Verbrennungsmotoren und Gasturbinen

Sowohl bei herkömmlichen als auch bei modernen Dampfturbinen wird außerhalb der Maschine Brennstoff verbrannt, um Wasser zu erhitzen und Heißdampf als Antriebsmittel zu erzeugen. Aber es ist günstiger, den Brennstoff direkt innerhalb der Maschine zu verbrennen und die sich ausdehnenden Verbrennungsgase einen Kolben oder ein Turbinenrad antreiben zu lassen. Die erste derartige Maschine mit innerer Verbrennung lief mit Gas und wurde von dem deutschen Ingenieur Nikolaus August Otto (1832-91) gebaut. Seine Maschine wurde erstmals 1867 in Paris vorgeführt und war sehr groß, äußerst laut und nicht sehr leistungsfähig. Dennoch war sie der Vorläufer von 99 Prozent aller heutigen Verbrennungsmotoren. Der Viertakt
Neun Jahre später baute Otto seinen zweiten Motor mit Viertaktprinzip. Das Hauptmerkmal dieser Maschine war die Kompression des Verbrennungsgas-Luft-Gemisches vor seiner Zündung. Dadurch ergab sich ein wesentlich höherer Wirkungsgrad, also ein geringerer Brennstoffverbrauch bei gleicher Leistung. Bei einem Viertaktmotor kommt auf vier Kolbenbewegungen (Takt) im Zylinder (aufwärts oder abwärts) eine Bewegung mit Arbeitsleistung. Die meisten Verbrennungsmotoren arbeiten heute nach diesem Prinzip. Die vier Takte sind: 1. der Ansaugtakt, bei dem die Abwärtsbewegung des Kolbens über das Einlassventil ein Brennstoff-Luft-Gemisch ansaugt, 2. der Kompressionstakt, bei dem die Aufwärtsbewegung des Kolbens das Gemisch komprimiert, 3. der Arbeitstakt nach der Zündung, in dessen Verlauf durch die Verbrennung des Gemischs und die dabei entstehenden Verbrennungsgase der Kolben wieder nach unten gedrückt wird, 4. der Auspufftakt, bei dem der Kolben sich wieder nach oben bewegt und die Verbrennungsgase durch das Auslassventil aus dem Zylinder drückt. Viele Motorräder und einige Kleinwagen besitzen Motoren nach dem Zweitaktprinzip, das 1880 von Sir Dugald Clerk (1854-1932) entwickelt wurde. Bei dieser Konstruktion werden durch die Kolbenbewegung selbst das Brennstoff-Luft-Gemisch eingelassen und die Verbrennungsgase wieder ausgestoßen, weil zyklisch vom Kolben Löcher bzw. Auspuffschlitze in der Zylinderwand geöffnet und wieder verdeckt werden. Der Zündzeitpunkt beim Verbrennungsmotor muss exakt stimmen. Man erreicht das durch einen sogenannten Unterbrecher mit Verteiler, dessen Drehung, mechanisch von der Kurbelwelle gesteuert, dazu benutzt wird, elektrische Stromstöße in vorgegebener Reihenfolge zu den Kerzen der einzelnen Zylinder zu leiten. Die Stromimpulse bewirken starke Funken an den Elektroden der Zündkerzen und entzünden die komprimierten Verbrennungsgase. Der Ottomotor wurde anfangs mit Kohlenmonoxid betrieben – einem energetisch sehr günstigen, aber schwierig zu speichernden Brennstoff. Die Einsatzmöglichkeiten für Verbrennungsmotoren steigerten sich aber beträchtlich, als es möglich wurde, auch flüssige Brennstoffe wie Benzin einzusetzen. Um das Benzin zu verbrennen, wird vorher im Vergaser ein Gemisch aus Benzindampf und Luft hergestellt, das vom Zylinder angesaugt wird. Serienmäßige Automotoren erreichen ihre Höchstleistung bei Drehzahlen von 5000 bis 6000 Umdrehungen pro Minute. Höheren Drehzahlen sind durch den beträchtlich zunehmenden Verschleiß infolge der hohen Kolbengeschwindigkeiten und durch die Ventilsteuerung Grenzen gesetzt. Der wirtschaftliche Dieselmotor
Der von Rudolf Diesel (1858-1913) im Jahr 1896 entwickelte Dieselmotor besitzt keinen Vergaser und keine Zündkerzen. Er saugt nur reine Luft an und komprimiert diese auf ein Vierzehntel bis ein Zwanzigstel des Anfangsvolumens, also beträchtlich höher als im Benzinmotor. Dabei erhitzt sich die Luft sehr stark. Am Ende der Kompression wird in diese heiße Luft eine kleine Menge Dieselöl eingespritzt, das sich sofort von selbst entzündet. Gerade wegen dieser hohen Kompression hat der Dieselmotor einen höheren Wirkungsgrad als der Benzinmotor, nutzt also den Brennstoff besser aus. Er muss aber aus dem gleichen Grunde auch robuster und schwerer gebaut werden, was die Vorteile wieder etwas reduziert. Der Dieselmotor ist sehr wirtschaftlich hinsichtlich seines Brennstoffverbrauchs, bringt aber bei gleichem Gewicht geringere Leistung. Er ist empfindlich im Start-Stopp-Betrieb, hat aber eine lange Lebensdauer und ist besonders für Taxis, Omnibusse und Lastkraftwagen gut geeignet. Die Gasturbine
Die völlig anders arbeitende Gasturbine wurde Anfang der zwanziger Jahre entwickelt und nach 1930 vervollkommnet. Sie besitzt (meist) nur eine einzige drehende Welle, auf der eine Anzahl von Schaufelrädern sitzen, die teils als Verdichter, teils als Turbine wirken. Die Verdichterräder saugen mit ihren Schaufeln Luft an, komprimieren sie und treiben sie in die Brennkammer. Dort wird Brennstoff eingespritzt und verbrannt. Die unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Verbrennungsgase strömen nun durch die Schaufeln der Turbine und versetzen die Turbinenräder in Drehung – gleichzeitig aber auch die Verdichterräder. Dadurch wird zwar ein Teil der freigesetzten Leistung wieder verbraucht, dennoch steht ein hoher Leistungsanteil an der Welle zur Verfügung. Gasturbinen sind im Verhältnis zu ihrer Größe sehr kräftige Arbeitsmaschinen. Sie leisten rund dreimal mehr als ein Kolbenmotor desselben Gewichts und werden daher vor allem als Flugzeugantriebe verwendet.