Motor

EinMotor[ˈmoːtoːr] (auch [moˈtoːr];lateinischmōtor‚Beweger‘) ist eineKraftmaschine,diemechanische Arbeitverrichtet, indem sie eineEnergieform,z. B.thermische,chemische,hydraulische,pneumatischeoderelektrische Energie,inBewegungsenergieumwandelt.

In der Regel verfügen Motoren über eineWelle,die sie inRotationversetzen und durch sie mechanische Vorrichtungen, wieGetriebe,antreiben. Ausnahmen sindRaketenmotorenundLinearmotoren.Heute sindVerbrennungsmotorenundElektromotorenvon herausragender Bedeutung.

Geschichte des Motors

Die frühesten Motoren könnten um das Jahr 100HeronsRauchturbinen zum Öffnen großer Tore gewesen sein. Auch sind Vermutungen zum Umgang ägyptischer Priesterschaft mit Heißgasen zum Bewegen riesiger Türen plausibel.

Um 1670 sollFerdinand Verbiestim Dienste desKaisers von Chinadas betriebsfähige Modell einesDampfwagensgebaut haben. Das Wirkprinzip basierte wie schon bei früheren Rauchturbinen auf demHeronsball.Das Fahrzeug wird in den zuAstronomia Europeaauf Latein im Jahr 1681 zusammengefassten Schriften Verbiests beschrieben, wobei er erstmals den BegriffMotorim heutigen Sinne verwendete. Authentische Abbildungen dieses Fahrzeugs existieren jedoch nicht.^[1]

Die technische Entwicklung zu heutigen Motoren begann nachvollziehbar mit der vonThomas SaveryundThomas Newcomenerfundenen und 1778 vonJames Wattweiter entwickeltenDampfmaschine.

Die Dampfmaschine veränderte die wirtschaftlichen und sozialen Strukturen Europas und löste dieindustrielle Revolutionaus. Es gab nicht nur ortsfeste Maschinen, sondern nach der Erfindung der Hochdruckdampfmaschine vonRichard Trevithickauch dieLokomobile(eine fahrbare, teilweise selbstfahrende Dampfmaschine zum Antrieb vonDreschmaschinenoder zumDampfpflügen),Dampflokomotiven,Dampfschiffe,Dampftraktorenund -straßenwalzen.

1816 erfandRobert Stirlingden später nach ihm benanntenHeißgasmotor.Er suchte nach einer Maschine ohne den explosionsgefährdeten Kessel.

Einer der ersten brauchbarenVerbrennungsmotoren– einGasmotornach demZweitaktprinzip– wurde vonÉtienne Lenoirerfunden, 1862 vonNikolaus August Ottodurch die Entwicklung desViertaktprinzipsverbessert und später nach ihm benannt. DerOttomotorwar zunächst zu groß und zu schwer, um in einAutomobileingebaut werden zu können. Dieses Problem lösten nahezu gleichzeitigGottlieb DaimlerundCarl Friedrich Benz.

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 aberVerbrennungsmotorenin 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 fossilerBrennstoffezu begegnen. Oft verringern sich dadurch auch dieEmissionswerte.Voraussetzung hierfür sind praktikable Speichermöglichkeiten nicht-fossiler Energieträger vor allem für den mobilen Einsatz (Akkumulatoren, alternative Treibstoffe).ElektromotorenundHybridantriebesind mögliche Alternativen zum Ersatz oder der Ergänzung des Kolbenmotors.

In allen Größen, vonSpielzeugenbisIndustrieanlagen,findenElektromotorenfürGleichstrom,WechselstromundDrehstromVerwendung (elektrische Maschinen). Viele Elektromotoren – speziell solche mitPermanentmagneten– können auch alsGeneratorenarbeiten, wenn sie mechanisch angetrieben werden.

Anforderungen an Motoren

Motorenund andereKraftmaschinenwandeln chemische, elektrische oder thermischeEnergiein mechanische Energie (Arbeit) um. Sie sollen aus moderner Sicht

einen hohenWirkungsgradbesitzen – d. h. denKraftstoffoptimal und daher bei geringemVerbrauchausnutzen,
wenigEmissionenverursachen oder zumindest wenigSchadstoffeausstoßen,
eine möglichst hoheLeistungbei geringem Gewicht entwickeln,
hoheBetriebssicherheitundLebensdaueraufweisen
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,dieDrehzahlund derWirkungsgrad.

Übersicht verschiedener Typen

Elektromotor
Dampfmaschine(mit externer Verbrennung bzw. Wärmequelle)
Zyklische Verbrennungskraftmaschine
- Stelzer-Motor
- Hubkolbenmotor(mit interner Verbrennung als Standmotor oderUmlaufmotor)
- Rotationskolbenmotor(mit interner Verbrennung)
  - Wankelmotor
    - Drehkolbenmotor(eine kinematische Form desWankelmotors)
    - Kreiskolbenmotor (zweite kinematische Form desWankelmotors)
Stirlingmotor(mit externer Verbrennung bzw. Wärmequelle)
Kolbenmaschinemit externer Verbrennung
Vakuummotor
Freikolbenmotor
Druckluftmotor
Hydraulikmotor
Nanomotor
Wasserkraftmaschine
Ultraschallmotor
Rückstoßmotoren

Arten von Motoren

Dampfmaschine

DieDampfmaschineist der „Urmotor “derIndustrialisierungder letzten Jahrhunderte. Sie wurde vonThomas Newcomenerfunden. Sie arbeitet mit heißem Wasserdampf unter Druck. Dessen Druckkraft wird vomDampfkolbenaufgenommen. Dabei wird wie beim Verbrennungsmotor eine lineare Bewegung über einen Kurbeltrieb in eine Rotationsbewegung umgesetzt. Schon um 1850 gab es mehrere Arten dieserKolbenmaschine.

Funktionsweise

Unter Verwendung eines Feuerkessels, in dem mit einem Kohlenfeuer das Wasser aufSiedetemperaturoder 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 bzw. Auspuff entlässt, ist der ausgestoßene Dampf der Kolbenzylinder, vermischt mit den Rauchabgasen der Feuerung.

Dampfturbine

Sie ist die moderne Version derWärmekraftmaschineund nutzt die Dampfkraft mit höherem Wirkungsgrad. Dampfdruck treibt eineTurbinean, deren Drehung prinzipiell einen ruhigeren Lauf hat als das Hin und Her eines Dampfkolbens. DerDrehmomentverlaufist daher flacher, das heißt, sie arbeitet gleichmäßiger.

Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotorenwandeln inthermodynamischenZyklen 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.

DerWirkungsgradvon Verbrennungsmotoren ist aufgrund der Umsetzung der chemisch gebundenen Energie des Kraftstoffes über Wärmefreisetzung in mechanische Arbeit stark vomBetriebspunktabhängig. Im optimalen Betriebszustand kann der effektive Wirkungsgrad vonSchiffsmotorenunter 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).

Optimierung der Verbrennungsmotoren

Zur Steuerung der Frischluft läuft in den Standard-Motoren eine Steuerung der ein- und austretenden Gase perVentilenoderDrehschiebermit den Arbeitstaktensynchron.

Durch einenTurboladeroder andere Luftverdichter kann Frischluft mit erhöhter Dichte zugeführt und dadurch der Wirkungsgrad der Motoren erhöht werden. Bei Ottomotoren wird die Benzinzufuhr durchEinspritzdüsenverbessert. Sie sind elektrisch angesteuert und dadurch in die moderne elektronische Steuerung der Motoren integrierbar. Analog dazu kommt bei Dieselmotoren dasPumpe-Düse-Systemoder dieCommon-Rail-Einspritzungzur Leistungsverbesserung zum Einsatz.

MittelsSchubabschaltungundStart-Stopp-Systemerreicht man eine Verbrauchsoptimierung.

Selbstzünder (Dieselmotor)

Kann die Verbrennung eines Kraftstoffes ohne Hilfsmittel – nur durch die hoheVerdichtungdes 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.

DieGlühkerzendes 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.

Fremdzünder (Ottomotor)

Ist die Verdichtung des Motors nicht so hoch wie bei dem Selbstzünder, dann benötigt er z. B.Zündkerzen,um das Reaktionsgemisch zu entzünden.

Entwicklung und Zukunft

Im Fahrzeugbau ist diese Motorengruppe die am häufigsten eingesetzte, insbesondere alsBenzin-undDieselmotor.Sie macht den Großteil derFahrzeug-Antriebe für Auto undLkw,Diesellok,Panzer etc., kleineFlugzeugeund Motorsegler,Flug– undMotorboote,Yachten,Rasenmäherund 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 andereBrennstoffeoderArbeitsmittelwieWasserstoff,bei denen fast reiner Wasserdampf entsteht, sowie durch kombinatorische Energie-Nutzungen beiHybridantriebskonzepten.

Gasturbinen

Turbinenmit Verbrennungsgasen gehören wie dieDampfturbinezu den „ThermischenFluidenergie-Maschinen “, aber in die Gruppe derVerbrennungskraftmaschinen.AlsStrömungsmaschinengelten sie beide.

JedeGasturbinehat einenTurbokompressor,eineBrennkammerund 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 ausströmendenVerbrennungsgasetreiben die Turbine an (beiRaketenentfällt sie). Die Turbine entzieht ihnen mindestens jene Strömungsenergie, die zum Antrieb des Verdichters nötig ist. Der Rest steht alsnutzbare Energiezur 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 derTurbinenschaufelnliegen große Entwicklungsmöglichkeiten des Motorenbaus. Wesentlich hierbei ist diethermische Belastbarkeitvon Schaufeln und Ummantelung.

Anwendungen in derLuftfahrtsind durch das sehr gute Leistungs-Masse-Verhältnis der Gasturbinen gegeben, etwa als Triebwerk fürHubschrauberoderTurboprop-Flugzeuge. Die kinetische Energie der Brenngase ist aber auch fürRückstoß-Antrieb von Flugzeugen nutzbar. BeiJetswerden sogenannteStrahltriebwerkeeingesetzt, deren Prinzip weitgehend der Gasturbine entspricht: Auf die drei Bauteile der reinen Gasturbine folgt eineDüse,durch die derAbgasstrahlaustritt. Die Turbine erhält nur so viel Energie (Drehgeschwindigkeit), wie sie zum Antrieb desVerdichtersbenötigt.

Anwendungen in derSchifffahrt:Hier kommt es weniger auf ein günstiges Verhältnis Leistung-Masse an als auf geringenTreibstoffverbrauchan. 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 fürLuftkissenfahrzeugewird 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 stationärenDauerbetriebin 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 inIndustriekraftwerkensind diese Turbinen oft Bestandteil einerKraft-Wärme-Kopplungbzw. einerGuD-Anlage (Gas- und Dampfkraftwerk). Günstig sind sie auch für leistungsfähigeNotstromaggregate,etwa fürKrankenhäuser,weil sie zum vollenHochlaufennur wenige Minuten brauchen.

Bei einigen Turbinen kann der Anstellwinkel der Turbinenschaufeln verändert werden; siehe auchVariable-Turbinengeometrie-Lader.

Stirlingmotor

DerStirlingmotorwandelt 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

Raketenmotorenerzeugen in der Regel aus chemischer Energie über den Umweg der Wärmeenergie mechanische Energie. Siehe auchRakete,Raketentechnik.
Ausnahmen, die rein physikalisch arbeiten, sind:

Elektromotor

Die am häufigsten eingesetzten Motoren sindElektromotoren.Antriebe der verschiedensten Größe und Leistung finden sich in praktisch allenMaschinenGeräten, Automaten und Produktionsmitteln – von miniaturisiertenServo-undSchrittmotorenüber 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. durchleistungselektronischeSteuerung, 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.

Elektromotoren gibt es fürGleichstrom,WechselstromundDrehstrom.Sie finden vor allem beiIndustrieanlagenund fürelektrische MaschinenVerwendung. Auch inSpielzeugenoder z. B. inPCs(Lüfter, Laufwerke, Festplatte) und inHaushaltsgerätenwerden sie eingesetzt.

Entwicklungstrends sind dieMiniaturisierungund 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 denTransformatorbaubetreffen.

Fast alle Elektromotoren können auch „umgekehrt “alsGeneratorenarbeiten, d. h. beimechanischemAntrieb elektrische Energie erzeugen. Damit kann z. B. beim Bremsen oder bei Fahrstühlen Energie zurückgewonnen werden.

Eine Sonderform von Elektroantrieben sind diePiezomotoren.

Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Kommission

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 mitDrehzahlregelungerlaubt. Alternativ können effiziente IE3 Motoren mit oder ohne Drehzahlregelung^[2]vertrieben werden.^[3]

Hydraulikmotor

Hydraulikmotorenarbeiten 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 inStrömungsgetriebenzu finden, wird dort jedoch nicht so genannt.

Druckluftantriebe

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

Geschichte

Wasserkraftund dieWindkraftspielen bei der Geschichte des Motors eine Rolle. Auch einWasserradist einMotor,ein Energiewandler: Das Energieangebot vonWassermit höherer Lage (potenzielle Energie) einesTeichesoder einesFlusseswurde mittels eines Wasserrades in eine Drehbewegung umgesetzt, umMühlsteine(Wassermühle) oder einSägewerkanzutreiben.

Ebenso ist einWindradein 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.

Weblinks

Wiktionary: Motor– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons:Motor– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikiquote: Motor– Zitate

Einzelnachweise

↑Zur Geschichte des Kraftfahrzeugs.In:Automobiltechnische Zeitschrift.2/1949, S. 40.
↑Drehzahlregelung am Beispiel der Lüftertechnikwww.kimo.de, abgerufen am 2. Dezember 2020.
↑EU-Ökodesign-Richtlinie (EuP-Richtlinie)(MementodesOriginalsvom 20. Januar 2015 imInternet Archive)Info:Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäßAnleitungund entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.bdew.de(PDF; 426 kB) www.bdew.de, abgerufen am 20. Januar 2015.

[1] Zur Geschichte des Kraftfahrzeugs.In:Automobiltechnische Zeitschrift.2/1949, S. 40.

[2] Drehzahlregelung am Beispiel der Lüftertechnikwww.kimo.de, abgerufen am 2. Dezember 2020.

[3] EU-Ökodesign-Richtlinie (EuP-Richtlinie)(MementodesOriginalsvom 20. Januar 2015 imInternet Archive)Info:Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäßAnleitungund entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.bdew.de(PDF; 426 kB) www.bdew.de, abgerufen am 20. Januar 2015.

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Motor

Inhaltsverzeichnis

Geschichte des Motors

Anforderungen an Motoren

Übersicht verschiedener Typen