewegung" im sog- Kreiskolben (auf einer Exzenterwelle in einem Trochoidgehäuse kreisend).
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, zu zweiteren der
  • Wankelmotor. Er war 1957 bis ca.1980 ein Paradestück des modernen Motorbaus und vereinigt Vier- und Zweitaktprinzip. Durch wenig bewegliche Teile ist er störungs- und vibrationsarm. Außerdem hat er eine geringe Baugröße, vereinigt also hohe Leistung mit niedrigem Gewicht und Platzbedarf.
    • Der langgestreckte Verbrennungsraum 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 2-Punkt-Zündung entgegenwirken. Der anfänglich hohe Verschleiß an den Abdichtungen war eine hohe Herausforderung an die Konstrukteure - ebenso wie die höhere Drehzahl. Sie erfordert hohe Materialgüte und genaue Fertigung, was wiederum Hauptaufgabe der Werkstoffkunde und der Facharbeiter war.
    • Die Hürden wurden erfolgreich genommen. Doch die Hoffnungen der 1970er und 1980er-Jahre auf eine entscheidende Wende im Motorenbau wurden nicht wie erwartet erfüllt.

durch. 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.
  • Ergänzung zum Dampfmotor?

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

Dampfmaschinen

Sie waren die ersten Kraftmaschinen der Technik (Watt 1778, Stevenson um 1830) und arbeiten mit gespanntem Wasserdampf betrieben wird. 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:

Man kann den Dampf unter Überdruck auf einer Seite des Zylinders einströmen lassen, während die andere Seite mit der Atmosfäre in Verbindung steht. Der Überdruck treibt den Kolben zum geringeren Druck - und eine Pleuelstange setzt die Kraft in Drehung um.
Sperrt man hingegen den Dampf ab, sobald der Kolben das Zylinderende erreicht hat, und kühlt ihn dann (z.B. mit Kaltwasser) ab, so kondensiert der Dampf unter starkem Volumensverlust zu Wasser. Der entstehnde Unterdrucktreibt den Kolben wieder zurück. Für sich allein wird das Prinzip nur selten angewandt, doch Ende des 19. Jahrhunderts wurden Kombinationen beider Methoden entwickelt und vielfach eingesetzt.

Dampfturbine

Sie ist die moderne Version der Wärmekraftmaschine und nützt 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, d.h. sie arbeitet gleichmäßiger.
Bei Kraftwerksanlagen 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 Atmosphären- 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 mit dem eingespritzten Treibstoff verbrannt - bei Temperaturen bis 1500°C. Die mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Verbrennungsgase treiben die Turbine an (bei Raketen entfällt sie). Die Turbine entzieht ihnen mindestens jene Strömungsenergie, als zum Antrieb des Verdichters nötig ist. Der größere Rest steht als nutzbare Energie zur Verfügung - entweder für höhere Drehgeschwindigkeit der Turbine (Kraftwerk, 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 hiebei 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 3 Bauteile der reinen Gastturbine folgt eine Düse, durch die der Abgasstrahl austritt. Die Turbine erhält nur so viel Energie (Drehgeschwindigkeit), als 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 weniger 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 Kraftwerken Bei der Stromerzeugung etwa in Kohlekraftwerken sind es Gaturbinen, die den Generator antreiben. Zwei Bauarten werden unterschieden:
o 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.
o 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

(zu ergänzen). Siehe auch Flugzeug- und Raketentechnik.

Elektromotoren

gibt es für Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom. Sie finden vor allem bei Industrieanlagen und für elektrische Maschinen Verwendung - aber auch bei Spielzeug und vom PC-Lüfter bis zu kleinen oder großen Haushaltsgeräten. Der Motorenbau hat hier in den letzten Jahrzehnten ungeheure Erfolge in der Miniaturisierung und Betriebssicherheit gebracht.
Für den Haushalt gilt das nur bedingt. Hier liegen die häufigsten Fehlerquellen aber weniger in den Motoren als in der Stromzufuhr (Batterien, Akkus, Bruch von Kabeln oder Schaltern).

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

Mögliche/ nötige Ergänzung der "klassischen" Automotoren

für künftige Automobile sind vor allem:

Für andere Zwecke sind unter anderem vorgesehen:

Alternative Treibstoffe

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

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 schonendere Fahrweise vieler Autofahrer erzielen - schonend für Nerven und als energiesparende Fahrweise.

Die technischen Aspekte dazu sind weitgehend klar, doch muss eine Bewusstseinsbildung damit einhergehen. Aus diesem Mangel heraus hat sich das "Dreiliter-Auto]] - seit einem Jahrzehnt propagiert und technisch-wirtschaftlich längst machbar - noch kaum am Markt durchgesetzt. Vielleicht gibt der wachsende Markt in Indien und China den entsprechenden Vorhaben von Autoindustrie und Umweltverbänden ...

Die rein technischen Ansätze sind - soweit derzeit absehbar - vor allem:

  • Beim Ottomotor: ...
  • beim Dieselmotor: ... (zu beidem z.B. [www.=====>.com Daimler-Chrysler-Projekte])

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 [[Schadstoffemission]en und kümmert sich weniger um den Klimaschutz. Eben wegen diesem will hongegen [[Europa] auch die CO2-Emissionen – also den [[Kraftstoffverbrauch] – weiter eindämmen.

Da der Verbrennungsmotor auf absehbare Zeit dominierendes Antriebskonzept bleiben wird, gilt es, seine Stärken weiter zu pflegen und seine Schwächen zu eliminieren:

  • der prinzipiell verbrauchsgünstige Dieselmotor muss seine Emissionen von Stickoxid- und Partikeln (v.a. Ruß) verringern - doch unter Beibehaltung seines Vorteils im Vrebrauch.
  • Für den Ottomotor sind technische Konzepte zu etablieren, die seinen Verbrauch weiter senken.
  • Egal, ob Diesel oder Otto – der Verbrennungsmotor ist nur optimierbar zusammen mit dem Getriebe.
  • In einer Übergangsfrist zu alternativen Antriebskonzepten des 21. Jahrhunderts müssen - auch wenn sich die gegenwärtigen Entwickler der Autokonzerne noch zuwenig "anstrengen" - auch Hybridmotoren zum Einsatz kommen. Besonders in den USA und Japan wäre dies vordrindlich, sowie im Hinblick auf die stark wachsenden Autozahlen in Asien.

Siehe auch

Artikel zu ergänzen

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