Motor

Begriff und Grundprinzip

Ein Motor ist eine Kraftmaschine, die mechanische Arbeit verrichtet, indem sie eine Energieform, zum Beispiel thermische, chemische, hydraulische, pneumatische oder elektrische Energie, in Bewegungsenergie umwandelt. Meist besitzt ein Motor eine Welle, die in Rotation versetzt wird und über Getriebe weitere mechanische Vorrichtungen antreibt. Raketenmotoren und Linearmotoren sind Ausnahmen. Heute sind vor allem Verbrennungs- und Elektromotoren von großer Bedeutung.

Motoren sollen einen hohen Wirkungsgrad besitzen, also Energie bei möglichst geringem Verbrauch gut ausnutzen, wenig Emissionen und Schadstoffe verursachen, bei geringem Gewicht eine hohe Leistung entwickeln sowie sicher und langlebig sein. Wichtige Kenngrößen sind Leistung, Verbrauch an Strom oder Kraftstoff, abgegebene mechanische Leistung, Masse, Drehzahl und Wirkungsgrad.

Zu den Motorarten zählen unter anderem Elektro-, Linear-, Gleichstrom-, Synchron-, Asynchron-, Schritt-, Servo-, Universal-, Reluktanz- und viele weitere Elektromotoren. Außerdem gibt es Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren wie Otto- und Dieselmotoren, Wankel- und Stirlingmotoren, Druckluft- und Hydraulikmotoren, Wasserkraftmaschinen sowie Strahl- und Raketentriebwerke.

Geschichtliche Entwicklung

Die frühesten Motoren könnten um das Jahr 100 Herons Rauchturbinen zum Öffnen großer Tore gewesen sein. Auch die Nutzung von Heißgasen durch ägyptische Priester zum Bewegen großer Türen wird vermutet. Um 1670 soll Ferdinand Verbiest im Dienst des Kaisers von China ein betriebsfähiges Modell eines Dampfwagens gebaut haben. Es beruhte wie frühere Rauchturbinen auf dem Heronsball; authentische Abbildungen sind jedoch nicht bekannt.

Die nachvollziehbare Entwicklung moderner Motoren begann mit der von Thomas Savery und Thomas Newcomen erfundenen und 1778 von James Watt weiterentwickelten Dampfmaschine. Sie veränderte die wirtschaftlichen und sozialen Strukturen Europas und löste die industrielle Revolution aus. Nach Richard Trevithicks Hochdruckdampfmaschine entstanden unter anderem Lokomobilen, Dampflokomotiven, Dampfschiffe, Dampftraktoren und Dampfstraßenwalzen.

1816 erfand Robert Stirling den später nach ihm benannten Heißgasmotor. Étienne Lenoir entwickelte einen der ersten brauchbaren Verbrennungsmotoren, einen Gasmotor nach dem Zweitaktprinzip. Nikolaus August Otto verbesserte ihn 1862 durch das Viertaktprinzip. Gottlieb Daimler und Carl Friedrich Benz lösten nahezu gleichzeitig das Problem, dass der Ottomotor zunächst zu groß und schwer für Automobile war.

Auch Wasserräder und Windräder sind Motoren, weil sie Energie in Drehbewegung umwandeln. Wasserräder nutzten die potenzielle Energie höher gelegenen Wassers zum Antrieb von Mühlsteinen oder Sägewerken. Windräder nutzten die Kraft der Luft zum Antrieb von Mühlsteinen, Wasserpumpen oder Generatoren. Historisch wurden außerdem Menschen und Tiere als Antrieb für Pumpwerke eingesetzt.

Dampf- und Wärmekraftmaschinen

Die Dampfmaschine gilt als „Urmotor“ der Industrialisierung. Sie arbeitet mit heißem Wasserdampf unter Druck. In einem Feuerkessel wird Wasser mit Kohle bis zur Siedetemperatur oder darüber erhitzt. Der sich ausdehnende Dampf wird durch eine mechanische Steuereinheit in den Dampfzylinder geleitet. Diese führt erst dann erneut Dampf zu, wenn der expandierte Dampf des vorherigen Hubtaktes weitgehend entwichen ist.

Der Dampfdruck bewegt den Kolben. Seine lineare Bewegung wird über Pleuelstange und Kurbel- oder Hubzapfen in eine Drehbewegung umgesetzt. Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend. Aus dem Schornstein oder Auspuff treten ausgestoßener Dampf und Rauchabgase der Feuerung aus.

Die Dampfturbine ist eine moderne Wärmekraftmaschine. Dampfdruck treibt eine Turbine an, die gleichmäßiger und ruhiger läuft als ein hin- und hergehender Dampfkolben. Ihr Drehmomentverlauf ist flacher. Der Stirlingmotor wandelt Wärmeenergie ohne zwingende Verbrennung in mechanische Energie um. Voraussetzung ist ein vorhandener und dauerhaft erhaltener Temperaturunterschied.

Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren wandeln die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme in thermodynamischen Zyklen über Volumenänderungsarbeit in mechanische Arbeit um. Der Druck der Verbrennungsgase wirkt auf einen beweglichen Kolben. Ein Kurbeltrieb aus Pleuel und Kurbelwelle wandelt die Bewegung beziehungsweise die Volumenänderungsarbeit der Gaskräfte in mechanische Arbeit um.

Der Wirkungsgrad hängt stark vom Betriebspunkt ab. Bei Schiffsmotoren kann der effektive Wirkungsgrad im optimalen Betriebszustand und unter Nutzung der Abgaswärme bis zu 55 % betragen. Werden zusätzlich Kühlwasserwärme und sogar CO₂-Emissionen, etwa für Gewächshäuser, genutzt, kann der Nutzen im Verhältnis zum Aufwand über 90 % betragen. Bei Pkw-Motoren im Kaltlauf oder Leerlauf kann der Wirkungsgrad unter 10 % liegen. Eine allgemeingültige Aussage ist daher nicht möglich. Es gilt: Wirkungsgrad = Nutzen / Aufwand beziehungsweise Kraftstoffverbrauch.

Bei Standardmotoren steuern Ventile oder Drehschieber die ein- und austretenden Gase synchron zu den Arbeitstakten. Turbolader und andere Luftverdichter führen Frischluft mit höherer Dichte zu. Ottomotoren verwenden elektrisch angesteuerte Einspritzdüsen. Bei Dieselmotoren dienen unter anderem Pumpe-Düse-Systeme und Common-Rail-Einspritzungen der Leistungsverbesserung. Schubabschaltung und Start-Stopp-Systeme senken den Verbrauch.

Beim Selbstzünder, also Dieselmotor, entzündet sich der Kraftstoff durch die hohe Verdichtung des Luft-Brennstoff-Gemisches. Verbesserungen betrafen Brennräume, Kolben, Einspritzdüsen, Förderpumpen und höhere Einspritzdrücke. Die bessere Mischung von Kraftstoff und Luft und eine genauere Kraftstoffzumessung führten dazu, dass die Wirbelstromkammer durch den Direkteinspritzer ersetzt wurde. Glühkerzen sind beim Diesel- oder Mehrstoffmotor nur Hilfsmittel für den Kaltstart. Beim Fremdzünder, also Ottomotor, ist die Verdichtung geringer; das Gemisch wird beispielsweise durch Zündkerzen entzündet.

Verbrennungsmotoren werden besonders in Autos und Lastkraftwagen, Diesellokomotiven, Panzern, kleinen Flugzeugen, Motorseglern, Flug- und Motorbooten, Yachten und Rasenmähern eingesetzt. Ihre weitere Optimierung betrifft Verbrauch, Wirkungsgrad und Materialeinsatz. Genannt werden auch andere Brennstoffe oder Arbeitsmittel wie Wasserstoff sowie Hybridantriebe.

Gasturbinen und Raketenmotoren

Gasturbinen gehören wie Dampfturbinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen, sind aber Verbrennungskraftmaschinen und Strömungsmaschinen. Jede Gasturbine besitzt einen Turbokompressor, eine Brennkammer und eine Turbine. Kompressor und Turbine sind meist über dieselbe Welle verbunden. Der Kompressor verdichtet Luft, die in der Brennkammer bei Temperaturen bis 1500 °C mit eingespritztem Treibstoff verbrannt wird. Die schnell ausströmenden Verbrennungsgase treiben die Turbine an. Diese entzieht ihnen mindestens die Energie für den Kompressorantrieb; der Rest kann eine Welle antreiben oder als Rückstoß dienen.

Höhere Gastemperaturen steigern den Wirkungsgrad. Entwicklungsmöglichkeiten liegen außerdem in der Form der Turbinenschaufeln und ihrer thermischen Belastbarkeit. Wegen ihres guten Leistungs-Masse-Verhältnisses werden Gasturbinen in Hubschraubern und Turboprop-Flugzeugen eingesetzt. Strahltriebwerke nutzen zusätzlich eine Düse, durch die der Abgasstrahl austritt. In der zivilen Schifffahrt verdrängte der verbrauchsärmere Dieselmotor die Gasturbine weitgehend; militärisch wird sie wegen ihrer Laufruhe und auch bei Luftkissenfahrzeugen verwendet.

Schwere Gasturbinen für Kraftwerke leisten über 50 MW bis zu einigen hundert MW. Leichte Bauarten beziehungsweise Flugturbinenderivate leisten 100 kW bis 40 MW. Sie werden unter anderem in Industriekraftwerken, Kraft-Wärme-Kopplungs- und GuD-Anlagen sowie als schnell hochlaufende Notstromaggregate eingesetzt.

Raketenmotoren gewinnen in der Regel aus chemischer Energie über Wärmeenergie mechanische Energie. Kalt- und Heißwasserraketen sowie Ionenantriebe arbeiten dagegen rein physikalisch.

Elektro-, Hydraulik- und Druckluftantriebe

Elektromotoren gehören zu den am häufigsten eingesetzten Motoren. Sie wandeln elektrischen Strom in eine rotierende oder lineare Bewegung um. Es gibt sie für Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom. Sie reichen von miniaturisierten Servo- und Schrittmotoren über Geräte in Haushalt, Büro, Klima und Auto bis zu Industrieanlagen. Auch in Spielzeugen, PCs und Haushaltsgeräten kommen sie vor.

Die Weiterentwicklung konzentriert sich besonders auf leistungselektronische Steuerungen, Sensorik, Miniaturisierung und die Anwendung in elektrischen Maschinen. An großtechnischen Anwendungen von Supraleitern wird gearbeitet. Fast alle Elektromotoren können umgekehrt als Generatoren arbeiten und bei mechanischem Antrieb elektrische Energie erzeugen, beispielsweise beim Bremsen oder in Fahrstühlen. Eine Sonderform sind Piezomotoren. Nach der Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission dürfen ineffiziente Motoren der Klasse IE1 und darunter seit dem 16. Juni 2011 nicht mehr vertrieben werden. Ab 2015 sind durchschnittliche IE2-Motoren mit 7,5 bis 375 kW Nennausgangsleistung nur noch mit Drehzahlregelung erlaubt; effiziente IE3-Motoren dürfen mit oder ohne Drehzahlregelung vertrieben werden.

Hydraulikmotoren erzeugen aus Druck und Strömung einer Hydraulikflüssigkeit eine Drehbewegung und arbeiten oft nach dem umgekehrten Prinzip einer Zahnradpumpe. Sie sind vergleichsweise klein und können auch im Stillstand hohe Drehmomente erzeugen. Typische Einsatzgebiete sind Bagger, Tunnelbohrmaschinen und die Landwirtschaft. Druckluft treibt entweder Turbinen, etwa zahnärztliche Bohrer und Zentrifugen, oder Kolbenmaschinen an.