Dieselmotor (3) 14.12.2017, 17:59

Das Sankeydiagramm

Verbrennungmotore können nur einen geringen Kraftstoffanteil in nutzbare Arbeit überführen. Der Dieselmotor wandelt von der ihm zugeführten chemischen Energie etwa 44 Prozent, der Ottomotor lediglich etwa 32 Prozent in Bewegungsenergie um. Der Beitrag zeigt kurz und bündig, welche Rolle dabei die Motorkühlung spielt. Mit Skizzen für Arbeitsblätter.

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Dieselmotor (3) 

Wichtige Beurteilungsgrößen bei Verbrennungmotoren sind die Hubraumleistung, der Schadstoffausstoß, der Wirkungsgrad und die Lebensdauer. An einem Punkt kann man diese Größen entscheidend positiv beeinflussen: durch die Motorkühlung. In Verbindung mit der Klimaanlage ist sie auch maßgebend für ein angenehmes Klima im Fahrzeuginnenraum.  

Insgesamt gesehen ist der Verbrennungsmotor ein Energiewandler. Die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie wandelt er in mechanische Energie - speziell Bewegungsenergie - um. Diese wird an der Schwungscheibe an das Fahrwerk abgegeben.

Doch: Nach der Energieumwandlung steht dem Fahrzeug nur ein geringer Anteil als nutzbare Arbeit zur Verfügung. Der Dieselmotor wandelt von der zugeführten chemischen Energie des Kraftstoffs bis zu 44 Prozent und der Ottomotor bis zu 32 Prozent in Bewegungsenergie um. Dabei ist der Abgasstrom ein Energiefresser: Beim Dieselmotor führt er ungefähr 28 % und beim Ottomotor 30 % der Wärmeenergie ab.  

Die Energieströme von Diesel- und Ottomotoren lassen sich anschaulich mit Hilfe von so genannten Sankey-Diagrammen zeigen (Bild unten). 

Sankey-Diagramm Ottomotor, Dieselmotor

Bild: Ein Sankey-Diagramm

Aus dem hier dargestellten Diagramm geht hervor, dass der Dieselmotor mit 56 Prozent den geringsten Wärmeverlust hat. Man kann auch sagen: Von allen Verbrennungmotoren kann der Dieselmotor die ihm zugeführte chemische Energie am wirkungsvollsten in Bewegungsenergie (44 Prozent) umwandeln. 

Betrachtet man nur die Verlustwärme, so zeigt sich, dass die Motorkühlung gut 12 Prozent der Gesamtenergie verbraucht. Für die Motorschmierung liegt der Wert bei etwa 8 Prozent. 

Motorkühlung 

Soll der Motor nicht überhitzen und damit schwer wiegende Schäden in der Mechanik vermieden werden, muss gekühlt werden. Welche Motor-Bauteile sind davon betroffen? Direkt kühlt das Motoröl vorwiegend die im Motor unten liegenden Bauteile wie Kurbelwelle, Haupt- und Pleuellager, die Nockenwelle, Steuerräder und Kolben, während die Kühlflüssigkeit im Motorkühlsystem hauptsächlich die oberen Motorbauteile wie Zylinderkopf mit Ventilen und den Zylinder kühlt. 

Aufgabe des Motorkühlsystems ist es nicht, möglichst viel Wärme an die Umgebungsluft abzuführen. Es soll vielmehr helfen:  
1. die Betriebstemperatur schnell zu erreichen (kleiner Kühlkreislauf1),  
2. die Betriebstemperatur konstant zu halten (großer Kühlkreislauf). 

Über das Motorkühlsystem soll es auch dem Luftkompressor, dem Getriebeöl, dem Abgasturbolader, der Ladeluft und dem Abgas Wärme entziehen.  

Betriebstemperatur:  Der Verbrennungsmotor hat seine Betriebstemperatur erreicht, wenn die Kühlflüssigkeit etwa 90°C warm ist. Erst  dann arbeitet der Motor mit einem günstigen Kraftstoffverbrauch, niedrigem Schadstoffausstoß und dem geringsten Verschleiß an Kurbeltrieb, Zylinder und Motorsteuerung.  

Kühlen kann man mit 

Gebläseluft   
Diese Art wird nur noch in Kleingeräten (z. B. Stampfer, Kettensäge, Trennschleifer) verwendet. Dabei geben diese die abzuführende Wärme direkt vom Motorgehäuse an die vorbeiströmende Gebläseluft ab. Das Gebläse wird meist direkt von der Kurbelwelle angetrieben.    

Seine Vorteile:  
• einfacher Aufbau  
• geringes Gewicht  
• kein Frostschutzmittel erforderlich  
• fast wartungsfrei  

Nachteile:  
• nicht regelbar (stärkere Schwankungen der Betriebstemperatur)
• stärkere Geräuschbelastung (Gebläse und Verbrennung)  
• schlechterer Wärmeübergang (Kühlrippen und Luft).  

– mit Flüssigkeit (Pumpenumlaufkühlung)  
Sie ist bei größeren Motoren üblich. Bei dieser Kühlungsart geben die betreffenden Bauteilen die abzuführende Wärme an die Kühlflüssigkeit ab; sie leitet die Wärme über den Kühler (Wärmetauscher) an die Umgebungsluft weiter.  
Ihre Hauptbauteile sind: 
Wasserpumpe
Thermostat
Kühler
Ausgleichsbehälter.
Weil sich die Kühlflüssigkeit bei Erwärmung ausdehnt, steigt der Druck im Kühlsystem. Dafür ist ein Ausgleichsbehälter in den Kühlkreislauf integriert, der die überschüssige Kühlflüssigkeit aufnimmt und bei Bedarf wieder abgibt.
Die Komponenten des Kühlkreislaufs sind teilweise im Motorblock eingebaut und mit Schlauchleitungen miteinander verbunden. In diesem geschlossenen System zirkuliert das von einer mechanischen oder elektrischen Pumpe angetriebene Kühlmittel.

Bild unten. Die Baugruppen A bis F sind:
A Flüssigkeitskühler
B Wasserpumpe 
C Thermostat 
D Ladeluftkühler 
E Wärmetauscher (Heizung) 
F Ölkühler

Komponenten des Kuehlkreislaufs

1 Kleiner Kühlkreislauf: 
Damit der nach dem Anlassen noch kalte Motor schnell seine Betriebstemperatur erreicht und damit den geringsten Verbrauch und Verschleiß hat, wird der Kühlkreislauf mit einem Thermostaten gesteuert. Im kleinen Kühlkreislauf trennt der Thermostat den Kühler vom Motor-Kühlkreislauf und das Kühlwasser zirkuliert nur im Motorblock. Die geringe Menge der Flüssigkeit wird so schneller betriebswarm. Dieses System bewirkt, dass die Pumpe nicht gegen den Widerstand des geschlossenen Thermostatventils arbeiten muss. 

Großer Kreislauf:
Ist der Motor betriebswarm, öffnet der Thermostat und verbindet den Kühler mit dem Motorkühlwasser. 

Turbolader
Der Turbolader verdichtet die Verbrennungsluft, die dem Motor zugeführt wird. Im Vergleich zu Saugmotoren erreicht man damit eine wesentlich bessere Füllung der Zylinder. Auf diese Weise ergibt sich eine höhere Motorleistung bei gleichzeitig niedrigerem Verbrauch und besseren Emissionswerten. 


Zeichnungen, die für Arbeitsblätter verwendet werden können

 

Komponenten des Kuehlkreislaufs fuer arbeitsblatt

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