Gasexpansionsmotor

Druckluft-Lokomotive am Portal des Bergbaumuseums in Bochum

Ein Gasexpansionsmotor, auch Pressluftmotor genannt, ist eine Antriebsmaschine, die mit komprimiertem (zusammengepresstem) Gas (auch Druckluft) betrieben wird.

Funktionsweise und Anwendungen

Der Arbeitsablauf eines Gasexpansionsmotors entspricht dem eines Dampfmotors, beide gehören zu den Kolbenmaschinen. Das Einlassventil öffnet sich und lässt das unter Hochdruck stehende Gas in den Expansionsraum (Zylinder). Nach Schließen des Einlassventils expandiert das Gas bis zum Expansionsendpunkt. Typisch kühlt sich Gas dabei ab, d. h. seine Temperatur sinkt von sich heraus. Die Umgebungstemperatur ist in der Regel dann höher als die des Gases, und das Gas kann über die Kolbenwand etwas Wärme, also Wärmeenergie aufnehmen, was die Ausbeute (= mechanische Energie pro Ausgangsdruck × Druckgasvolumen) etwas erhöht. Das Gas strömt durch das Auslassventil mit dem erforderlichen Restdruck aus. Der Motor kann als einfach- oder doppeltwirkende Kolbenmaschine ausgeführt werden. Im niedrigen Leistungsbereich kommen unter anderem auch Rotationskolben zur Ausführung.

Die vom Gasexpansionsmotor abgegebene mechanische Arbeit entstammt im adiabaten Entspannungsfall integral aus der im Gas gespeicherten Enthalpie. Bei isothermer Entspannung steigt die abgegebene mechanische Arbeit um die aufgenommene Exergie.

Eine weitere Möglichkeit, die im Druckgas enthaltene Enthalpie in Drehbewegung umzuformen, bietet der Lamellenmotor.

Ab dem Ende des 19. Jahrhunderts wurden Gasexpansionsmotoren gebaut, die mit Kohlendioxid aus Druckflaschen betrieben wurden. Mit diesen so genannten Kohlensäuremotoren wurden beispielsweise Drehleitern bewegt, und Otto Lilienthal experimentierte mit ihnen als Antrieb für seine Fluggeräte.

Gasexpansionsmotoren lassen sich als Druckregler einsetzen. Der Einsatzbereich für große Gasexpansionsmotoren (>5 kW) ist die Energierückgewinnung bei der Gasentnahme aus Gaspipelines.

Häufigster Einsatz ist der von kleinen Gasexpansionsmotoren, die mit Druckluft betrieben werden und handgeführte Werkzeuge antreiben. Auch relativ häufig ist der Einsatz von Freikolbenmaschinen, die als Pumpe arbeiten.

Im Prinzip lässt sich der Gasexpansionsmotor auch als Fahrzeugantriebsquelle nutzen, jedoch war in der Vergangenheit die in Druckbehältern mitzuführende Entropiemenge so klein und der Gesamtwirkungsgrad so gering, dass der Einsatz nicht wirtschaftlich war. Nur für Torpedos waren lange Zeit Druckluftmotoren als Antrieb im Gebrauch.

Druckluftmotoren wurden und werden im Untertagebau eingesetzt. Im rauen, feucht-staubigen Klima unter Tage im beengten Stollen sind Schleifleitungen und Stromabnehmer nur erschwert realisierbar. Insbesondere im Kohlebergbau kommt der Austritt von brennbarem Methan vor. Methan und/oder Kohlestaub bildet explosive Gemische mit Luft, die vor Funken, wie sie in elektrischen Stromkreisen auftreten, bewahrt werden müssen.

Von den 1990er Jahren bis etwa zum Jahr 2002 gab es Projekte und Ankündigungen, dass es ein serienreifes Fahrzeug mit Luftantrieb geben soll, das Aircar bzw. Druckluftauto. Diese Ankündigungen wurden durch eine in Luxemburg ansässige französische Firma erneuert, die ankündigte, ab dem Jahre 2009 den sogenannten OneCat produzieren zu wollen. Die Ankündigung wurde nicht umgesetzt.

Literatur

• Walter Gere: Pressluftmotore. Reihe: Wie baue ich mir selbst? 132. Hermann Beyer, Leipzig, 2. Aufl. 1924 (mit Ill.)

Siehe auch

• Heißluftmotor
• Pressluftlokomotive
• Gasturbine (Rotation ohne Kolben)

Weblinks

• The rotary piston array machine
• Nichts als Luft im Tank (Memento vom 13. Oktober 2008 im Internet Archive)