Typen von Motoren und ihre Funktionsweise

Motoren sind Maschinen, die eine Energiequelle in physische Arbeit umwandeln. Wenn man etwas bewegen muss, ist ein Motor genau das Richtige, um es anzutreiben. Aber nicht alle Motoren sind gleich gebaut, und verschiedene Arten von Motoren funktionieren definitiv nicht gleich.

Die intuitivste Art, sie zu unterscheiden, ist die Art der Energie, die jeder Motor für die Leistung verwendet.

• Wärmemotoren
  • Verbrennungsmotoren (IC-Motoren)
  • Verbrennungsmotoren (EC-Motoren)
  • Reaktions Motoren
• Elektromotoren
• Physikalische Motoren

Wärmemotoren

In der weitest möglichen Definition, benötigen diese Motoren eine Wärmequelle, um sich in Bewegung zu setzen. Je nachdem, wie sie diese Wärme erzeugen, kann es sich um Verbrennungsmotoren (die etwas verbrennen) oder um nicht verbrennende Motoren handeln. Sie funktionieren entweder durch direkte Verbrennung eines Treibstoffs oder durch die Umwandlung eines Fluids zur Erzeugung von Arbeit. Daher gibt es bei den meisten Wärmekraftmaschinen auch einige Überschneidungen mit chemischen Antriebssystemen. Sie können luftatmende Motoren sein (die Oxidationsmittel wie Sauerstoff aus der Atmosphäre aufnehmen) oder nicht luftatmende Motoren (die Oxidationsmittel chemisch im Treibstoff gebunden haben).

Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren (IC-Motoren) sind heute ziemlich allgegenwärtig. Sie treiben Autos, Rasenmäher, Hubschrauber und so weiter an. Der größte Verbrennungsmotor kann 109.000 PS erzeugen und damit ein Schiff antreiben, das 20.000 Container transportiert. Verbrennungsmotoren gewinnen ihre Energie aus Kraftstoff, der in einem speziellen Bereich des Systems, der Verbrennungskammer, verbrannt wird. Bei der Verbrennung entstehen Reaktionsprodukte (Abgase) mit einem viel größeren Gesamtvolumen als das der Reaktanten (Kraftstoff und Oxidationsmittel) zusammen. Diese Expansion ist das eigentliche Brot und Butter der Verbrennungsmotoren – sie sorgt für die eigentliche Bewegung. Wärme ist nur ein Nebenprodukt der Verbrennung und stellt einen vergeudeten Teil des Energievorrats des Kraftstoffs dar, da sie keine physikalische Arbeit leistet.

Verbrennungsmotoren werden nach der Anzahl der „Hübe“ oder Zyklen unterschieden, die jeder Kolben für eine volle Umdrehung der Kurbelwelle macht. Am gebräuchlichsten sind heute Viertaktmotoren, bei denen die Verbrennungsreaktion in vier Schritten abläuft:

1. Ansaugung oder Einspritzung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs (des Vergasers) in den Brennraum.
2. Kompression des Gemischs.
3. Zündung durch eine Zündkerze oder Kompression – der Kraftstoff explodiert.
4. Austritt des Abgases.

Bei jedem Schritt wird ein 4-Takt-Kolben abwechselnd nach unten oder nach oben gedrückt. Die Zündung ist der einzige Schritt, bei dem im Motor Arbeit erzeugt wird. Bei allen anderen Schritten ist jeder Kolben auf Energie aus externen Quellen angewiesen (die anderen Kolben, ein elektrischer Anlasser, das manuelle Kurbeln oder die Trägheit der Kurbelwelle), um sich zu bewegen. Deshalb müssen Sie bei Ihrem Rasenmäher die Sehne ziehen und Ihr Auto braucht eine funktionierende Batterie, um anzulaufen.

Weitere Kriterien zur Unterscheidung von Verbrennungsmotoren sind die Art des verwendeten Kraftstoffs, die Anzahl der Zylinder, der Gesamthubraum (Innenvolumen der Zylinder), die Verteilung der Zylinder (Reihen-, Stern-, V-Motoren usw.) sowie Leistung und Leistungsgewicht.

Motoren mit äußerer Verbrennung

Motoren mit äußerer Verbrennung (EC-Motoren) halten die Kraftstoff- und Abgasprodukte getrennt – sie verbrennen den Kraftstoff in einer Kammer und erhitzen die Arbeitsflüssigkeit innerhalb des Motors durch einen Wärmetauscher oder die Motorwand. Der Urvater der industriellen Revolution, die Dampfmaschine, fällt in diese Kategorie.

In mancher Hinsicht funktionieren EC-Motoren ähnlich wie ihre Verbrennungsmotoren – beide benötigen Wärme, die durch Verbrennung von Stoffen gewonnen wird. Es gibt jedoch auch einige Unterschiede.

EC-Motoren verwenden Flüssigkeiten, die eine thermische Ausdehnung-Kontraktion oder eine Phasenverschiebung erfahren, deren chemische Zusammensetzung jedoch unverändert bleibt. Das verwendete Fluid kann entweder gasförmig (wie beim Stirling-Motor) oder flüssig (beim Organic Rankine Cycle-Motor) sein oder einen Phasenwechsel durchlaufen (wie bei der Dampfmaschine) – bei Verbrennungsmotoren ist das Fluid fast immer ein Gemisch aus flüssigem Kraftstoff und Luft, das verbrennt (seine chemische Zusammensetzung ändert). Schließlich können die Motoren die Flüssigkeit nach dem Gebrauch entweder ablassen, wie es bei Verbrennungsmotoren der Fall ist (Motoren mit offenem Kreislauf), oder sie verwenden kontinuierlich dieselbe Flüssigkeit (Motoren mit geschlossenem Kreislauf).

Überraschenderweise erzeugten die ersten industriell genutzten Dampfmaschinen ihre Arbeit nicht durch Druck, sondern durch ein Vakuum. Diese als „atmosphärische Maschinen“ bezeichneten Geräte waren schwerfällig und sehr kraftstoffarm. Im Laufe der Zeit nahmen Dampfmaschinen die Form und die Eigenschaften an, die wir heute von Motoren erwarten, und wurden immer effizienter – mit Kolben-Dampfmaschinen, die das Kolbensystem einführten (das auch heute noch von Verbrennungsmotoren verwendet wird), oder mit Verbundmotoren, die die Flüssigkeit in den Zylindern bei abnehmendem Druck wiederverwendeten, um zusätzlichen „Schwung“ zu erzeugen.

Heute sind Dampfmaschinen nicht mehr weit verbreitet: Sie sind schwer und sperrig, haben eine viel geringere Kraftstoffeffizienz und ein schlechteres Leistungsgewicht als Verbrennungsmotoren und können ihre Leistung nicht so schnell ändern. Aber wenn man sich nicht an ihrem Gewicht und ihrer Größe stört und eine konstante Leistung benötigt, sind sie einfach großartig. Daher werden EC-Motoren derzeit mit großem Erfolg als Dampfturbinenmotoren in der Schifffahrt und in Kraftwerken eingesetzt.

Kernkraftwerke werden als nicht-brennbare oder externe Wärmekraftmaschinen bezeichnet, da sie nach denselben Prinzipien wie EC-Motoren arbeiten, ihre Leistung aber nicht aus der Verbrennung beziehen.

Reaktionstriebwerke

Reaktionstriebwerke, umgangssprachlich auch als Düsentriebwerke bekannt, erzeugen Schub durch den Ausstoß von Reaktionsmasse. Das Grundprinzip eines Reaktionstriebwerks ist das dritte Newtonsche Gesetz: Wenn man etwas mit genügend Kraft durch das hintere Ende des Triebwerks bläst, wird das vordere Ende nach vorne geschoben. Und Düsentriebwerke sind wirklich gut darin.

Die Dinge, die wir normalerweise als „Düsentriebwerk“ bezeichnen, die, die an ein Boeing-Passagierflugzeug geschnallt sind, sind streng genommen luftatmende Düsentriebwerke und fallen unter die Klasse der Turbinentriebwerke. Staustrahltriebwerke, die in der Regel als einfacher und zuverlässiger gelten, da sie weniger (bis gar keine) bewegliche Teile enthalten, sind ebenfalls luftatmende Düsentriebwerke, gehören aber zur Klasse der Staustrahltriebwerke. Der Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass Staustrahltriebwerke die Luft allein durch ihre Geschwindigkeit in das Triebwerk leiten, während Turbotriebwerke die Luft mithilfe von Turbinen ansaugen und in der Brennkammer verdichten. Darüber hinaus funktionieren sie weitgehend gleich.

Bei Turbojets wird die Luft in die Motorkammer gesaugt und durch eine rotierende Turbine verdichtet. Staustrahltriebwerke saugen die Luft an und verdichten sie, indem sie sehr schnell fahren. Im Innern des Motors wird sie mit Hochleistungsbrennstoff vermischt und gezündet. Wenn man die Luft (und damit den Sauerstoff) konzentriert, mit viel Kraftstoff vermischt und zur Detonation bringt (wodurch Abgase entstehen und sich das gesamte Gas thermisch ausdehnt), erhält man ein Reaktionsprodukt, das im Vergleich zur angesaugten Luft ein riesiges Volumen aufweist. Der einzige Ort, an dem diese Masse an Gasen durchkommen kann, ist das hintere Ende des Motors, und das tut sie mit extremer Kraft. Auf dem Weg dorthin treibt es die Turbine an, die weitere Luft ansaugt und die Reaktion aufrechterhält. Und um dem Ganzen noch die Krone aufzusetzen, befindet sich am hinteren Ende des Motors eine Treibdüse.

Dieses Bauteil zwingt das gesamte Gas, durch einen noch kleineren Raum zu strömen, als es ursprünglich hineingekommen ist, und beschleunigt es so weiter zu einem „Strahl“ aus Materie. Die Abgase verlassen das Triebwerk mit unglaublichen Geschwindigkeiten, bis zum Dreifachen der Schallgeschwindigkeit, und treiben das Flugzeug vorwärts.

Nicht-luftatmende Düsentriebwerke oder Raketentriebwerke funktionieren genau wie Düsentriebwerke, nur ohne den vorderen Teil – denn sie brauchen kein externes Material, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten. Wir können sie im Weltraum einsetzen, weil sie das gesamte benötigte Oxidationsmittel im Treibstoff verpackt haben. Sie sind einer der wenigen Triebwerkstypen, die durchweg feste Brennstoffe verwenden.

Heiztriebwerke können lächerlich groß oder bezaubernd klein sein. Aber was ist, wenn du nur eine Steckdose hast und deine Sachen mit Strom versorgen musst? Nun, in diesem Fall brauchst du:

Elektromotoren

Ah ja, die saubere Bande. Es gibt drei Arten von klassischen Elektromotoren: magnetisch, piezoelektrisch und elektrostatisch.

Der magnetische, wie die Batterie dort, ist der am häufigsten verwendete der drei. Er beruht auf der Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einem elektrischen Strom, um Arbeit zu erzeugen. Sie funktioniert nach demselben Prinzip wie ein Dynamo, nur in umgekehrter Richtung. Man kann sogar etwas Strom erzeugen, wenn man einen elektromagnetischen Motor mit der Hand ankurbelt.

Um einen Magnetmotor zu bauen, braucht man einige Magnete und einen gewickelten Leiter. Wenn ein elektrischer Strom an die Wicklung angelegt wird, induziert er ein Magnetfeld, das mit dem Magneten interagiert und eine Rotation erzeugt. Es ist wichtig, diese beiden Elemente voneinander zu trennen, daher haben Elektromotoren zwei Hauptbestandteile: den Stator, den äußeren Teil des Motors, der unbeweglich bleibt, und einen Rotor, der sich im Inneren dreht. Die beiden sind durch einen Luftspalt getrennt. In der Regel sind Magnete in den Stator eingelassen, und der Leiter ist um den Rotor gewickelt, aber die beiden sind austauschbar. Magnetmotoren sind außerdem mit einem Kommutator ausgestattet, der den elektrischen Fluss verschiebt und das induzierte Magnetfeld moduliert, während sich der Rotor dreht, um die Rotation aufrechtzuerhalten.

Piezoelektrische Antriebe sind Motorentypen, die sich die Eigenschaft einiger Materialien zunutze machen, Ultraschallschwingungen zu erzeugen, wenn sie einem Stromfluss ausgesetzt werden, um Arbeit zu erzeugen. Bei elektrostatischen Motoren stoßen sich gleichartige Ladungen gegenseitig ab und erzeugen eine Rotation im Rotor. Da erstere teure Materialien verwenden und letztere vergleichsweise hohe Spannungen benötigen, um zu funktionieren, sind sie nicht so verbreitet wie magnetische Antriebe.

Klassische Elektromotoren haben eine der höchsten Energieeffizienz aller Motoren, die es gibt, und wandeln bis zu 90 % der Energie in Arbeit um.

Ionenantriebe

Ionenantriebe sind eine Art Mischung zwischen einem Düsentriebwerk und einem elektrostatischen. Diese Klasse von Antrieben beschleunigt Ionen (Plasma) mit Hilfe einer elektrischen Ladung, um Antrieb zu erzeugen. Sie funktionieren nicht, wenn sich bereits Ionen in der Umgebung des Raumfahrzeugs befinden, so dass sie außerhalb des Weltraumvakuums nutzlos sind.

Sie haben auch eine sehr begrenzte Leistungsabgabe. Da sie jedoch nur Elektrizität und einzelne Gaspartikel als Brennstoff verwenden, wurden sie ausgiebig für den Einsatz in Raumschiffen untersucht. Deep Space 1 und Dawn haben Ionenantriebe erfolgreich eingesetzt. Dennoch scheint diese Technologie am besten für kleine Raumfahrzeuge und Satelliten geeignet zu sein, da der Elektronenschweif, den diese Antriebe hinterlassen, ihre Gesamtleistung beeinträchtigt.

EM/Cannae-Antriebe

EM/Cannae-Antriebe verwenden elektromagnetische Strahlung in einem Mikrowellenhohlraum, um Vertrauen zu erzeugen. Es ist wahrscheinlich die eigentümlichste aller Arten von Antrieben. Man hat ihn sogar als den „unmöglichen“ Antrieb bezeichnet, da er ein nicht-reaktionärer Antrieb ist – das heißt, er erzeugt keine Entladung zur Schuberzeugung und umgeht damit scheinbar das Dritte Gesetz.

„Anstelle von Treibstoff werden Mikrowellen verwendet, die von einer sorgfältig abgestimmten Reihe von Reflektoren abprallen, um kleine Kraftmengen und damit treibstofffreien Schub zu erzeugen“, berichtete Andrei über den Antrieb.

Es gab eine Menge Diskussionen darüber, ob diese Art von Antrieb tatsächlich funktioniert oder nicht, aber NASA-Tests haben bestätigt, dass er funktionstüchtig ist. In Zukunft wird es sogar ein Upgrade geben. Da es nur elektrische Energie zur Schuberzeugung verwendet, wenn auch in winzigen Mengen, scheint es der am besten geeignete Antrieb für die Erforschung des Weltraums zu sein.

Aber das ist noch Zukunftsmusik. Werfen wir einen Blick darauf, wie alles begann. Schauen wir uns an:

Physikalische Motoren

Diese Motoren basieren auf gespeicherter mechanischer Energie, um zu funktionieren. Uhrwerksmotoren, pneumatische und hydraulische Motoren sind allesamt physikalische Antriebe.

Sie sind nicht besonders effizient. Sie können in der Regel auch nicht auf große Energiereserven zurückgreifen. Uhrwerkmotoren zum Beispiel speichern elastische Energie in Federn und müssen jeden Tag aufgezogen werden. Pneumatische und hydraulische Motoren müssen schwere Schläuche mit komprimierten Flüssigkeiten mit sich herumtragen, die im Allgemeinen nicht sehr lange halten. Die Plongeur zum Beispiel, das erste mechanisch angetriebene U-Boot der Welt, das zwischen 1860 und 1863 in Frankreich gebaut wurde, hatte einen Druckluftmotor, der von 23 Tanks mit 12,5 bar versorgt wurde. Die Tanks nahmen einen riesigen Raum ein (153 Kubikmeter) und reichten nur für eine Fahrt von 5 Seemeilen (9 km) bei 4 Knoten.

Dennoch waren die physikalischen Antriebe wahrscheinlich die ersten, die jemals verwendet wurden. Katapulte, Trebuchets oder Rammböcke beruhen alle auf dieser Art von Motoren. Das Gleiche gilt für Kräne, die von Menschen oder Tieren angetrieben werden – sie alle waren lange vor allen anderen Arten von Motoren im Einsatz.

Dies ist keineswegs eine vollständige Liste aller Motoren, die der Mensch entwickelt hat. Ganz zu schweigen davon, dass die Biologie auch Antriebe hervorgebracht hat – und die gehören zu den effizientesten, die wir je gesehen haben. Aber wenn Sie das alles gelesen haben, bin ich mir ziemlich sicher, dass Ihrem Antrieb jetzt der Sprit ausgeht. Also ruhen Sie sich aus, entspannen Sie sich, und wenn Sie das nächste Mal auf einen Motor stoßen, lassen Sie sich die Hände und die Nase einfetten, um ihn zu erforschen – wir haben Ihnen die Grundlagen erklärt.