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29.09.2014 | Maschinen | Im Fokus | Onlineartikel

Kolbenmaschinen haben Zukunft

Kolbenmaschinen sind nach wie vor zentraler Bestandteil des Gesamtsystems der Energiewandlung, um von einer verfügbaren Energie zur nutzbaren Energie zu kommen. DUBBEL-Autor Helmut Tschöke ist davon überzeugt, dass dieser Maschinentyp unter den Prämissen Effizienz, Ressourcenschonung, Umweltverträglichkeit und Kosten großes Potenzial auch für die Zukunft aufweist.

Auch wenn der Begriff Kolbenmaschinen für den einen oder anderen etwas angestaubt klingen mag, ist diese Technik auch in der Zukunft nicht ersetzbar. Überall dort, wo höchste Drücke bis zu mehreren Tausend bar gefordert werden, sind Kolbenpumpen und -verdichter erste Wahl. Wenn außerdem noch genaue Mengen dosiert werden müssen, sind präzise und reproduzierbar arbeitende Hubkolbenpumpen notwendig. Die Robustheit der Verdrängerpumpen und -verdichter machen sie geeignet für die Förderung aggressiver Medien. Praktisch gibt es keinen Anwendungsbereich und keine Flüssigkeiten oder Gase, die nicht durch Kolbenmaschinen verdichtet und gefördert werden können.

Die Technik der Kolbenmaschine nutzt modernste Entwicklungen aus nahezu allen Bereichen des Maschinenbaus: Hochfeste Werkstoffe mit verschleißhemmenden Beschichtungen finden ebenso Verwendung wie den Wirkungsgrad steigernde Schmierungen und Lagerungen. Neben der häufig eingesetzten Drehzahlregelung kontrollieren bei Bedarf elektronisch gesteuerte Ventile Druck und Menge schnell und genau.

Verbrennungsmotor nicht ersetzbar

Die uns täglich begegnende und damit wichtigste Kolbenmaschine ist der Verbrennungsmotor. Keine Antriebsmaschine hat einen solch breiten Anwendungsbereich wie der Otto- oder Dieselmotor. Das überwiegende Marktsegment für den Benzinmotor ist der Pkw, für den Dieselmotor reicht das Spektrum vom kleinen Stationärmotor bis zum 14 Meter hohen Schiffsdiesel.

Auch wenn heute häufig und medienwirksam das Ende des Verbrennungsmotors proklamiert wird: Wir dürfen davon ausgehen, dass in den nächsten zehn bis 15 Jahren weltweit mehr Verbrennungsmotoren auf den Markt kommen werden als jemals zuvor. Noch in diesem Jahrzehnt wird die 100-Millionen-Grenze produzierter Fahrzeuge pro Jahr erreicht – wobei der Anteil reiner Elektrofahrzeuge voraussichtlich bei etwa einem Prozent liegen dürfte.

Elektroantrieb bleibt zunächst Nischentechnologie

100 Jahre Dubbel
Das erstmals 1914 von Heinrich Dubbel bei Springer
herausgegebene Taschenbuch für den Maschinenbau
hat sich im Laufe der Jahrzehnte als Standardwerk
der Ingenieure mit den Schwerpunkten Allgemeiner
Maschinenbau und Verfahrens- und Systemtechnik
etabliert. Rund 100 Autoren präsentieren im „Dubbel“
verlässliches Wissen zum Stand der Technik. In loser
Folge diskutieren einige Autoren an dieser Stelle
Perspektiven in ihrem jeweiligen Fachgebiet.

Der reine batteriebasierte Elektroantrieb wird meines Erachtens noch auf lange Sicht Nischenanwendungen vorbehalten bleiben; erst mit der Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie entstehen Chancen für eine spürbare Substitution von Verbrennungsmotoren. Kosten, Infrastruktur, Wasserstoff-Speicherung und Langzeitverhalten sind hierbei allerdings immer noch ungeklärte Größen. Die Elektrifizierung des Antriebstranges wird jedoch voranschreiten, und das ist auch gut so. Zunächst werden allerdings Hybridantriebe verstärkt zum Einsatz kommen

Alternative Kraftstoffe gewinnen an Attraktivität

Gleichzeitig wird die Energiebasis für den Verbrennungsmotor größer: Einerseits werden alternative Kraftstoffe wie Erdgas und Biogas für alle Motorgrößen attraktiv, und andererseits werden flüssige biogene Kraftstoffe, wie Bioethanol, Butan oder Biodiesel weltweit intensiv weiterentwickelt.

Auch wenn der Verbrennungsmotor schon weit über 100 Jahre intensiv von Tausenden von Ingenieuren verbessert und weiterentwickelt wurde, ist kein Ende der Erfolgsstory in Sicht. Dabei sind viele der erst heute und in den nächsten Jahren greifenden Entwicklungen seit Jahrzehnten bekannt. Beispiele sind die Abgasturboaufladung und die Direkteinspritzung bei Ottomotoren. Die kontinuierliche Erhöhung der Einspritzdrücke bis zukünftig 3000 bar bei Dieselmotoren und 300 bis 500 bar bei Ottomotoren erfordern besondere tribologische Maßnahmen in den Pumpen und höhere Bauteilfestigkeiten.

Verblüffende Effizienzsteigerungen werden möglich

Treiber der Weiterentwicklungen sind natürlich die Emissionsgesetzgebung und das Käuferverhalten. Die Werkstoffentwicklung, die Elektronik und die modernen simulationsgestützten Methoden sind hierfür die technischen Voraussetzungen [1,2]. Betrachtet man das Gesamtsystem, sind Steigerungen der Hubraumleistung über Downsizing aber auch Zylinderabschaltung geeignete Mittel, Effizienz, Leistung und Bauraum/Gewicht zu optimieren. Die Hybridisierung bietet interessante Möglichkeiten, die spezifischen Vorteile der elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebe zu kombinieren, um beispielsweise die Kohlendioxid-Emission deutlich unter 100 g CO2/km zu drücken [3].

Sinkender Verbrauch erdölbasierter Kraftstoffe

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Es ist weniger die Sorge um die Verfügbarkeit von Erdöl auf lange Sicht, sondern das veränderte Bewusstsein, nachhaltiger und effizienter mit der Energie umgehen zu wollen, das uns in Forschung und Entwicklung antreibt. So ist absehbar, dass der sinkende Bedarf an erdölbasierten Kraftstoffen in den Industrieländern zum Teil den zu erwartenden Verbrauchszuwachs in den Entwicklungsländern wird kompensieren können: In Deutschland wird der jährliche Benzinverbrauch bis 2025 um mehr als 40 Prozentgegenüber dem Vergleichsjahr 2005 sinken – bei etwa konstantem Dieselverbrauch.

Effiziente Verbrennungsmotoren tragen somit zur Ressourcensicherheit bei; langfristig könnte die skizzierte Entwicklung zu einer Entspannung auf den Ölmärkten führen. Kurzum: Das breit aufgespannte Arbeitsgebiet der Weiterentwicklung der Verbrennungsmotoren eröffnet jungen Menschen, die den Beruf des Ingenieurs wählen, eine sichere berufliche Zukunft.

Literatur

[1] van Basshuysen, R.; Schäfer, F. (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor, 7. Auflage, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2014
[2] Merker, G.; Teichmann, R. (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren, 7. Auflage, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2014
[3] Tschöke, H. (Hrsg.): Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden, erscheint im Herbst 2014

Zum Autor
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke studierte an der Universität Stuttgart Maschinenbau. 1981 trat er in die Robert Bosch GmbH ein und war unter anderem für Entwicklung und Fertigung von Dieseleinspritzpumpen verantwortlich. 1995 übernahm er die Professur für Kolbenmaschinen an der Universität Magdeburg. Er war Institutsleiter, Dekan sowie Vorsitzender der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Kraftfahrzeug- und Motorentechnik e. V. (WKM). Von Beginn an leitete er als Sprecher den Forschungsschwerpunkt Automotive und den Aufbau des Institutes für Kompetenz in AutoMobilität (IKAM). Seit seiner Pensionierung 2011 unterstützt er die Universität Magdeburg beratend und ist in verschiedenen Beiräten und in der Weiterbildung aktiv. Der WTZ Roßlau gGmbH ist er als Vorsitzender des Gesellschaftervereins eng verbunden.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2011 | OriginalPaper | Buchkapitel

Verdrängerpumpen Verdrängerpumpe

Quelle:
Dubbel

2011 | OriginalPaper | Buchkapitel

Kompressoren Kompressoren

Quelle:
Dubbel

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