Die Geschichte des Motors

Die Frühgeschichte und ihre Auswirkungen auf die Neuzeit

Vereinfacht ausgedrückt ist ein Motor eine Möglichkeit, verschiedene Energien in die Bewegungsenergie umzuwandeln und als Antrieb zu verwenden. Dabei kann es sich um thermische Energien, chemische oder elektrische Energien handeln. Mit Ausnahme von Raketen und Linearmotoren sind alle Motorentypen mit einer rotierenden Welle (Kurbelwelle) ausgestattet, die dann auf mechanischem Weg ein Getriebe in Gang setzt.

Alte Überlieferungen berichten davon, dass es bereits im alten Ägypten Vorrichtungen gab, die an Dampfturbinen erinnern und thermische Energie zum Öffnen großer Tore verwendeten. Als ersten Antriebsmotor zur Fortbewegung mit einem Automobil wird der Dampfmotor genannt. Bereits im 17. Jahrhundert soll der Kaiser von China über ein solches dampfbetriebenes Auto verfügt haben. Offiziell gilt aber der Franzose Nicholas Cugnot als der erste Erbauer eines Fahrzeuges, das sich selbstständig mit einem eigenen Antrieb fortbewegen konnte. Bis dahin waren Menschen oder Tiere dazu notwendig. Cugnot stellte 1769 in Paris öffentlich das erste mit Dampf betriebene Fahrzeug der Welt vor.

Die englischen Brüder Edgar und Freelan O. Stanley bauten Anfang des 20. Jahrhunderts ein Dampfauto, das eine Fahrgeschwindigkeit von mehr als 200 Stundenkilometern erzielte. Dieser Geschwindigkeitsrekord für ein Dampfauto hatte bis zum Jahr 2009 Bestand.

 

Der dampfbetriebene Motor

Wenngleich die Dampfmaschine bereits früher erfunden wurde, gelangte sie erst durch die Weiterentwicklungen von James Watts im Jahr 1878 wirklich zu Ruhm und Ehre. Ihm gelang es erstmals, eine Maschine dazu zu bringen, ein Schwungrad zu drehen und damit eine gerade Bewegung in eine kreisförmige Bewegung umzuwandeln. Diese als Wattsches Parallelogramm bezeichnete Möglichkeit betrachtete James Watts selbst als die bedeutsamste Erfindung seines ganzen Lebens.

Dampfwagen von "Fardier von Nicholas Cugnot" (1769)

Diese neuartige Erfindung führte zur industriellen Revolution in Europa. Dampfmaschinen dienten als sogenannte Lokomobile zum Antrieb von Dreschmaschinen, Traktoren, Straßenwalzen und Dampflokomotiven. Auch die ersten bekannten Schiffsantriebe funktionierten mithilfe von Dampfmaschinen.

 

Die Entstehung der Verbrennungsmotoren

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begann dann die vielseitige Geschichte der Verbrennungsmotoren. Es war der Deutsche Nikolaus August Otto, der im Jahr 1862 den ersten Verbrennungsmotor baute. Die auch als Ottomotor bekannte Maschine war jedoch zunächst viel zu groß, um als Antrieb für ein Fahrzeug dienen zu können. Es ist dem Erfindungsreichtum der Autokonstrukteure Gottlieb Daimler und Carl Friedrich Benz zu verdanken, dass das Größenproblem des Ottomotors gelöst werden konnte.

Der Ottomotor

Aufgebaut hatte Nikolaus August Otto seine Erfindung auf dem 2-Takt-Gasmotor von Lenoir. Das Prinzip dieses Verbrennungsmotors bestand darin, dass Kraftstoff gemeinsam mit Luft angesaugt wird und im Zylinder ein zündfähiges Gemisch erzeugt. Eine aktive Zündvorrichtung setzt dann über den Zündfunken der Zündkerze den Motor in Gang. Bezeichnend für den Ottomotor, den es in einer 2-Takt und einer 4-Takt-Version gibt, ist eben diese Fremdzündung, die im Brennraum vor dem Zylinder erfolgt. Mithilfe von Drosselklappen kann die Motorenleistung geregelt werden. Größenmäßig klassifiziert wird der Ottomotor durch den Hubraum aller Zylinder. Unter Hubraum versteht man die Volumenverdrängung der einzelnen Kolben. Im Jahr 1864 war Otto der Mitbegründer des Automobilwerkes N.A. Otto % Cie. in Köln. Als Mitarbeiter wurden damals Gottfried Daimler und Wilhelm Maybach eingestellt. Sie waren hauptsächlich für die Motorenkonstruktion zuständig.

Der Vierzylinder-Motor von Wilhelm Maybach mit gesteuerten Ein- und Auslassventilen (1900) Foto: (c) Mercedes-Benz

Es dauerte zwölf Jahre, bis der erste verwendungsfähige Vier-Takt-Ottomotor produziert werden konnte. Er brachte eine Leistung von 3 PS bei 180 Umdrehungen und wurde mit Leuchtgas betrieben. Das im Jahr 1877 beantragte Patent auf den Vier-Takt-Ottomotor verlor Nikolaus August Otto aber wenige Jahre später wieder und so konnten auch andere Automobilhersteller diesen Vier-Takt-Verbrennungsmotor bauen und verkaufen. Gottlieb Daimler, der inzwischen gemeinsam mit Carl Friedrich Benz ein eigenes Unternehmen gegründet hatte, zog aus dieser Tatsache ebenfalls seinen Vorteil.

 

Der Wankelmotor

Eine besondere Form des Verbrennungsmotors im Automobilbau ist der Wankelmotor. Nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt, handelt es sich hier um einen Motor, der auf die Hubkolbenwirkung verzichtet. Während der Zeit des Dritten Reiches wurden die Forschungsarbeiten von Felix Wankel unterstützt und es gelang ihm, die Drehschiebersteuerungen für Flugzeugmotoren der Marken Junkers, BMW, Siemens und Daimler zu bauen. Anfang der 50er Jahre des letzten Jahrhunderts schloss Wankel einen Vertrag mit dem Autohersteller NSU, um einen Wankelmotor für den Automobilbau zu konstruieren. Der NSU-Ingenieur Hans Dieter Paschke war maßgeblich an diesen Entwicklungsarbeiten beteiligt.

NSU Ro 80 mit Wankelmotor (1967)

Im Jahr 1957 wurde erstmals zu Testzwecken ein Wankelmotor in den NSU Prinz eingebaut.

Die Kraftstoffversorgung wurde noch im gleichen Jahr von Alkohol auf Benzin umgestellt. Das erhöhte die ruhige Laufleistung des Wankelmotors, eines seiner Markenzeichen. Serienmäßig wurde der Wankelmotor aber erst im Jahr 1962 in den NSU Prinz eingebaut, nachdem etliche Probleme bei der Materialauswahl für die Motoreneinzelteile beseitigt worden waren.

Auf der internationalen Automobilausstellung in Frankfurt 1963 wurde der NSU Wankel Spider der Öffentlichkeit präsentiert, der 1964 dann in die Serienproduktion ging. Außerdem entwickelte NSU einen leistungsstarken Wankelmotor für Schneemobile, der ab 1967 von Fichtel und Sachs verwendet wurde. Auch der japanische Automobilkonzern Mazda beschäftige sich in den nächsten Jahren mit dem Wankelmotor und bereits in den 70er Jahren wurden Wankelmotoren auch in Rennbooten eingebaut. Im Jahr 1976 baute der niederländische Motorradhersteller Van Veen ein Zweirad mit Wankelmotor, das sich auf dem Markt aber nicht durchsetzen konnte. Während sich die europäischen Automobilkonzerne mehr auf Otto- und Dieselmotoren stützten, ist Mazda nach wie vor bei einigen Modellen zum Einbau von Wankelmotoren bereit. Mit der neuen Generation von Hybrid-Fahrzeugen gewinnt der Wankelmotor aber auch bei den deutschen Herstellern in einer sogenannten Einkammer-Version wieder neue Bedeutung. Er dient als Range Extender, also zur Verlängerung der Reichweite. Audi baut den Einkammer-Wankel beim A1-Hybrid unter den Fahrzeugboden.

Die Entstehung des Dieselmotors
Im Jahr 1892 gelang dem Deutschen Rudolf Diesel eine revolutionäre Erfindung. Die Geburtsstunde des Diesel-Motors sollte die Antriebstechnik in der ganzen Welt entscheidend verändern. Das Prinzip der Diesel-Technologie beruhte darauf, dass das Gemisch aus Kraftstoff und heißer Verbrennungsluft sich im Brennraum selbst entzündet und keine zusätzliche Zündvorrichtung benötigt. Um die richtige Temperatur der Verbrennungsluft zu erreichen, musste der Motor vorgeglüht, also aufgeheizt werden. Der Kraftstoff, der aus Erdöl gewonnen wird, wurde nach Rudolf Diesel benannt. Dieselmotoren der neuen Generation können auch mit anderen öligen Kraftstoffen betrieben werden.

Der Dieselmotor und seine Entwicklung

Die Entwicklungsarbeiten an den Diesel-Motoren fanden in der Diesel Maschinenfabrik Augsburg (MAN) statt. Bis zum Jahr 1910 wurden hier überwiegend stationäre Dieselmotoren hergestellt. 1903 jedoch wurde erstmals ein MAN-Dieselmotor in einem Binnenschiff als Antrieb eingebaut. In den Folgejahren wurde mit Hochdruck an der Weiterentwicklung der Dieselmotoren gearbeitet. Luftkühlungs-Systeme und eine neue Einspritzdüse entstanden. Es dauerte aber noch bis 1921, bis die erste regelbare Einspritzpumpe in einem Dieselmotor verwendet werden konnte. Als erstes Serienfahrzeug mit einem Dieselmotor wurde im Jahr 1922 ein Ackerschlepper gebaut. 1923 folgte dann der erste mit einem Dieselmotor betriebene Lastkraftwagen. MAN, Benz und Daimler stellten auf der IAA 1923 serienmäßig angebotene Lastkraftwagen mit Dieselmotoren vor. Einen ersten Pkw-Prototyp mit einem Dieselmotor baute man bereits 1927.

Rudolf Diesel der Erfinder des nach ihn benannten Dieselmotors (1892)

Aufgrund gesetzlicher Regularien wurde aber erst im Jahr 1936 der Mercedes Benz 260 D als erstes Auto mit Dieselmotorenantrieb in Betrieb genommen. Daimler-Benz baute auch den Dieselmotor für das deutsche Luftschiff Hindenburg. Während dieser Zeit hat Maybach den ersten Turbo-Dieselmotor entwickelt, der in einem Eisenbahnzug zum Einsatz gelangte. Es dauerte aber noch bis zum Jahr 1960, bis die Dieselmotoren im Eisenbahnverkehr Dampf und Kohle verdrängten.

In den 50er und 60er Jahren des letzten Jahrhunderts gingen immer mehr Automobilhersteller dazu über, Pkw mit Dieselmotoren zu bauen. Peugeot bot als erster Hersteller 1968 einen Kleinwagen mit Dieselmotor an, während der deutsche Hersteller VW seinen ersten Golf Diesel erst im Jahr 1976 der Öffentlichkeit präsentierte. Vorreiter der Dieselmotoren bei Automobilen in Deutschland blieb aber lange Zeit Mercedes-Benz.

Da der Umweltschutz immer größere Bedeutung erlangte, musste am Schadstoffausstoß der Dieselmotoren gearbeitet werden. Der erste Partikelfilter entstand im Jahr 2000. Im Jahr 2004 waren bereits mehr als die Hälfte aller in Europa zugelassenen Kraftfahrzeuge mit einem Dieselmotor ausgestattet. Da besonders im industriellen Bereich die Anforderungen an die Motorleistung immer höher wurden, haben sich einige Hersteller auf Hochleistungsdieselmotoren spezialisiert. MAN baute 2008 sowohl den stärksten Lkw-Dieselmotor mit 680 PS als auch den stärksten Schiffsdieselmotor mit einer Leistung von 87.220 kW. Als Hersteller des stärksten Dieselmotors im Automobilbau gilt Audi mit dem serienmäßigen 500 PS Dieselmotor, ebenfalls aus dem Jahr 2008.

In der Schifffahrt sind Dieselmotoren seit langer Zeit die gängigste Antriebsart. Der Kraftstoff ist preiswerter, die Explosionsgefahr deutlich geringer und die Leistungen der Schiffsdiesel sind ausgesprochen gut. Während sich Dieselmotoren im Flugverkehr nicht durchsetzen konnten, gelten sie auf der Schiene neben dem Elektroantrieb ebenfalls als die am weitesten verbreitete Antriebstechnik schlechthin.

Der Boxermotor

Eine weitere Variante der Verbrennungsmotoren wurde bereits im Jahr 1896 von Carl Benz erfunden: der Boxermotor. Bei einem Boxermotor liegen sich die Zylinder gegenüber. So werden Schwingungen und die mechanische Beanspruchung der Motorteile wesentlich reduziert. Für den Fahrzeugbau bewährten sich vor allen Dingen luftgekühlte Boxermotoren, wie sie im VW-Käfer oder im Citroën 2CV eingesetzt wurden. Für den VW Käfer wurde dieser Motor bereits in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts serienmäßig hergestellt und hat sich bis in die 70er Jahre gehalten. 2003 endete dann aber die Ära der luftgekühlten Boxermotoren im Fahrzeugbau endgültig. Die Hersteller haben sich

VW-Prototyp W30: Der Wagen hatte schon den bekannten 4-Zylinder-Viertakt Boxermotor! Foto: (c) Porsche.de

inzwischen alle auf die wassergekühlten Antriebssysteme umgestellt.

 

Die Entstehung des Elektromotors

Der Elektromotor ist im Grunde eine Maschine, die elektrische Energie in eine manuelle Bewegung umwandelt. Während nach Überlieferungen bereits am Kaiserhof in China im 16. Jahrhundert ein Fahrzeug mit Elektromotor angetrieben wurde, begann die Geschichte der Elektromotoren als Antrieb für verschiedene Maschinen in der westlichen Welt erst im 19. Jahrhundert. Die Erkenntnis der elektromagnetischen Abläufe und des Rotationsprinzips waren die Vorreiter zur Nutzung der elektrischen Energie in einem Motor als Antrieb für Maschinen und Fortbewegungsmittel. Die erste praktische Anwendung eines Elektromotors für die Fortbewegung fand 1838 in St. Petersburg statt. Hier wurde ein Boot zur Personenbeförderung mit einem Elektromotor ausgestattet, der eine Leistung von 220 Watt erbrachte. Der Deutsche Werner von Siemens war es, der der Nutzung von Elektromotoren zum Durchbruch verhalt, als er im Jahr 1866 seine Dynamomaschine patentieren ließ.

Der Elektromotor
Ursprünglich wurde der Elektromotor zunächst verwendet, um in Fabriken die alten Dampfmaschinen abzulösen. Im späten 19. Jahrhundert wurden bereits bis dahin mechanische Webstühle über Riemen mit Elektromotoren angetrieben.

Im Bereich der Mobilität waren es zunächst die Eisenbahnen, die mithilfe von Elektromotoren angetrieben wurden. Hier wird die elektrische Energie dem Elektromotor über die Oberleitungen zugeführt. Später kamen Gabelstapler und elektrische Transportkarren im industriellen Bereich hinzu. Wenngleich es auch bereits im 19. Jahrhundert erste Elektroautos gab, dauerte es relativ lange, bis sich die Entwickler mit den ersten Elektroautos der Neuzeit beschäftigten. Das liegt unter anderem sicher in der begrenzten Reichweite begründet, die die Mobilität mit einem Elektroauto erheblich einschränkt.

Smart Electric Drive

Betrachtet man jedoch die Sparsamkeit und auch die Umweltfreundlichkeit von Elektroautos, gibt es zumindest im Stadtverkehr kaum eine Alternative dazu. Die zunehmende Anzahl von Ladestationen für Elektroautos zumindest im Stadtgebiet deutscher Großstädte weist hier auch deutlich auf eine Trendwende hin.

Im Bereich der Mobilität waren es zunächst die Eisenbahnen, die mithilfe von Elektromotoren angetrieben wurden. Hier wird die elektrische Energie dem Elektromotor über die Oberleitungen zugeführt. Später kamen Gabelstapler und elektrische Transportkarren im industriellen Bereich hinzu. Wenngleich es auch bereits im 19. Jahrhundert erste Elektroautos gab, dauerte es relativ lange, bis sich die Entwickler mit den ersten Elektroautos der Neuzeit beschäftigten. Das liegt unter anderem sicher in der begrenzten Reichweite begründet, die die Mobilität mit einem Elektroauto erheblich einschränkt. Betrachtet man jedoch die Sparsamkeit und auch die Umweltfreundlichkeit von Elektroautos, gibt es zumindest im Stadtverkehr kaum eine Alternative dazu. Die zunehmende Anzahl von Ladestationen für Elektroautos zumindest im Stadtgebiet deutscher Großstädte weist hier auch deutlich auf eine Trendwende hin.

Elektromotoren sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Über 50 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland werden durch Geräte mit Elektromotoren verursacht. Angefangen vom Rasenmäher über elektrische Motoren für Fahrräder und Rollstühle bis hin zur Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräten oder Spielwaren, Elektromotoren in unterschiedlichen Größen werden nahezu überall benötigt.

Selbst Modellflugzeuge, kleinere Schiffe, U-Boote und Torpedos verfügen über einen Elektromotor als Antrieb. Da es sich hierbei meist um Elektromotoren mit wieder aufladbaren Akkus handelt, die ein ziemlich großes Volumen besitzen, eignen sie sich für den Fahrzeugbau weniger.
Inzwischen wurden allerdings bereits Elektromotoren entwickelt, die auf großvolumige Akkus verzichten können. Die Energie, die zum Beispiel beim Bremsen freigesetzt wird, kann gespeichert und als Antrieb wiederverwendet werden. Dieses Prinzip machen sich auch die sogenannten Hybrid-Motoren zunutze.

 

Der Hybridmotor

Da sich die Automobilhersteller der Problematik der geringen Reichweite bei Elektroautos durchaus bewusst sind, wurde an sogenannten Reichweitenerweiterungen gearbeitet. Kombinationen von elektrischen Antriebsmotoren in Verbindung mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren, also sogenannte Hybrid-Motoren, wurden in die weitere Entwicklung der Elektroautos mit einbezogen. Hybrid bedeutet wörtlich übersetzt „von zweierlei Wirkung“. Mithilfe des Hybridmotors können also die Vorteile eines Elektromotors kombiniert werden mit der Leistungsfähigkeit und Reichweite eines Verbrennungsmotors.

Der Toyota Prius mit Benzin/Elektro-Hybridantrieb gilt als Vorreiter in diesem Segment!

Das bedeutet also, dass ein Auto mit Hybrid-Motor sowohl über einen Elektro- als auch über einen Verbrennungsmotor verfügt. Dazu sind eine bestimmte Steuerungstechnik und ein Generator notwendig, um die Wirkungsweise des Hybrid-Motors ausnutzen zu können. Das elektronische Steuersystem regelt selbstständig, wann der Elektromotor zum Einsatz kommt und wann auf den Verbrennungsmotor umgeschaltet wird. Beim Anfahren und im unteren Drehzahlbereich reicht der Elektromotor in der Regel aus. Energie, die beim Bremsen erzeugt wird, wird zusätzlich gespeichert und wieder verwendet. Dasselbe gilt auch für Fahrten auf Gefällestrecken, wo das Auto keinen Antrieb benötigt und selbstständig Energie erzeugt. Während diese Energie beim herkömmlichen Verbrennungsmotor ungenutzt verpufft, wird sie beim Elektroauto gespeichert und damit können die Batterien aufgeladen und somit die Reichweite vergrößert werden.

 

Die Tatsache, dass Autos, die mit einem Hybrid-Motor ausgestattet sind, einen um die Hälfte reduzierten Kraftstoffverbrauch und damit auch 50 Prozent weniger Emissionsausstoß haben, wird in den nächsten Jahren sicher zu vielen Weiterentwicklungen im Bereich der Elektroautos mit Reichweitenerweiterung führen.

Fazit:
Die Nutzung diverser Elemente als Antrieb für mechanische Vorrichtungen ist in ihren Ursprüngen bis ins alte Ägypten hinein zurückverfolgbar. Die Kraft von Rauch und Dampf war im Grunde neben der Windkraft das erste Element, das der Mensch sich zunutze machen konnte. Der Erfindungsgeist, der die Menschen immer wieder dazu antrieb, weitere Entwicklungsschritte voranzutreiben, führte dazu, dass Motoren gebaut werden konnten, die der gesamten Bevölkerung viele Erleichterungen brachte. Schwere Arbeiten, die zuvor nur mit Körperkraft und mit der Unterstützung von Tieren verrichtet werden konnten, übernahmen irgendwann Maschinen, die durch einen Motor angetrieben wurden. Auch die Mobilität der Menschen nahm deutlich zu. Während früher Reisen mit der Pferdekutsche Tage und Wochen dauerten und man bei Seereisen auf günstigen Wind für die Segelschiffe angewiesen war, brachten Dampfmaschinen und später die Dieselmotoren Eisenbahnen und Schiffe zu einer deutlich höheren Reisegeschwindigkeit und auch zu stark vergrößerten Reichweiten. Generell kann man die Erfindung der Verbrennungsmotoren als einen Meilenstein in der gesamten Motorengeschichte betrachten. Verbrennungsmotoren führten dazu, dass Autos serienmäßig für große Bevölkerungsschichten gebaut werden konnten. Im Zuge der Industrialisierung des 18. und 19. Jahrhunderts hatte die Motorenkraft ohnehin eine sehr positive Auswirkung.

Während man in den vergangenen Jahrhunderten mehr oder weniger unbedacht mit natürlichen Ressourcen und der Umwelt umging, hat sich gegen Ende des 20. Jahrhunderts ein sehr ausgeprägtes Umweltbewusstsein entwickelt. Die erlaubten Schadstoffausstöße der Fahrzeuge wurden reglementiert. Ältere Fahrzeuge, die nicht der Norm entsprachen, wurden höher besteuert. Rußpartikelfilter für Dieselmotoren wurden zur Pflicht. Die Regierung hat Umweltzonen eingerichtet, in denen Fahrzeuge, die nicht der passenden Norm entsprechen, nicht mehr fahren dürfen. Dies und nicht zuletzt die großen Ölkrisen und die stark überhöhten Kraftstoffpreise haben auch bei den Automobilherstellern inzwischen einen neuen Denkprozess in Gang gesetzt. Immer sparsamere Motoren werden hergestellt, Elektromotoren und das Zusammenspiel von Elektrokraft und Verbrennungsmotor in sogenannten Hybrid-Fahrzeugen, all dies wird ständig vorangetrieben.

Es bleibt abzuwarten, ob diese positiven Auswirkungen auf die Umwelt irgendwann messbar sein werden. Tatsache ist jedoch, dass ohne die großen Erfinder der Vergangenheit, die sich um Schadstoffe und Ähnliches noch gar keine Gedanken machen mussten, die heutige Entwicklung des Motors bei Weitem nicht so weit fortgeschritten wäre. Auch die Tatsache, dass heute Raketen in den Weltraum fliegen und Menschen im All über einen längeren Zeitraum leben und arbeiten können, wäre ohne die Geschichte des Motors und seine wechselvolle Entwicklung nicht denkbar.

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