Wie verhindert man im Ottomotor, dass der Motor schmilzt?
Wie verhindert man im Ottomotor, dass der Motor schmilzt, schließlich ist die Verbrennungstemperatur der Explosion mehr als doppelt so hoch wie der Schmelzpunkt von Stahl?
5 Antworten
Gute Frage, die ein reales technisches Problem anspricht.
Die Maximaltemp. bei der Explosion herrscht nur für Milisekunden. Mit abgehendem Kolben entspannt sich das Verbrennungsgas und kühlt dabei ab. Entscheidend ist daher die mittlere Temperatur, die zwar nicht gleich alles zum Schmelzen bringt, aber Stahl so schwächen könnte, dass er bricht.
Faustformel: Vom eingesetzten Kraftstoff geht etwa 1/3 auf die Kurbelwelle, 1/3 in die Abgase und 1/3 in den Motor. Daher ist die "Heizleistung" immer etwa so groß, wie die Leistung an der Kurbelwelle. Die Wärme, die in den Motor gelangt, wird letztlich über das Kühlwasser abgeführt.
Betrachten wir die Bauteile im Einzelnen:
Kolben:
Hier wird der Kolbenboden aufgeheizt. Daher wird der Kolben von unten durch Ölnebel gekühlt. Bei Hochleistungsmotoren (HLM) gibt es häufig ein extra Röhrchen, das den Kolben von unten mit Öl bespritzt, um ihn zu kühlen. Außerdem dienen die Kolbenringe auch dazu, Wärme vom Kolben an die Zylinderwand abzuführen. Kolben sind aus hochfesten Stahllegierungen geschmiedet, bei HLMs können auch Kolben aus Titan zum Einsatz kommen.
Bei Fehelrhafter Verbrennung, z.B, bei Frühzündung oder Klopfen, kann aber Temperatur und Druckschläge zusammen dazu führen, dass ein Loch in den Kolbenboden gebrannt wird. Das kommt schon mal vor.
Zylinder:
Die Zylinderwand versucht man möglichst dünn zu halten, damit die Kühlwirkung durch das Kühlwasser, von dem die Zylinder von außen umströmt werden, möglichst optimal ist.
Zylinderkopf:
Der wird auch sehr intensiv von Kühlwasser durchströmt. Die kritische Stelle sind die Auslassventile, weil die regelmäßig von den heißen Abgasen umströmt werden. Die Ventile sind aus hochfesten und temperaturbeständigen Stahlsorten geschmiedet. Ventilsitze werden aus speziellem Stahl gefertigt. Reicht das nicht, kann man die Ventile von Innen mit flüssigem Natrium kühlen oder man baut Ventile aus Titan ein.
Die Verbrennungstemperatur findet nur für den Bruchteil einer Sekunde statt. Mit der Abwärtsbewegung des Kolbens nimmt die Temperatur schlagartig ab. Die Hitze der die Zylinderlaufbuchse ausgesetzt ist wird sofort abgeleitet in den Block, der vom Wasser gekühlt wird. Metall hat ja eine hohe Wärmeleitfähigkeit, das geht also recht fix. Zudem wird bei jedem Ansaugtakt der Zylinder gekühlt.
Wichtig ist auch die Verdampfungsenergie des Sprits zu nutzen. Es erfordert immer ein Haufen Wärmeenergie, einen Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu bringen. Und diese Energie wird der Umgebung abgezogen.
Moderne Benzindirekteinspritzer, kriegen es auch hin eine Wolke aus zündfähigem Gemisch unter der Zündkerze zu platzieren. In Zylinderwandnähe ist also gar nicht so viel Gas, das explodiert. Folglich ist dann da die Temperatur (und die Wandverluste) gar nicht mal ,,so" hoch.
Bei Diesel sieht das prinzipiell genauso aus.
In dem man den Motor kühlt. Die Hitze wird mit Luft, Wasser oder Öl abgeführt, ausserdem kühlen die Frischgase den Motor bei jedem ansaugen.
Einmal die Kühlung und zum anderen findet die Kraftstoffverbrennung getaktet statt; es herrscht kein Dauerfeuer.
Die Wasser oder Luftkühlung des Motors verhindert dass.