Die frühesten Motoren könnten um das Jahr 100Herons Rauchturbinen zum Öffnen großer Tore gewesen sein. Auch sind Vermutungen zum Umgang ägyptischer Priesterschaft mit Heißgasen zum Bewegen riesiger Türen plausibel.
Um 1670 sollFerdinand Verbiest im Dienste desKaisers von China das betriebsfähige Modell einesDampfwagens gebaut haben. Das Wirkprinzip basierte wie schon bei früheren Rauchturbinen auf demHeronsball. Das Fahrzeug wird in den zuAstronomia Europea auf Latein im Jahr 1681 zusammengefassten Schriften Verbiests beschrieben, wobei er erstmals den BegriffMotor im heutigen Sinne verwendete. Authentische Abbildungen dieses Fahrzeugs existieren jedoch nicht.[1]
Auch nach der Erfindung der Verbrennungsmotoren war die Dampfmaschine noch ein viel verwendeter Antrieb – es konnte billige Kohle oder Holz als Brennmaterial verwendet werden. Aufgrund deren besseren Wirkungsgrades und der hohen Energiedichte der Kraftstoffe sind seitdem aberVerbrennungsmotoren 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 fossilerBrennstoffe zu begegnen. Oft verringern sich dadurch auch dieEmissionswerte. Voraussetzung hierfür sind praktikable Speichermöglichkeiten nicht-fossiler Energieträger vor allem für den mobilen Einsatz (Akkumulatoren, alternative Treibstoffe).Elektromotoren undHybridantriebe sind mögliche Alternativen zum Ersatz oder der Ergänzung des Kolbenmotors.
Motoren und andereKraftmaschinen wandeln chemische, elektrische oder thermischeEnergie in mechanische Energie (Arbeit) um. Sie sollen aus moderner Sicht
und je nach Anwendung weitere spezielle Eigenschaften besitzen.
Zu Beginn des Motorenbaues stand – praktisch bei jeder der Grundprinzipien – die Erzielung der nötigenLeistung. Weitere Kenngrößen von Motoren sind neben derLeistung (Verbrauch an Strom oder Kraftstoff und abgegebene mechanische Leistung) noch dieMasse, dieDrehzahl und derWirkungsgrad.
DieDampfmaschine ist der „Urmotor“ derIndustrialisierung der letzten Jahrhunderte. Sie wurde vonThomas Newcomen erfunden. Sie arbeitet mit heißem Wasserdampf unter Druck. Dessen Druckkraft wird vomDampfkolben aufgenommen. Dabei wird wie beim Verbrennungsmotor eine lineare Bewegung über einen Kurbeltrieb in eine Rotationsbewegung umgesetzt. Schon um 1850 gab es mehrere Arten dieserKolbenmaschine.
Unter Verwendung eines Feuerkessels, in dem mit einem Kohlenfeuer das Wasser aufSiedetemperatur 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.
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 bzw. Auspuff entlässt, ist der ausgestoßene Dampf der Kolbenzylinder, vermischt mit den Rauchabgasen der Feuerung.
Sie ist die moderne Version derWärmekraftmaschine und nutzt die Dampfkraft mit höherem Wirkungsgrad. Dampfdruck treibt eineTurbine an, deren Drehung prinzipiell einen ruhigeren Lauf hat als das Hin und Her eines Dampfkolbens. DerDrehmomentverlauf ist daher flacher, das heißt, sie arbeitet gleichmäßiger.
Verbrennungsmotoren wandeln inthermodynamischen Zyklen die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme über Volumenänderungsarbeit zu mechanischer Arbeit um. Dabei wirkt der Druck der Verbrennungsgase auf die Oberfläche eines beweglichen Bauteils (Kolben), das über einen Kurbeltrieb (Pleuel + Kurbelwelle) die Volumenänderungsarbeit der Gaskräfte in mechanische Arbeit umsetzt.
DerWirkungsgrad von Verbrennungsmotoren ist aufgrund der Umsetzung der chemisch gebundenen Energie des Kraftstoffes über Wärmefreisetzung in mechanische Arbeit stark vomBetriebspunkt abhängig. Im optimalen Betriebszustand kann der effektive Wirkungsgrad vonSchiffsmotoren unter Nutzung der Abgaswärme bis zu 55 % betragen (Emma-Mærsk-Klasse). Berücksichtigt man zudem die Nutzung der Kühlwasserwärme (Blockheizkraftwerk) und sogar der CO2-Emissionen, wie z. B. für Gewächshäuser, kann der Nutzen im Verhältnis zum Aufwand über 90 % betragen. Der Wirkungsgrad von PKW-Motoren im Kaltlauf, oder gar im Leerlauf kann unter 10 % liegen. Eine allgemeingültige Aussage ist nicht möglich und ist eng mit dem Anwendungsfall verbunden (Wirkungsgrad = Nutzen / Aufwand bzw. Kraftstoffverbrauch).
Zur Steuerung der Frischluft läuft in den Standard-Motoren eine Steuerung der ein- und austretenden Gase perVentilen oderDrehschieber mit den Arbeitstaktensynchron.
Durch einenTurbolader oder andere Luftverdichter kann Frischluft mit erhöhter Dichte zugeführt und dadurch der Wirkungsgrad der Motoren erhöht werden. Bei Ottomotoren wird die Benzinzufuhr durchEinspritzdüsen verbessert. Sie sind elektrisch angesteuert und dadurch in die moderne elektronische Steuerung der Motoren integrierbar. Analog dazu kommt bei Dieselmotoren dasPumpe-Düse-System oder dieCommon-Rail-Einspritzung zur Leistungsverbesserung zum Einsatz.
Kann die Verbrennung eines Kraftstoffes ohne Hilfsmittel – nur durch die hoheVerdichtung des Luft-Brennstoffgemisches – erfolgen, so handelt es sich um einen Selbstzünder. Er zündet durch Druckbefüllung derBrennkammer. 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. Im Zuge dieser Entwicklungen ist die Wirbelstromkammer vom Direkteinspritzer ersetzt worden.
DieGlühkerzen des Dieselmotors bzw. Mehrstoffmotors sind nur Hilfsmittel zumKaltstart; alternativ können hoch entzündliche Startbrennstoffe beim Start zugespeist werden. Hier gab es keine wesentlichen Neuerungen, sondern nur Modifizierungen der Glühkerzen.
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 andereBrennstoffe oderArbeitsmittel wieWasserstoff, bei denen fast reiner Wasserdampf entsteht, sowie durch kombinatorische Energie-Nutzungen beiHybridantriebskonzepten.
JedeGasturbine hat einenTurbokompressor, eineBrennkammer 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 ausströmendenVerbrennungsgase treiben die Turbine an (beiRaketen entfällt sie). Die Turbine entzieht ihnen mindestens jene Strömungsenergie, die zum Antrieb des Verdichters nötig ist. Der Rest steht alsnutzbare Energie zur Verfügung – entweder mechanische Energie zum Antrieb einer Welle (Elektrizitätswerk, Helikopter) oder als Rückstoß.
Je heißer die Gase sind, desto höher ist der Wirkungsgrad von Gasturbinen. Hierin und in der idealen Form derTurbinenschaufeln liegen große Entwicklungsmöglichkeiten des Motorenbaus. Wesentlich hierbei ist diethermische Belastbarkeit von Schaufeln und Ummantelung.
Anwendungen in derLuftfahrt sind durch das sehr gute Leistungs-Masse-Verhältnis der Gasturbinen gegeben, etwa als Triebwerk fürHubschrauber oderTurboprop-Flugzeuge. Die kinetische Energie der Brenngase ist aber auch fürRückstoß-Antrieb von Flugzeugen nutzbar. BeiJets werden sogenannteStrahltriebwerke eingesetzt, deren Prinzip weitgehend der Gasturbine entspricht: Auf die drei Bauteile der reinen Gasturbine folgt eineDüse, durch die derAbgasstrahl austritt. Die Turbine erhält nur so viel Energie (Drehgeschwindigkeit), wie sie zum Antrieb desVerdichters benötigt.
Anwendungen in derSchifffahrt: Hier kommt es weniger auf ein günstiges Verhältnis Leistung-Masse an als auf geringenTreibstoffverbrauch an. Deshalb hat der effizientere 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 fürLuftkissenfahrzeuge wird oft die Gasturbine gewählt.
Anwendung in Elektrizitätswerken(zwei Bauarten von Gasturbinen werden unterschieden):
SchwereBauart (Heavy Frame): die Turbinen haben Leistungen von über50MW (bis zu einigen hundert MW) und sind für den stationärenDauerbetrieb 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 inIndustriekraftwerken sind diese Turbinen oft Bestandteil einerKraft-Wärme-Kopplung bzw. einerGuD-Anlage (Gas- und Dampfkraftwerk). Günstig sind sie auch für leistungsfähigeNotstromaggregate, etwa fürKrankenhäuser, weil sie zum vollenHochlaufen nur wenige Minuten brauchen.
DerStirlingmotor wandelt Wärmeenergie in mechanische Energie um, ohne dass dazu zwingend eine Verbrennung stattfinden muss. Für den Betrieb muss am Motor ein Temperaturunterschied vorhanden sein und erhalten bleiben.
Raketenmotoren erzeugen in der Regel aus chemischer Energie über den Umweg der Wärmeenergie mechanische Energie. Siehe auchRakete,Raketentechnik. Ausnahmen, die rein physikalisch arbeiten, sind:
Die am häufigsten eingesetzten Motoren sindElektromotoren. Antriebe der verschiedensten Größe und Leistung finden sich in praktisch allenMaschinen Geräten, Automaten und Produktionsmitteln – von miniaturisiertenServo- undSchrittmotoren 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. durchleistungselektronische 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 derCEE-Norm.
Entwicklungstrends sind dieMiniaturisierung und die Kombination mit Steuerungstechnik (Sensorik, Leistungselektronik).
Neuere Entwicklungen betreffen die großtechnische Anwendung vonSupraleitern, an der intensiv gearbeitet wird. Sie wird neben Leistungssteigerungen im Motorbau auch denTransformatorbau betreffen.
Fast alle Elektromotoren können auch „umgekehrt“ alsGeneratoren arbeiten, d. h. beimechanischem Antrieb elektrische Energie erzeugen. Damit kann z. B. beim Bremsen oder bei Fahrstühlen Energie zurückgewonnen werden.
Eine Sonderform von Elektroantrieben sind diePiezomotoren.
Ineffiziente Motoren (IE1 und darunter) dürfen seit dem 16. Juni 2011 nicht mehr vertrieben werden. Ab 2015 sind durchschnittliche IE2 Motoren mit Nennausgangsleistung von 7,5 bis 375 kW nur noch mitDrehzahlregelung erlaubt. Alternativ können effiziente IE3 Motoren mit oder ohne Drehzahlregelung[2] vertrieben werden.[3]
Hydraulikmotoren arbeiten oft nach dem umgekehrten Prinzip einerZahnradpumpe. Sie erzeugen eine Drehbewegung aus Druck und Strömung einer Hydraulikflüssigkeit. Sie sind vergleichsweise klein und können auch im Stillstand hohe Drehmomente erzeugen. Sie werden u. a. an Baggern, Tunnelbohrmaschinen und in der Landwirtschaft eingesetzt.
Eine abgeleitete Variante ist inStrömungsgetrieben zu finden, wird dort jedoch nicht so genannt.
Ebenso ist einWindrad 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 (sieheGöpel). Noch heute treiben in trockenen Ländern Menschen oder Tiere Pumpwerke an, um Wasser zu fördern.
