Motoren aus technischer Sicht/ Wartung der Motoren

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Einleitung

Bei der Verbrennung des Kraftstoffes wird der grösste Teil seiner chemischen Energie als Wärmeenergie an die Umwelt abgegeben. Rund ein Drittel der erzeugten Wärme muss dabei durch das Kühlsystem des Motors abgeführt werden. Auch die Schmieröle des Motors erfüllen eine wichtige Funktion. Sie verringern die zwischen Teilen entstehende Reibung. Im Folgenden wird auf diese beiden zentralen Wartungssysteme näher eingegangen.

Kühlsysteme

Einleitung

Ist ein Verbrennungsmotor in Betrieb, werden seine Bauteile thermisch hoch belastet. Bei einigen Bauteilen wird manchmal sogar der Schmelzpunkt der Werkstoffe, aus denen die Bauteile bestehen, erreicht. Hier ist die Kühlung der Bauteile besonders wichtig, damit sich diese nicht verformen und somit die Arbeitsvorgänge des Motors regelgemäss ablaufen können. Typische Beispiele solcher Bauteile sind die Zylinderkolben, an denen eine Wärme von 2000 bis 2500 °C entsteht, und die Ventile, an denen eine Wärme von 650 – 800 °C entsteht. Neben dieser Funktion, überschüssige Wärme aus dem Motor abzuführen, erfüllt das Kühlsystem eines Verbrennungsmotors noch folgende Aufgaben:

Das Kühlsystem sorgt unter allen Fahrbedingungen für ein möglichst schnelles Erreichen der Motorbetriebstemperatur und für eine möglichst konstante Temperatur während des Motorbetriebs.
Das Kühlsystem schützt die Schmierstoffe des Motors vor Überhitzung und Zersetzung, damit sie ihre Wirkung entfalten können. Ebenfalls schützt das Kühlsystem die Frischgase vor zu grosser Erwärmung, um den Liefergrad zu erhöhen: Kalte Luft hat eine größere Dichte und enthält deshalb mehr Sauerstoffmoleküle pro Liter als heiße Luft.
Schließlich sorgt das Kühlsystem für eine optimale Temperatur im Verbrennungsraum des Motors, um die Selbstentzündung bei Ottomotoren zu verhindern. So wird auch der unregelmässige Betrieb einer Verbrennungsmaschine vermieden.

Luftkühlung

Bei dieser Art Kühlung übernimmt entweder der Fahrtwind oder ein ventilatorähnliches Gebläse die Aufgabe des Kühlsystems. Bei einer Luftkühlung sind oft Kühlrippen am Motor vorhanden, da sie die Oberfläche vergrössern und somit eine verbesserte Wärmeabgabe ermöglichen. Ebenfalls typisch bei der Montage einer Luftkühlung ist das Verwenden des Werkstoffes Aluminium, weil es eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und somit eine sehr gute Kühlung des Motors ermöglicht.Einen weiteren kühlenden Effekt hat die Beschichtung beziehungsweise die Lackierung der Kühlrippen mit schwarzer, entsprechend hitzebeständiger Farbe, da diese Wärme besser abstrahlt.

Flüssigkeitskühlung

Es gibt zwei Prinzipien, nach denen ein Flüssigkeitskühlsystem funktioniert, das Schwerkraftprinzip und die Pumpenumlaufkühlung. Der Schwerkraftmechanismus funktioniert ohne Pumpe. Dabei dehnt sich das im Motor erwärmte Wasser aus. Als Folge dessen wird die Dichte des erwärmten Wassers kleiner und das Wasser steigt in den Kühler hinauf, wo es dann wieder gekühlt wird. Somit nimmt die Dichte des Wassers wieder zu. Aufgrund der steigenden Dichte strömt das Wasser wieder zurück in den Motor, unter anderem auch, weil die steigenden Warmwasserteile das kalte Wasser nachsaugen.

Bei der Pumpenumlaufkühlung wird die Kühlflüssigkeit mithilfe eines Thermostatventils in den Kühlkreislauf gelenkt. Nun bleibt das Thermostatventil so lange geschlossen, bis der Verbrennungsmotor die Solltemperatur erreicht hat. Das Wasser befindet sich somit in einem geschlossenen Kreislauf und erwärmt sich laufend. Sobald die Betriebstemperatur des Motors erreicht wird, öffnet sich das Thermostatventil und leitet das warme Wasser zum Kühler. Es wird neues, kaltes Wasser nachgeliefert.

Die Flüssigkeitskühlung nach dem Schwerkraftprinzip wird vor allem bei kleinen Motoren wie zum Beispiel Zweiradmotoren, bei denen eine mittlere Kühlung genügt, eingesetzt. Bedarf es eines hohen Kühlungsgrades bei grösseren Motoren, so wird die Pumpenumlaufkühlung, bei der anhand eines komplexen Kanalsystems gezielt bestimmte Motorbestandteile gekühlt werden können, der Kühlung nach dem Schwerkraftprinzip vorgezogen.

Vergleich zwischen Luft- und Flüssigkeitskühlung

Das Flüssigkeitskühlsystem ist mit den vielen Kühlkanälen im Motorblock schwieriger einzubauen als ein Luftkühlungssystem. Auch der Platzbedarf bei einer Flüssigkeitskühlung ist wesentlich grösser als bei einem Luftkühlungssystem.
Aufgrund der Flüssigkeit eines Flüssigkeitskühlsystems besitzt diese Art von Kühlsystem ein hohes Gewicht und bedingt im Winter Frostschutzmittel, damit die Flüssigkeit immer im flüssigen Aggregatszustand vorliegt und damit die Metalle und die anderen Werkstoffe im Kühlkreislauf vor Korrosion geschützt sind.
Die Leistung eines Flüssigkeitskühlsystems ist wesentlich höher und gleichmässiger als die eines Luftkühlsystems. Ebenfalls spricht die Geräuschentwicklung für ein Flüssigkeitskühlsystem. Ein weiterer Vorteil des Flüssigkeitssystems gegenüber dem Luftkühlsystem ist die gezielte Kühlung von thermisch stark belasteten Motorbestandteilen, die anhand der Kühlkanäle im Verbrennungsmotor möglich wird.

Schmierstoffe

Einleitung

Die Schmierung eines Verbrennungsmotors wird deshalb unternommen, um den Verschleiss der sich bewegenden Teile in begrenztem Masse zu halten. Im Einzelnen gehören dazu diese Aufgaben:

Schmierung der Gleitlagerstellen
Schonung der Motorbestandteile, die einer starken Erwärmung unterliegen
Feinstabdichtung des Zylinderkolbens gegen die Zylinderwand
Bindung von unerwünschten Fremdpartikeln
Schutz vor Korrosion

Nach längerer Betriebszeit lagern sich Schmutzpartikel in den Schmiermitteln an, weshalb die Schmiermittel immer wieder ausgewechselt werden müssen. Ein weiterer Grund beim Benzinmotor, weshalb man die Schmiermittel immer wieder auswechseln sollte, ist, dass bei häufigen Kaltstartvorgängen unverbrannter Kraftstoff die Schmiermittel verdünnt. Auch beim Dieselmotor führen Russpartikel zu einer Eindickung des Schmiermittels. Sowohl Verdünnung als auch Eindickung hindern die Schmierstoffe daran, ihre Aufgaben zu erfüllen.

Im Folgenden werden die verschiedenen Schmierarten beschrieben.

Druckumlaufschmierung

Die Druckumlaufschmierung arbeitet folgendermassen: Die sich im unteren Bereich des Motors befindende Ölpumpe saugt das Öl aus dem tiefsten Punkt der Ölwanne an und fördert es in einen Ölfilter. In diesem Ölfilter wird das Motoröl gereinigt, damit seine Schmiereigenschaften über längere Zeit erhalten bleiben. Nach der Filterung des Öls gelangt es über Ölkanäle und eine Reihe von Ventilen an das Ziel. Die Ventile sind dabei für den optimalen Systemdruck und eine genügende Schmierung unter den unterschiedlichsten Bedingungen zuständig. Das Öl benetzt die zu schmierenden Stellen und tropft nach Erfüllung der Aufgabe langsam wieder zurück in die Ölwanne, damit es später wieder verwendet werden kann. Die wichtigsten Motorbestandteile, die mit Öl geschmiert werden müssen, sind die Kurbel- und die Nockenwelle.

Trockensumpfschmierung

Eine Trockensumpfschmierung besteht aus einer Ölwanne, einem Reservebehälter und aus zwei Ölförderpumpen. Die eine Ölförderpumpe, die Druckpumpe, versorgt die zu schmierenden Stellen mit Öl. Die andere Ölförderpumpe, die Saugpumpe, sorgt dafür, dass der Reservebehälter stets mit Öl gefüllt ist. Die Funktionsweise der Trockensumpfschmierung ist identisch mit der der Druckumlaufschmierung. Einziger Unterschied zwischen Druckumlaufschmierung und Trockensumpfschmierung ist der, dass die Trockensumpfschmierung eine Saugpumpe besitzt, die Öl in den Reservebehälter pumpt. Dieses Schmiersystem wird vor allem bei Motoren verwendet, die für längere Zeit eine extreme Schieflage haben, also bei Geländefahrzeugen. Aufgrund dieser Schieflage kann zeitweise kein Öl mehr von der Ölwanne gefördert werden. Ebenfalls wird diese Art von Schmierung bei Motoren von Rennfahrzeugen verwendet, die bei schneller Kurvenfahrt zeitweise einen Ölmangel haben können, weil sich das Öl in der Ölwanne verlagert und somit das Öl von dort nicht mehr gefördert werden kann. Sowohl beim Gelände- als auch beim Rennfahrzeug sorgt nun der Ölbestand des Reservebehälters im Falle eines Ölmangels für eine genügende Schmierung der Motorbestandteile.

Schmierung beim Zweitaktmotor

Auch Zweitaktmotoren müssen für einen reibungslosen Motorbetrieb geschmiert werden. Es existieren zwei Möglichkeiten dazu, die Gemisch- und die Getrenntschmierung:

Bei der Gemischschmierung beim Zweitaktmotor wird das Öl direkt in den Kraftstoff dazugegeben. Bei diesem Öl handelt es sich um spezielles Zweitaktöl, das im Verhältnis 1 : 50 bis 1 : 100 dem Kraftstoff beigemischt wird. Diese Art von Schmierung setzt keine baulichen Besonderheiten voraus und ist somit preisgünstig. Der Nachteil der Gemischschmierung ist, dass sie die Umwelt stärker belastet als die Getrenntschmierung.
Die Getrenntschmierung, auch Frischölschmierung genannt, bietet eine umweltschonende Alternative. Das Öl wird aus einer Ölwanne mit einer Dosierpumpe gezielt an die zu schmierenden Stellen gefördert. Im Vergleich zur Gemischschmierung ist somit der Ölverbrauch wesentlich geringer. Somit sind auch die Rauch- und Geruchsabgabe niedriger als bei der Gemischschmierung. Selbstverständlich sind die Kosten für eine Getrenntschmierung viel höher als bei einer Gemischschmierung, weil sie ein ausgereiftes Ölkanalsystem benötigt, das das Öl gezielt an die Schmierstellen fördert.