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Technikwissen - Motor





Der Kurbeltrieb
Das ganze Leben ist eine Ansammlung von Kompromissen. Beim Verbrennungsmotor ist es bis auf weiteres nicht anders: Sein größtes Problem ist ein konstruktiver Nachteil, der die letzten 145 Jahre nicht erfolgreich behoben werden konnte. Denn seit Nikolaus Otto im Jahre 1861 den nach ihm benannten Motor erfand, gehen die Kolben in ihren Zylindern auf und ab oder hin und her die Ausnahme Wankelmotor kommt später an die Reihe. Die Räder jedoch drehen sich. Die sogenannte oszillierende Bewegung der Kolben muß also in eine rotierende umgewandelt werden. Genau das ist Aufgabe des Kurbeltriebs. Kernstück ist die Kurbelwelle, die mit den Kolben gelenkig über die Pleuel verbunden ist. Am einfachsten läßt sich das mit den Tretkurbeln an einem Fahrrad vergleichen: Die Beine sind die Kolben, die Pedale die Pleuel, und die Tretlagerwelle mit den Pedalarmen ist die Kurbelwelle. Tritt man nun kräftig auf das obenstehende Pedal, bewegt es sich nach unten, und das Fahrrad setzt sich in Bewegung. Genauso funktioniert es im Motor: Ein Kolben wird von der Verbrennung im Zylinder nach unten getrieben, drückt dabei mit seinem Pleuel auf den Hubzapfen der Kurbelwelle diese dreht sich ein Stück. Damit sie anschließend nicht wieder stehenbleibt, befindet sich an einem Ende ein Gewicht, das Schwungrad. Einmal in Drehung versetzt, sorgt es dafür, daß die Kurbelwelle sich gleichmäßig dreht. Mit nur einem Kolben würde der Motor aber trotzdem holprig laufen, deshalb haben die meisten Autos vier davon. Kleinwagen wie der Smart Fortwo müssen mit drei auskommen, Luxuslimousinen wie BMW 760i oder Mercedes S 600 besitzen ein ganzes Dutzend. Allerdings wird bei der Beschreibung von Motoren nicht die Anzahl der Kolben erwähnt, sondern aus unerfindlichen Gründen die identische Menge der Zylinder. Man spricht also nicht vomZwölfkolber,sondernvom Zwölfzylinder. Spitzenreiter ist derzeit der Bugatti Veyron mit 16 Zylindern. Allerdings ist auch dessen Motor ein Kompromiß, besteht er doch aus zwei Achtzylindern. 
 

Das Viertaktverfahren
Sämtliche heute gebauten Pkw mit Verbrennungsmotoren Behelfsmobile mit Kettensägenantrieb ausgenommen arbeiten nach dem Viertaktprinzip. Dabei macht es keinen Unterschied, ob Benziner oder Diesel, die Kolben machen in einem Arbeitsspiel vier Phasen durch. Es beginnt mit dem Kolben am oberen Ende seines Wegs im Zylinder. Experten nennen das den oberen Totpunkt kurz OT. Das Einlaßventil ist in dieser Stellung bereits geöffnet, der Kolben beginnt seine Reise abwärts. Dabei saugt er durch das offene Ventil frische Luft in den Zylinder. Bei konventionellen Benzinmotoren ist es aber nicht Luft allein, es befindet sich auch Benzin darin also Kraftstoff-Luft- Gemisch. Erreicht der Kolben seinen tiefsten Punkt im Zylinder, den unteren Totpunkt den UT, schließt das Einlaßventil, und der erste Takt ist beendet. Natürlich bleibt der Kolben dann nicht unten stehen, die Kurbelwelle dreht sich schließlich mit Schwung und treibt ihn mit Macht wieder nach oben. Weil alle Ventile geschlossen sind, können Luft oder Gemisch nirgendwo hin und werden auf einen kleinen Teil ihres vorigen Volumens zusammengedrückt. Bei Benzinern etwa auf ein Zehntel, bei Diesel noch viel stärker auf etwa ein Zwanzigstel. Dies wird als Verdichtungsverhältnis oder kurz Verdichtung bezeichnet, 10:1 oder eben 20:1. Damit ist der zweite, der Verdichtungs- oder Kompressionstakt beendet. Allerdings laufen parallel je nach Motortyp noch weitere Ereignisse ab: Bei modernen Benzin-Direkteinspritzern wird schon während der Verdichtung das Benzin direkt in den Brennraum eingespritzt. Und wenige Millimeter bevor der Kolben seinen OT erreicht, wird bei allen Benzinern an der Zündkerze ein Funke ausgelöst. Der dient als Vorbereitung zum dritten, dem Arbeitstakt. Denn vom Zünden bis zum Einsetzen der Verbrennung vergehen Sekundenbruchteile, während der Kolben seinen OT überschreitet. Aus dem gleichen Grund erfolgt beim Diesel die Einspritzung des Kraftstoffs ebenfalls bevor der Kolben ganz oben angekommen ist. Der Zeitpunkt dafür wird so gewählt, daß im folgenden Arbeitstakt der Kolben die maximal mögliche Arbeit auf die Kurbelwelle ausübt. Kurz vor Erreichen des UT ist es damit aber vorbei, denn nun öffnet das Auslaßventil, und der wieder aufwärts strebende Kolben schiebt die bei der Verbrennung entstandenen Abgase nach draußen. Der vierte, der Auspufftakt ist eingeleitet. An seinem Ende steht der Kolben wieder oben, und das Spiel beginnt von neuem. Wer genau mitgezählt hat, wird feststellen, daß für ein Viertaktspiel der Kolben zweimal auf und ab gehen muß. Es sind also zwei Kurbelwellenumdrehungen nötig, um einmal Leistung zu erzeugen. Ein Vierzylinder zündet also pro Umdrehung zweimal.

 

Die Kolben
Geht es am Stammtisch um Motoren, steht der Kolben im Mittelpunkt des Interesses. Mit jeder Kurbelwellenumdrehung stampft er einmal in seinem Zylinder auf und ab. Steht die Drehzahlmessernadel also auf 6000, saust auch der Kolben 6000 mal hin und her. Damit nicht genug, hinzu kommt noch der Druck von oben. Denn schon beim Verdichten muß der Kolben das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf zehn bis 13 Bar zusammendrücken, beim Diesel sind es bis zu 25 Bar. Doch das ist noch gar nichts gegen die Spitzendrücke, die bei der Verbrennung entstehen. Die modernsten Direkteinspritzer- Turbodiesel wie der Audi-Dreiliter-TDI oder der Mercedes-Dreiliter-CDI erreichen annähernd 200 Bar. Auf jeden Quadratzentimeter des Kolbenbodens drücken die Verbrennungsgase dann mit 200 Kilogramm. Und stemmen den Kolben insgesamt mit fast zwölf Tonnen abwärts. Trotzdem bestehen moderne Kolben aus relativ weichem Aluminium. Damit sie unter den bis zu 2000 Grad heißen Verbrennungsgasen nicht schmelzen, besitzen sie bei hochbelasteten Motoren eine eingebaute Ö lkühlung: Kleine Düsen spritzen Ö l gegen die Unterseite. Heute wichtiger dennje: dieAbstimmung der Durchmesser von Kolben und Zylinder. Ist dieses Laufspiel zu groß, macht der Kolben Geräusche. Wechselnde Drücke beim Ansaugen und Verdichten lassen ihn mal gegen die eine, dann gegen die andere Seite des Zylinders schlagen er kippt. Zu enges Laufspiel hingegen sorgt für schwergängiges Gleiten, was Kraftstoff kostet. Außerdem erzeugt erhöhte Reibung so große Hitze, daß Kolben und Zylinder verschweißen könnten Kolbenfresser. Der ist heute nahezu ausgestorben, obwohl zwischen Kolben und Zylinderwand nur etwa vier Hundertstelmillimeter Platz ist. Allerdings wäre dieser Spalt groß genug, darin Verdichtungs- und Verbrennungsdruck verschwinden zu lassen. Deshalb besitzt der Kolben Ringe. Die werden von umlaufenden Nuten geführt, drücken gegen die Zylinderwand und bilden so ein gutabdichtendes Labyrinthsystem. Die meisten Kolben haben drei Nuten. In den oberen beiden sitzt je ein Kompressionsring. In der unteren Nut hingegen sind gewöhnlich zwei Ringe ü bereinander angeordnet, die Ölabstreifringe. Ihre Aufgabe ist es, beim abwärts gehenden Kolben das Öl von der Zylinderwand abzustreifen, damit es oberhalb des Kolbens nicht verbrennt. Sonst würde der Ölverbrauch ansteigen auch ein beliebtes Stammtisch-Thema.

 

Der Motorblock
Der Kurbeltrieb benötigt eine solide Lagerung, damit die Kolbenkräfte aufgefangen werden und nicht die Kurbelwelle verbiegen. Dieses feste Fundament jedes Motors ist der Motorblock. Dabei handelt es sich um das größte Einzelteil des gesamten Triebwerks, das in einem Stück gegossen wird. An seiner Oberseite fallen zunächst vier große Löcher auf, das sind die Zylinder, in denen später die Kolben auf und ab sausen. Zur Unterseite hin verbreitert sich der Motorblock, hier benötigt die Kurbelwelle Platz für ihre rotierenden Hubzapfen und Gegengewichte im Kurbelgehäuse. Standard ist heute, daß sich an beiden Enden des Kurbelgehäuses und zwischen allen Zylindern ein Kurbelwellenlager befindet beim Vierzylinder also fünf. Die Hälfte jedes Kurbelwellenlagers ist Bestandteil des Kurbelgehäuses, darunter wird jeweils ein Lagerdeckel geschraubt. Wichtig: Eines der Kurbelwellenlager ist ein sogenanntes Axiallager es verhindert Bewegungen der Welle in Längsrichtung, wie sie beispielsweise beim Treten der Kupplung auftauchen. Zentrales Thema bei Motorblöcken ist der richtige Werkstoff. Fest soll er sein, um den enormen Zünddrücken besonders bei Dieselmotorenstandzuhalten, aber gleichzeitig auch leicht und außerdem den Kolben gute Gleiteigenschaften bieten. Preiswert ist Gußeisen: Bei Benzinern können die Kolben direkt im fertig bearbeiteten Block laufen. Bei Dieseln werden wegen der höheren Seitenkräfte der Kolben meistens extra Hülsen, sogenannte Laufbuchsen aus speziellem Gußeisen, in die Zylinder gezogen. Weniger verbreitet sind Motorblöcke aus Aluminium oder anderen Leichtmetallen. Grund: Der Gewichtsvorteil wird mit deutlich höheren Kosten erkauft. Denn Alukolben heute Standard laufen nicht in Aluzylindern, würden sofort fressen. Abhilfe: Entweder werden die Kolben beschichtet oder die Zylinder oder beide. Die Kolben werden dann mit stark eisenhaltiger Farbe lackiert, alternativ lassen sich durch spezielle Gießtechniken sehr harte Siliziumkristalle an die Zylinderinnenseite bringen, die dann mit bestimmten Ätzverfahren freigelegt werden und eine verschleißfeste Laufbahn bilden. Einfacher ist es, Laufbuchsen aus Gußeisen in den Alublock zu stecken. Damit diese gut gekühlt werden, sitzen sie meist direkt im Kühlwasser. Das nennt sich dann nasse Buchsen. Die Alternative: trockene Buchsen, die komplett im Alu stecken, ohne Kontakt zum Kühlmittel. Problematisch ist beides, denn Eisen und Aluminium dehnen sich unterschiedlich aus ein Gußeisenblock ist meistens problemloser.
 

Das Ventil 
13_folge5In den Kolben und Zylinder verbrennt ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Aber wie kommt es dort hinein und die Abgase wieder heraus? Das ist Aufgabe der Ventile, sie sind die Türen des Motors. Jeder Zylinder eines Viertaktmotors hat mindestens zwei: ein Einlaß- und ein Auslaßventil. Im Verdichtungstakt sind beide geschlossen, dichten die gleichnamigen Kanäle ab. Doch zu Beginn des Ansaugens wird das Einlaßventil geöffnet. Dies geschieht mittels der Nokkenwelle, die von der Kurbelwelle angetrieben wird, aber nur mit der halben Drehzahl rotiert. Der Nocken öffnet das Ventil, indem er es gegen den Druck der Ventilfeder ein paar Millimeter in Richtung Brennraum schiebt. Gegen Ende des Einlaßvorgangs, wenn der Nocken seinen Scheitelpunkt ü berschritten hat, drückt die Ventilfeder das Ventil wieder zu. Beim Auslaßventil läuft alles genauso ab. Zwischen Nocken und Ventil sitzen allerdings je nach Konstruktion die unterschiedlichsten Ü bertragungselemente. Wir zeigen hier nur die beiden gebräuchlichsten: den Tassenstößel und den Schlepphebel (auch Schwinghebel genannt). Der Tassenstößel heißt so, weil er wie ein umgestülpter Becher direkt über dem Ventil sitzt. Sein Vorteil: Er nimmt den seitlichen Druck des Nockens auf, das Ventil wird nur in gerader Linie beansprucht was den Verschleiß der Ventilführung vermindert. Trotzdem nimmt die Verbreitung des Schlepphebels bei neuen Motoren zu. Die Ventilsteuerung wird damit leichter, ist außerdem preis werter. Was auch daran liegt, daß die meisten Motoren heute mehr als zwei Ventile haben. Der Vierventiler mit je zwei Ein- und Auslaßventilen ist fast Standard, und dann kann ein Nocken über einen Schlepphebel in Gabelform gleich beide Ventile betätigen. Doch egal wie das Ventil betätigt wird, wichtig ist der richtige Abstand zwischen Nockenwelle und den Betätigungsteilen das Ventilspiel. Früher mußte es an Einstellschrauben justiert werden, damit das Ventil bei allen Temperaturbedingungen und auch nach langer Laufzeit noch sicher schließt. Seit etlichen Jahren aber erledigen das hydraulische Elemente die Hydrostößel. Sie sind an den Motoröldruck angeschlossen, werden von diesem ausgefahren und halten das Ventilspiel so auf null. Drückt der Nokken das Ventil auf, wirkt die Ölfüllung als dämpfendes Polster, reduziert so den Verschleiß.
12x2_folge5 05_stoessl_arten 11_bezeichnungen_vent

 

Der Steuertrieb
14x_folge6Für die Betätigung der Ventile ist die Nockenwelle zuständig. Aber wonach richtet sich deren Bewegung? Fest steht nur: Ein Viertaktspiel dauert zwei Kurbelwellenumdrehungen, in deren Verlauf Ein- und Auslaßventil einmal zu öffnen sind. Was liegt also näher, als die Nockenwelle von der Kurbelwelle antreiben zu lassen. Und zwar mit halber Drehzahl, weil ja genügend Zeit zum Öffnen der Ventile zur Verfügung steht. Dafür aber präzise mit der Kurbelwelle synchronisiert, denn die Ventile müssen schließlich zu genau bestimmten Zeiten offenstehen. So weit sind sich alle Konstrukteure von Viertaktmotoren einig. Unterschiede bestehen aber im Antrieb der Nokkenwelle. Denn die ist heute fast ausschließlich sehr weit oben im Motoreingebaut,während die Kurbelwelle fast im Kellergeschoß rotiert. Und diese Distanz muß der Nockenwellenantrieb kurz: Steuertrieb überbrücken. Ganz weit vorn in der Gunst der Techniker lag seit den siebziger Jahren der Zahnriemen. Er hat an einer Seite Zähne, die quer zur Laufrichtung sitzen und mit den entsprechenden Zähnen der Riemenräder eine sogenannte formschlüssige Kraftübertragung möglich machen. In der einfachsten Form des Zahnriemenantriebs treibt das Riemenrad der Kurbelwelle mit einer bestimmten Anzahl Zähne das Rad der Nockenwelle an, das wegen der Übersetzung (2:1) logischerweise ü ber die doppelte Anzahl Zähne verfügen muß. Das dritte Rad im Zahnriemenantrieb ist die Spannrolle, die auf die glatte Seite des Zahnriemens drückt und für eine bestimmte Spannung sorgen muß. Außerdem besitzt sie zwei Bordscheiben, die für die Führung des Riemens sorgen, ihn am Ablaufen von den Rädern hindern. Vorteile des Zahnriemens: Er ist leicht, leise und preiswert. Sein Nachteil: Er ist wartungssensibel. Vor allem seit seine Belastung ständig zunimmt, weil er außer der Nockenwelle noch alle möglichen Nebenaggregate mit antreiben muß. Deshalb sind in der jüngeren Vergangenheit viele Autohersteller wieder zu einer teureren und schwereren Lösung zurückgekehrt, der Steuerkette. Im Prinzip sieht so ein Kettenantrieb ähnlich aus wie beim Zahnriemen. Für die Spannung werden allerdings mit Motoröldruck gegen die Kette gedrückte Gleitschienen benutzt, und wegen der Ölschmierung muß ein geschlossener Kettenkasten her, wo beim Zahnriemen eine simple Abdeckung genügt. Noch größer wird der Aufwand jedoch bei der dritten Antriebsart, die seit kurzem im Fünfzylinder-TDI von VW zum Einsatz kommt. Dort treibt eine Kaskade von Zahnrädern die Nockenwelle an. Das funktioniert zuverlässig, langlebig und sehr präzise. VW nennt seinen Zahnradtrieb wartungsfrei, aber das Prinzip ist schwer und teuer also auch keine ideale Konstruktion im Sinne des Ingenieurwesens.
13_aufbau_zahnriemen
 

Der Zylinderkopf
15_motorAuf jeden Topf paßt ein Deckel. Beim Zylinder ist das der Zylinderkopf. Dessen Aufgabengebiet ist so vielfältig wie bei sonst keinem anderen Einzelteil des Motors. Die wichtigste Anforderung: Der Zylinderkopf muß den Brennraum gasdicht abschließen. Keine leichte Aufgabe, denn wir erinnern uns bei Hochleistungsdieseln können Spitzendrücke bis zu 200 Bar auftreten. Problematisch ist immer der Ü bergang vom Kopf zum Motorblock. Deshalb liegt zwischen der Oberseite des Motorblocks und dem Zylinderkopf eine Dichtung die Zylinderkopfdichtung. Sie besteht in den Bereichen des höchsten Drucks um die Zylinder heute in der Regel aus Metall, die Durchgänge für Kühlwasser und Motoröl sind oft auch zur besseren Abdichtung mit synthetischem Gummi eingefaßt. Denn auch im Zylinderkopf zirkulieren Kühlwasser und Motoröl, um Wärme abzuleiten und bewegliche Teile zu schmieren. Überhaupt sieht ein aufgeschnittener Zylinderkopf aus wie ein Schweizer Käse mit extragroßen Löchern, die allerdings nicht zufällig verteilt sind. Denn durch den Kopf verlaufen die Einlaßkanäle, durch die das Kraftstoff- Luft-Gemisch (beim Diesel: reine Luft) in den Zylinder gelangt, die Auslaßkanäle, durch die das Abgas entsorgt wird, und dann noch jede Menge Bohrungen für Zündkerzen beim Benziner, Einspritzdüsen und Glühkerzen beim Diesel sowie diverse Sensoren. Nicht zu vergessen die Ventile, welche die Kanäle zum Brennraum hin abdichten, und das Obergeschoß, in dem sich eine oder zwei Nockenwellen samt Betätigungsorgane für die Ventile tummeln. Ein Labyrinth also, und damit nicht genug: Auch die Temperaturunterschiede sind gewaltig. Denn die angesaugte Luft kann unter null Grad kalt sein, ein paar Zentimeter weiter strömen 1000 Grad heiße Abgase durch den Auslaßkanal. Und dazwischen befindet sich ein Wasserkanal, in dem mit vielleicht 90 Grad durchrauschendes Kühlmittel dafür sorgen muß, daß der Zylinderkopf nicht schmilzt. Deshalb ist so ein Zylinderkopf ein Meisterwerk der Gießereitechnik, teilweise sind die Wände zwischen den unzähligen Löchern und Durchgängen nur zwei Millimeter dick. Schließlich sollen Einund Auslaßkanäle und damit auch deren Ventile möglichst große Durchmesser haben, denn die ergeben gute Füllung und rasche Entleerung der Zylinder und damit Leistung. Natürlich darf der Zylinderkopf keine Risse bekommen, denn wenn Wasser oder Öl ihre zugewiesenen Bahnen verlassen, drohen sehr teure Schäden, die sich nicht nur auf den Kopf beschränken.

16_zylinderkopf 

Die Kanal-Anordnung
Wie wir bereits wissen,besitzt jeder Zylinder zwei Pforten, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch hinein- und die Abgase rauslassen Ein- und Auslaßventil. Damit lassen sich auch heute noch anständige Ergebnisse erzielen, und trotzdem haben sich die Techniker schon in den Kindertagen des Automobils Gedanken gemacht, wie sich die Leistung wohl steigern ließe. Denn mit nur einem Einlaßventil ist die Menge des Frischgases, die während des Einlaßtaktes angesaugt werden kann die Füllung kaum zu steigern. Natürlich läßt sich der Durchmesser des Ventiltellers soweit vergrößern, wie es der Durchmesser des Brennraums und der Zylinderbohrung zulassen. Auch der Öffnungsweg, der Ventilhub, und die Geschwindigkeit des Öffnens ist nicht beliebig zu steigern, ebensowenig die Öffnungsdauer. Denn dabei steigt der Verschleiß im Ventiltrieb stark an, und lange scharfe Steuerzeiten gehen auf Kosten der Laufkultur und des Schadstoffausstoßes. Also mehr Ventile. Bereits vor dem Ersten Weltkrieg die obenliegende Nockenwelle war gerade erfunden hatten pfiffige Ingenieure ihre Zahl verdoppelt. Je zwei Einund Auslaßventile bewirkten eine Vergrößerung der Öffnungsquerschnitte um das Anderthalbfache. Der Vierventiler war geboren. Welches das erste Auto mit dieser Technik war, darüber gibt es widersprüchliche Angaben. Nach unserem Kenntnisstand war es ein Rennwagen von Peugeot aus dem Jahr 1912. Bei Serienfahrzeugen blieb es vorerst, von wenigen Ausnahmen abgesehen, bei zwei Ventilen. Bis in den Achtzigern das Kürzel 16V in allen möglichen Typenbezeichnungen auftauchte. Damit war nicht die Batteriespannung gemeint, sondern der Vierzylinder- Vierventiler unter der Haube. Zunächst auf sportliche Modelle beschränkt, ist der Vierventiler heute Standard. Nur bei Audi nicht. Die Ingolstädter ü berraschten 1994 mit einem Fünfventilmotor, in dem die Gase durch drei Einlaß- und zwei Auslaßventile strömen. Um diese fünf Ventile direkt über Tassenstößel (Folge 5) betätigen zu können, wendeten die Techniker einen Trick an: Das mittlere Einlaßventil steht in einem steileren Winkel. Verzicht übten dagegen die Ingenieure von Mercedes und stellten 1998 neue Motoren mit drei Ventilen pro Zylinder vor und zwar mit zwei Ein- sowie einem Auslaßventil. Der Gedanke dahinter: Das Öffnen eines Ventils kostet Kraft, erhöht die innere Reibung eines Motors und somit auch den Verbrauch. Inzwischen aber hat Mercedes wieder alle Motoren auf Vierventiltechnik umgestellt. Übrigens auch die Diesel, für die hinsichtlich Leistung und Schadstoffbilanz das gleiche wie für Ottomotoren gilt: Mit mehr Ventilen fällt es leichter, beides zu optimieren.
 

Der Ölkreislauf
33_oelkreislaufStellen Sie sich vor, Sie müßten alle 20 Kilometer anhalten, die Haube öffnen und sämtliche Schmierstellen des Motors ölen. Undenkbar? Bis vor 90 Jahren ganz normal, heute erledigt das die Druckumlaufschmierung. Sie pumpt das Motoröl zu den Schmierstellen. Aber der Reihe nach: Zunächst lagert das Öl an der tiefsten Stelle des Motors - in der Ölwanne. Die ist meistens aus Blech, manchmal auch aus Leichtmetall-Druckguß wegen der besseren Kühlwirkung. Dort saugt die Ölpumpe den Schmierstoff an. Wir beschreiben hier nur deren verbreitetste Bauart: die Zahnradpumpe. Die besteht aus zwei Zahnrädern, von denen eines vom Motor angetrieben wird und das andere mitnimmt. So befördern sie das Öl außen herum in den Lücken zwischen den Zähnen. Dort, wo die Räder miteinander verzahnen, wird es dann herausgequetscht und gelangt zunächst in den Ölfilter. Der reinigt den Schmierstoff, außerdem sitzt an seinem Eingang das Öldruck- Regelventil: Steigt der Öldruck über einen Wert von vier bis fünf Bar an, öffnet ein Bypass, der das Öl zurück in die Ölwanne fließen läßt. Doch im Normalfall strömt das gefilterte Öl zu den Lagern der Kurbelwelle. Die fangen einen Teil davon ein, führen es durch Bohrungen innerhalb der Welle zu den Pleuellagern. Wo es dann austritt und von der Kurbelwelle im Motorgehäuse herumgeschleudert wird, so Kolben und Kolbenbolzen schmiert. Ein geringerer Teil des Öls fließt in die oberen Regionen des Motors, schmiert im Zylinderkopf Nockenwelle und Ventilbetätigung. Darunter auch die hydraulischen Ventilstößel, die den Motoröldruck nutzen, um sich nach jedem Öffnungsvorgang der Ventile wieder zu strecken. Damit ist ein Öl-Umlauf beendet, das abtropfende Öl aus Zylinderkopf und Kurbelgehäuse fließt in die Ölwanne zu-rück. Dort kann es abkühlen, ehe die Pumpe es für den nächsten Umlauf ansaugt. Während des Betriebs bindet das Öl feinsten Metallabrieb und Rußpartikel, die wegen ihrer Winzigkeit nicht im Filter hängen- bleiben. Gleichzeitig wird das Öl im Bereich der Kolbenringe bis zu 300 Grad heiß. Deshalb altert Motoröl, es muß regelmäßig gewechselt werden. Nicht zu vergessen: der Ölstand, der in Abständen nach einer Kontrolle verlangt - wenn auch nicht mehr alle 20 Kilometer.

34_oelkreislauf

 

Der Ölfilter 
Die Bauteile eines Motors arbeiten mit kaum vorstellbar kleinen Toleranzen. Zwischen Kolben und Zylinder sind gerade mal zwei bis vier Hundertstelmillimeter Platz. Bei den Lagern von Kurbel- und Nockenwelle verhält es sich ähnlich. Geriete ein Sandkorn dazwischen, würde es tiefe Rillen in die Oberflächen gravieren. Und weil alle Bewegungen im Motor mehrere tausend Male pro Minute ablaufen, kann schon wenig Schmutz viel Schaden anrichten. Deshalb werden Luft und Kraftstoff, die ja von außen in den Motor gelangen, vorher gründlich gefiltert. Aber auch innerhalb des Motors kann sich Schmutz bilden: Metallabrieb, Ruß und Alterungserzeugnisse des Motoröls reagieren miteinander und bilden feste Bestandteile. Die landen schließlich im Motoröl und verringern dessen Schmierwirkung, bilden statt dessen eine Art Schleifpaste. Die Größe der Schmutzpartikel ist dabei gar nicht so wichtig. Nach einer Untersuchung des Filter-Herstellers Mann+Hummel verursachen alle Größen zwischen acht und 60 Tausendstelmillimetern erheblichen Verschleiß. Größere Teilchen werden meistens im Motor zerkleinert und fallen dann auch in diesen Bereich. Deshalb muß das Motoröl gründlich gefiltert werden. Allgemein üblich ist heute der Hauptstromfilter - durch ihn strömt die gesamte Ölmenge, die von der Pumpe zu den Schmierstellen gefördert wird. Angebracht ist der Filter außen am Motor, damit er beim Ölwechsel leicht mitgewechselt werden kann. Bei älteren Motoren sieht er aus wie eine Blechdose, die beim Wechsel komplett entsorgt wird. Jüngere Konstruktionen haben meistens nur Filtereinsätze, die in ein festes Gehäuse gesetzt werden. Vorteil: weniger Recycling- Aufwand, weil nicht bei jedem Wechsel das Blechgehäuse weggeworfen wird. Die Funktionsweise ist aber stets die gleiche: Das Öl wird durch ein feines Gewebe gepumpt, das den Schmutz auffangen und zurückhalten soll. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um Papier, das wie ein Faltenrock geknickt wird, um eine größere Oberfläche zu bilden. Allerdings kann Papier sich in synthetischen Motorölen zersetzen und bietet auch nicht die mechanische Stabilität, um 50 000 Kilometer ohne Wechsel zu halten, wie es heute für moderne Motoren verlangt wird. Dann besteht Gefahr, daß der Filtereinsatz birst - und der Schmutz mitsamt den Papierresten geballt in den Motor gelangt. Deshalb bestehen moderne Filtergewebe überwiegend aus High-Tech-Werkstoffen, teilweise auch aus mehrlagigen Materialien verschiedener Feinheitsgrade. Sie fischen auch noch nach mehreren zigtausend Kilometern zuverlässig den schädlichen Schmirgelschmutz aus dem Öl - garantieren so maximale Motor-Lebensdauer.
 

Der Kühlkreislauf 
37x_folge18Alle Motoren sind luftgekühlt. Nur benutzen die meisten noch ein Zwischenmedium, um die Wärme an die Luft abzugeben: Wasser. Ohne Kühlung funktioniert kein Motor. Die Verbrennungshitze, aber auch die trotz Schmierung entstehende Reibungswärme müssen abgeführt werden, damit der Motor sich nicht bis zur Zerstörung erwärmt. Deshalb fließt Wasser durch den Motor. Genaugenommen handelt es sich um Kühlmittel. Das besteht je zur Hälfte aus Wasser und bestimmten Alkoholen, die den Motor gegen Einfrieren und Rost schützen. Außerdem erhöhen sie den Siedepunkt des Wassers. Gleiches bewirkt der Deckel auf dem Kühlsystem. Bei Erwärmung gestattet er einen Überdruck von etwa einem Bar, wodurch sich die Siedetemperatur des Kühlmittels auf 120 Grad erhöht. Doch zuerst muß sich der Motor nach dem Kaltstart erwärmen. Deshalb zirkuliert das Wasser zunächst nur innerhalb von Motorblock, Zylinderkopf und Heizung. Erst bei eine Temperatur von etwa 85 Grad öffnet der Thermostat. Er funktioniert wie eine Weiche, leitet das Wasser durch den Kühler. Der besteht in der Regel aus einer Menge dünner Aluröhrchen, die alle paar Millimeter mit filigranen Blechen untereinander verbunden sind. So entsteht eine große Oberfläche, um die Wärme an die Luft abzugeben. Damit das Wasser im Motor überhaupt fließt, ist eine Pumpe erforderlich. Dafür wird heute meistens eine vom Motor über den Keilriemen angetriebene Zentrifugalpumpe benutzt. In ihrem Gehäuse ist auch der Thermostat untergebracht. Mit diesem System läßt sich die Motortemperatur recht gut kontrollieren. Problematisch wird es, wenn das Auto nur langsam fährt oder gar zum Stehen kommt. Dann strömt nicht genügend Luft durch den Kühler, weshalb nachgeholfen werden muß: Bei einer bestimmten Temperatur - um 110 Grad - knipst ein Thermoschalter einen elektrischen Ventilator an, der Luft durch den Kühler saugt. Früher erledigte das ein Propeller, der direkt mit der Riemenscheibe der Wasserpumpe verschraubt war, also dauernd mitlief. Je nach Drehzahl kostet diese Lösung aber zwei bis fünf PS, erhöht also den Verbrauch - wie die Gebläse luftgekühlter Motoren. Was einer der Gründe für deren Verschwinden ist.

37_kuehlkreislauf

 

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