Die Kühlung leichter Verbrennungsmotoren [Reprint 2022 ed.] 9783112689264, 9783112689257

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Automobiltechnische Bibliothek. Bond X.

Die Kühlung leichter Verbrennungsmotoren von

K. R. ß. Praetorium Ingenieur

l ü t t 216 F i g u r e n i m T e x t

Bertin

Vl

Perlag von Hl. 1920

Krayn

flutomobiltechnifche

Bibliothek Bd. X.

P r a e t o r l u s , Die Kühlung leichter Verbrennungsmotoren. — - -

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Hufomobilfedmiiche M M M M E S S Bibliothek Die Hufomobilfechnib in £inzeidariiellungen Bd.

I.

Der Automobilmotor und seine Konstruktion von W . P f i t z n e r und A. Q. v. L o e w e , Ingenieure.

Bd.

II.

Bd.

III.

Bd.

IV.

Bd.

V.

Bd.

Diplom-

Der Automobilzug des Colonel Charles Renard von W . A. Th. M ü l l e r , Oberingenieur. Automobilvergaser von H e i n r i c h D e c h a m p s , Dipl.-Ingenieur. Die Kugellagerungen von A u g . B a u s c h l i c h e r , Ingenieur.

Der Konstruktionsstahl und seine Mikrostrukt u r von A. H a e n i g ,

Ingenieur.

VI. Das Fahrgestell von Gaskraftwagen von Prof. Dr.-Ing. R. L u t z .

3 Teile.

Bd. VII.

Die Leistungsverluste und die Abfederung von Kraftfahrzeugen von Dr.-Ing. E r i c h B o b e t h. Bd. VIII. Konstruktionsberechnungen von Kraftfahrzeugen

und die Organisation des

von Dipl.-Ing. A. G. von

Konstruktionsbüros

Loewe.

Bd. IX. • Die Schmierung leichter Verbrennungsmotoren Bd.

X.

von K . R H . P r a e t o r i u s , Ingenieur.

Die Kühlung

leichter

von K - R . H. P r a e t o r i u s ,

Verbrennungsmotoren Ingenieur.

Berlin W. Perlag von m . Krayn

Die Kühlung leichter Verbrennungsmotoren oo n

K, R« fi, Praeiorius, Ingenieur

mit

246

Figuren

im

Cext.

Berlin W. Perlag pon m. Krayn 1920

Copyright 1920 by M. Krayn, Berlin W. 10.

Alle Rechte, namentlich das der Uebersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.

VORWORT. Die verschiedenartigen Beanspruchungen, denen leichte Verbrennungsmotoren und namentlich Flugmotoren bei verschiedenen Temperaturverhältnissen unterworfen sind, erfordern eine sorgfältige Ausführung ihrer Kühlung. Insbesondere bei Flugmotoren hat es sich gezeigt, daß die Durchbildung der Kühlung von Einfluß auf den Wirkungsgrad des Motors und auf die Wirtschaftlichkeit des Betriebes ist. Bei Kraftwagenmotoren hat man bisher der Kühlung noch weniger Sorgfalt zugewendet, als bei den erstgenannten. Der Mangel an Brennstoffen, welcher voraussichtlich nicht so bald nachlassen wird, macht es erforderlich, daß auch bei diesen die Wirtschaftlichkeit durch eine zweckmäßige Durchbildung der Kühlung erhöht und die Möglichkeit gegeben wird mit schwereren Brennstoffen zu arbeiten, als bisher. Der Verfasser hat es sich zur Aufgabe gemacht, die grundlegenden Gesichtspunkte für eine zweckentsprechende Kühlung leichter schneilaufender Motoren zusammenzufassen und in ihren Einzelheiten zu beleuchten. Es sollen hiermit zusammenhängend die Zur Kühlung gehörigen und von dieser konstruktiv beeinflußten Bauteile betrachtet werden. Ferner soll ein Bild der verschiedenen auf die konstruktive Durchbildung des Motors einwirkenden Temperaturverhältnisse gegeben werden unter Erläuterung einer Reihe von Beispielen aus der Praxis.

Praetorius.

INHALT. I. Allgemeines. A. Zweck und Wesen der Kühlung B. Kühlsysteme a) Luftkühlung b) Frischwasserkühlung Cj Rückkühlung unter Verwendung einer Wasserpumpe c 2 Tliermosyphonkühlung C. Heißkühlung II. Konstruktiver Ausbau der Kühlung. A. Zylinder a) Luftgekühlte Zylinder b) Wassergekühlte Zylinder B. Ventile C. Kolben D. Lagerstellen E. Abgasleitungen F. Zündkerzen . . III.

IV.

:

. .

7 13 13 17 23 23 35 40 40 53 72 81 93' 97 98

Kühler. A. Berechnung der Kühlfläche B. Kühlereleniente C. Kühlerkonstruktionen D. Kühleraufhängung E. Einfüllverschlüsse und Wasserstandsgläser F. Kühlerreparaturen

101 107 123 162 169 174

Anordnung der Kühler. A. Im Kraftwagen B. Im Flugzeug

177 181

V. Regelung der Kühlung

196

VI. Kühlwasserpumpen A. Pumpen B. Pumpenantriebe

?07 207 221

VII. Ventilatoren VIII.

IX. X.

226

Zubehör. A. Kontroll- und Sicherheitsvorrichtungen B. Rohrleitungen und Anschlüsse

237 244

Kühlung des Schmieröls

251

Aus der Praxis. A. Anlassen der Motoren bei kaltem Wetter B. Verhütung'von Frostschäden C. Behandlung der Kühlanlage

262 269 275

Sach-Verzeichnis Abdeckung der Kühlfläche S. 197, 198. Abgasleitungen S. 97. Ab«cheerstück im Pumpenantrieb S. 224. Abzuleitende "Wärmemenge S. 12, 17. Alkohol-Kühlurg S. 272. Aluminiumkühler S. 110, 111. 138. Aluminiumzylinder S. 69. Anlassen der Motoren S. 262. Anordnung des Kühlers hinter dem Motor 8. 31, 179. Anwärmen des Kühlwassers S. 262. Anzani-Motor S. 46. Auftauen von eingefrorenen Rohren S.277. Auspufftopf von Benz S. 98. Baer-Motor S. 42. Bosch-Aggregat S. 13. Bi-ennstoffenergie S. 11. Brennstoffverbrauch S. 11 Dampfentwickler von Dichtigkeitsgrade des Durchflussquerachnitt Durchlässigen Stellen finden der S. 176.

Seppeier S 267. Wassers S. 29 im Zylinder S. 20. im Kühler Auf-

Einfüllstutzen für Kühler S. 169—173. Energiediagramm S 10. Energieverlust 8 . 10 Esha-Zündkerze S. 99. Expandierende Pressluft. Kühlung durch S. 49, 53. Fernthermometer S. 240, 241. Förderkur^en von Kühlwasserpumpen S. 208, 209, 212, 215. Frayer-Miller-Motor S 45. Frischwasserkühlung S. 17. Frostschäden S. 269.

Gegenstromkühler S. 154. Gleitfluge. Verhalten beim S. 277. Glyzerin-Kühlung S. 272. Glyzerin-Kühlung. Versuch mit S. 273. Grade-Motor S. 45 Gütegrad der Kühler S. 127, 129 Heisskühlung S. 35. Heisskühlung nach Semmler S. 37. Heisskühlung nach Wolf S. 36. Indian-Motor S. 40. Kesselsteinansatz 8 277. Kolben nach Büssing S. 89. » » Körting S. 85. » des Liberty-Motors S. 90. » nach Linnebrügge S. 88. » von Eolls-Eoyce S. 93. » des Salmson-Motors S. 92. Kolbenkühlung nach der A . E . G . S. 83. » » Markus S. 84. » Müller S. 87. » der Maschinenfabrik Keiherstieg S. 82. nach Windhoff S. 86 Kraftverbrauch des Ventilators 8. 231. Kühlanlage am Adlerwagen S. 24. Kühler, der Adlerwerke Gegenstrom S. 154 > der Adlerwerke. Zusatz S. 155, 156. » von Anderson S. 115. » von Behringer S 145. » von Ekehorn S 140. •» der Internationalen BotationsMaschinen G. m b. H S. 157. von Kinkel S. 113. » von Längerer und Reich S 159

VIII Kühler, Ton Meister S 161. » von Michael und Franke S. 153. » der Neuen Industrie-Werke S. 150. » der Norddeutschen Kühlerfabrik S. 114, 119. » von Protos S 141, 142. » von Stoewer S. 135. » von Seppeier S. 151, 152. » von Stern S. 158. » der Süddeutschen Kühlerfabrik S. 108, 109, 143, 144, 227 » von Teves und Braun S 110, 148. » von Tintemann S. 139. von Windhoff S. 111, 114, 117, 120, 137, 138, 146, 147, 152. » von Dr. Zimmermann S. 113, 115. Kühlern, Beurteilung der Grösse von 130. Kühleranordnung der Ago-Flugzeugwerke S. 192 » von Clément Bayard S. 179. » von Daimler S. 180 » der Kondorwerke S. 191. nach Seppeier S. 183, 184,185. » im Siemens R I S . 187. im Siemens B 8 188, 189. » an Stern-Motoren S. 195. » am Stoewerwagen S. 178. » nach Windhoff S. 194. Kühleraufhängung S. 162. Kühlercharakteristik S. 130, 131, 133. Kühlerelemente S. 107. Kühlergütegrad S. 127, 129. Kühlermaterial S. 123. Kühlerprüfung S. 161 Kühlerreparatur S. 174. Kühlerstirnfläche. Berechnung der S. 105. Kühlerwirkung S. 130. Kühlfähigkeit, spezifische S. 121, 122. Kühlfläche. Berechnung der S. 101. Kühlflächenbemessung der Süddeutschen Kühlerfabrik S. 106. KühlflächenbemessuDg von Teves und Braun S. 105 Kühlflächenbemessung von Windhoff S. 105 Kühlrippen. Form der S. 15. Kühlwasseraustrittstemperaturen S. 25,27. Kühl Wasserbedarf S. 19. Kühlwassereinführung nachDr. Praetorius S. 59. Kühlwassereintrittstemperaturen S. 25. Kühlwasserkreislaufkontrolle S. 238. Kühlwassermantel S. 54. 63, 64. Kühlwassermenge S. 125, 126.

Kühlwasserpumpe. Dimensionierung der S. 211. Kühlwasserpumpe des Curtiss- Motors S. 220 » des Fiat-Motors S. 218. » des Isotta Fraschini-Motors S 219. » des Liberty-Motors S. 214 » des Napier-Motors S. 219. » des Bolls Royce S. 216. Kühlwasserverteilung S. 55, 56, 57, 58. Kurbelgehäuse, ventiliertes der Bayrischen Motoren-Werke A.-G. S. 96. • des Benz Flugmotors S. 97 » von Sprater S. 94. » nach Wyss S. 95 Lagerkühlung nach Brown, Boveri u. Co. S. 94. Lamellenkühler S 117, 118, 120. Le Bhone-Motor S. 47 Literleistung S. 13 Lodge-Zündkerze S. 100. Lufteintritts- und Austrittstemperatur am Kühler S. 25. Luftgekühlte Zylinder S. 40. Luftkühlung S. 13. Luftröhrenkühler S. 112, 113, 114, 137. Luftröhrenkühler. Reparatur der S. 174. N S U-Motor S. 41. Öl als Kühlmittel S. 13. Ölkühler S 255, 256, 257, 259. Olkühlung am Selve-Flugmotor S. 261. Ölkühlung am Siemens-Motor S. 253. Oltemperatur im Kurbelgehäuse P u m p e n S. 207. Pumpenantriebe S. 221. Regelung der Kühlung S. 196. nach den Deutschen Flugzeugwerken S. 205 nach Haegele und Zweigle S. 200. nach von der Heyden S. 198. nach Huene S. 197. nach Sonck S. 201 nach der Süddeutschen Kühleriabrik S. 204. nach Teves u. Braun S. 200, 202. nach Windhoff S 147. Renault Kühleranordnung S. 31. Richtung der Kühlrippen S. 40, 41, 46.

IX Kohrleitung d. Ago-Flugzeugwerke S.247. Rohrleitung nach Wyss S. 245. Rohrverbindung der A. G. Hamel S. 248. Rückkühlung S. 23. Salmson-Zylinder S. 66. Scheidenkühler S. 115, 116. Schiebermotor von Lentz S. 51 Schlangenrohrkühler S. 107, 134. Schlauchbinder SKF S. 249. Schlauchklemme S. 248. Semmlersche Heisskühlung S. 37. Siemens Maschinensatz 2 KW S. 33. SociétéNeuchateloise d'Automobiles. Motor der S. 44. Spitzkühler S. 136. Stahlzylinderblock nach Jaenisch S. 67. Temperatur der Fri«chgase S 8. Temperatur d. Zylinderwandung. Mittlere S. 19. Temperaturgefälle im Kühler S. 27. Temperaturunterschied S 35. Thermometeranordnungen S. 2 i7. 238. Thermometer von Schlegelnnlch S. 239 Thermosyphonkühlung S. 27. Tragflächenkühler S. 190. von Seppler S. 151. 152, 193. von Windhoff S. 152. Vakuumkühlung S. 76. Ventilanordnung am Stoewermotor S. 77, 81 Ventilationswiderstand bei Umlaufsmotoren S. 14, 15. Ventilatoranordnung S. 226, 236. Ventilatorberechnung 8. 228. Ventilatornabe S. 22ö. Ventilator des Adlermotors S. 234. » Benzmotors S. 233 »

Ventilator von Loeb u. Co. S. 235. » des Stoewermotors S. 235 Ventile S. 72. Ventilkühlung nach Baer S. 78. » Deutsch S. 73. » » Mees S. 74. der N. A. G. S. 75. nach Philipp S 76. . » Windhoff S. 76. Vergrösserung der wirksamen Kühlfläche S. 199. Wassergekühlter Zylinder S. 53. Wassergeschwindigkeit S. 20, 34. Wassermenge, geförderte S. 207. Wasserstandsglas S. 173. Wärmeleitungskoeffizient S. 89. Wärmemenge, abzuleitende S. 12. 17. Wärmerückstrahlung n. Woodworth S. 9. Wärmeübergang an das Kühlwasser S. 20. Wärmeübergangszahlen S. 19. Widerstandskoeffizienten S. 30. Zweck und Wesen der Kühlung S. 7. Zylinder S 40 Zylinder des Baer-Motors S. 43, 44. von Clerget S. 16, 47, 48. » nach Cohen S. 53. » des Green-Motors S. Cl. y> des Hispano Suiza-Motort S. 69, 70 » des Knox-Motors S. 49. mit Kupfermantel S. 62. » vom Le Rhone-Motor S 16. » » des Salmson-Motors S. 66. der Stock-Motorpflug G. m. b. H. » S. 60. nach Windhoff S. 71. » nach Wyss S. 60.

I. Allgemeines. A. Zweck und Wesen der Kühlung. Der Zweck der K ü h l u n g von V e r b r e n n u n g s m o t o r e n ist der, denjenigen Teil der bei der V e r b r e n n u n g frei w e r d e n d e n W ä r m e a b z u f ü h r e n , welcher schädlich auf den thermischen W i r k u n g s g r a d des Motors und auf konstruktive Einzelteile einwirken würde. Es liegt die G e f a h r nahe, daß sich an einzelnen Stellen Olühheride bilden, welche S p a n n u n g e n im G u ß und infolgedessen die Bildung von Rissen nach sich ziehen. Dies kann zum Beispiel bei G u ß a n h ä u f u n g e n am Ansatz der GaskanäLe des Zylinders v o r k o m m e n . Derartige Stellen müssen daher zur Ableitung der schädlichen W ä r m e gut gekühlt werden. Eine andere Gefahr, welche in de;r ersten Zeit besonders bei leichten V e r b r e n n u n g s m o t o r e n von verhältnismäßig großer Biohrung viel Schwierigkeiten verursachte, ist die, daß- sich bei einer ungen ü g e n d e n K ü h l u n g der Gleitbahn in der Mitte des K o l b e n b o d e n s ein G l ü h h e r d bildet. G a n z abgesehen von den dadurch entstehenden Selbstentzündungen, welche den Betrieb stören, liegt die Möglichkeit nahe, den Kolben bis an seine Gleitfläche zu stark zu erhitzen, so daß im Kolbenboden meist in radikaler Richtung Risse auftreten, deren Bildung von den Explosionen unterstützt wird. Gleichzeitig wird die S c h m i e r u n g der Gleitbahn durch die zu starke E r w ä r m u n g illusorisch, was noch durch ein Festsetzen der Kolbenringe und ein damit v e r b u n d e n e s Durchschlagen von Verb r e n n u n g s g a s e n unterstützt wird. Es findet somit ein Fressen bezw. Sichfestsetzen des Kolbens statt. Über die K ü h l u n g dieser Einzelteile soll später ausführlich gesprochen werden. Die vom Zylinder a b g e f ü h r t e W ä r m e bedeutet einen Verlust an Er. ; n :e, sie m u ß daher so weit als a n g ä n g i g eingeschränkt werden. U m einen hohen thermischen W i r k u n g s g r a d zu erzielen, muß die dem V e r d i c h t u n g s d r u c k zwischen P , und P „ entsprechende Temperatur (siehe Fig. 1) eine möglichst h o h e sein. (Ober das Verhältnis der Stufen des V e r d i c h t u n g s g r a d e s zum ther-

12

I. Allgemeines.

mischen Wirkungsgrade, vgl. Lacoin, Construction et Réglage des Moteurs, S. 39.) Dem steht gegenüber, daß die Temperatur während des Saughubes, mit welcher das Gasgemisch in den Zlylinder einströmt, eine möglichst niedrige sein muß, um eine gute Füllung zu erzielen, da bei Z u f ü h r u n g einer 'kälteren Füllung ein der niedrigeren Temperatur entsprechendes größeres Gewicht des Gases zur Wirkung kommt als bei Z u f ü h r u n g desselben Volumens unfrei demselben Druck bei einer höheren Temperatur desselben.

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Fig. 1.

Aus diesem G r u n d e ist es von Vorteil, daß: bei Motoren für leichte Brennstoffe (Benzin u. Benzol) nur eine geringe Vorwärmung nötig ist. Um die Wärmeabführung vom Verbrennungsraum in möglichst niedrigen Grenzen zu halten, d. h. um die Leistungsfähigkeit des Motors unter sparsamem Brennstoffverbrauch zu erhöhen, werden nach einem Patent von Woodworth die mit den heißen Betriebsgasen in Berührung kommenden Flächen mit einer spiegelnden Schicht überzogen (Fig. 2). Es wird hierbei von folgender Überlegung ausgegangen:

Zweck und Wesen der Kühlung.

13

Bei der chemischen Vereinigung von Wasserstoff und Kohlenstoff mit Sauerstoff wird intensive Wärme frei. Die vibrierenden Gasteilchen erzeugen im umgebenden Äther Wärmewellen. Diese Wellenenergie ist der vierten Potenz der absoluten Temperatur des Gases proportional und h&t das Bestreben, in allen Richtungen von den Gasteilchen auszustrahlen. Sie wird dann von den Zylinderwandungen aufgenommen. Diese Wellenenergie soll nun durch spiegelnde Auskleidungen zurückgestrahlt und wieder von den Gasen im Verbrennungsiraum aufgenommen werden, denen dadurch ihre Energie wiedergegeben wird. Da gasförmige Verbren nun g-sprodukte, welche Wärme ausstrahlen, durch Rückstrahlung dieser Wärme wieder erhitzt werden können, so soll also mittels der

Fig. 2.

Spiegelflächen die adiabatische Volumenänderung der Treibgase ermöglicht und dadurch die vollkommene Umsetzung der Wärme in Arbeit begünstigt werden. In der Darstellung Fig. 2 sind die Wände 20 un'd 20' und der Kolbenboden 21 mit einem galvanoplastischen Überzug bedeckt. Derselbe erstreckt sich soweit über den Verbrennungsraum, als der Kolbenhub reicht, d. h. bis zur untersten Totlage des Kolbens. Bis dahin ist die Gleitbahn etwas erweitert, damit der Überzug nicht mit dem Kol'ben in unmittelbare Berührung kommt. Durch eine derartig geringe Wärmeabführung, wie sie bei dieser Einrichtung beabsichtigt ist, würde bei Schnelläufern eine zu hohe Erhitzung der Ventile des Kolbens und somit auch der Gleit-

14

I.

Allgeraeines.

bahn verursacht werden. Mit letzterer würde eine schlechte Schmierung des K o l b e n s zusammenhängen. Außerdem ist infolge dieser zu starken E r w ä r m u n g ein schlechter volumetrischer W i r k u n g s grad zu befürchten. Dem V o r s c h l a g von W o o d w o r t h gegenüber stehen die Elugmotoren m o d e r n e r Bauart, bei denen verhältnismäßig dünne Zyliinderwände und eine dementsprechende W ä r m e a b l e i t u n g (die Austrittstemperaturen des Kühlwassers aus dem Zylinder beitragen etwa nur 7 0 — 8 0 ° C ) v o r k o m m e n . Energiewerf des Brennstoffes

48% Nutz/eibtun

q. Fig

3

Betrachten wir die Energie Verluste bei einem Autorrlobilmotor an Hand des Energiediagramms Fig. 3, so sehen wir, daß ungefähr 3 5 — 4 0 o/o Energieverluste auf die K ü h l u n g entfallen. N i m m t man einen durchschnittlichen Benzinverbrauch von 0,330 kg/PS/St. (Benzin von etwa 0 , 6 8 0 — 0 , 7 0 0 ) an, so ergibt sich folgende Ü b e r l e g u n g : 1 kg Benzin enthält 1 0 5 0 0 W E ('unter einer Wärmeeinheit ist

Zweck und Wesen der Kühlung.

15

bekanntlich diejenige Wassermenge zu verstehen, welche zur Erwärmung von 1 k g Wasser von 0 ° C auf 1° C notwendig ist.) Da nun ein W E = 427 kgm ist, so sind in 0,330 kg 0,330 • 427 • 10500 kgm enthalten. Dies stellt die Brennstoffenergie dar, welche während einer Stunde entsprechend 1 PS im Verbrennungsraum entwickelt wird. In Wirklichkeit beträgt die Leistung während einer Stunde entsprechend einer Pferdestärke jedoch nur 3600 • 75 kgm. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 3600 - 75 8 /o 0,330 • 427 • 10500 ' Es gehen also etwa 82 o/o der Brennstoffenergie verloren. Der thermische Wirkungsgrad steht daher in Abhängigkeit vom Brennstoffverbrauch und schwankt naturgemäß entsprechend diesem erheblich. So hat z. B. der 160pferdige Siemens-Umlaufmotor Sh 3 einen Brennstoffverbrauch von nur 0,220 kg/PS/Std. Bei diesem Motor errechnet sich der Wirkungsgrad z u : 3600 • 75 ^ 0,220 • 427 " 10500 '*' Einzelne Standmotoren weisen einen Brennstoffverbrauch von nur 0,180 kg/PS/Std. auf. Unter den Verlusten fallen ins Gewicht die Reibungsverluste (etwa 6—7 o/o), Wärme, welche durch die Abgase und durch Strahlung verloren geht, und verlorene Kraft, welche durch Drosselung der Abgase durch die Dämpfung des Auspuffgerälusches verbraucht wird.. Lacoin errechnet, die Auslaßwärme vor dem Auslaßventil auf etwa 1000°. Bei einem Gemisch von 20 kg Luft und 1 kg Brennstoff ergeben sich 21

* 1 0 0 0 = 5250 WE 4 für die herausgeschobenen Gase, wobei die spezifische Wärme mit Vi eingesetzt ist. Dieser Wert beträgt 50% von dem Heizwert eines kg Benzin. Lacoin entnimmt allerdings die grundlegenden Werte einem idealen Diagramm. In Wirklichkeit betragen diese Verluste etwa 30—40o/o. Die größten Verluste werden durch die Kühlung verursacht, und zwar betragen dieselben etwa 35—40o/o. Da bei Kraftfahr-

16

I. Allgemeines.

zeugen der Motor unter wechselnder Belastung arbeitet, so wird infolgedessen ein verhältnismäßig ungünstiger thermischer Wirkungsgrad erreicht. Beim Flugmotor liegen die Verhältnisse vorteilhafter, da derselbe fast dauernd unter Vollast arbeitet. Betrachten wir die abzuleitende Wärmemenge Qw, so ergibt sich ungünstig gerechnet Qw = 0,40 • 0,330 • 10500 • Ne WE/Std. Qw ec 1400 • Ne WE/Std. Es ist hierin der Brennstoffverbrauch für eine PS/Std. = 0,330 kg und der Verlust = 40 o/o gesetzt. Ne bedeutet die Anzahl der PSe des Motors und 10500 ist der Heizwert eines kg Benzins in WE. Wie bereits erwähnt, sind hierbei ungünstige Verhältnisse angenommen. Nach Güldner ist Qw ««• 1000 Ne zu setzen. Man wird jedoch gut tun, ungefähr mit 1200 Nie zu rechnen, wie auch das Beispiel auf Seite IQ zeigt. Die Abführung der Wärme geschieht auf verschiedene Weise. Bei ortsfesten Anlagen und Bootsmotoren ist die Kühlung verhältnismäßig einfach, da man zu diesem Zwecke Frischwasser um die Zylinder strömen lassen kann. Die 'günstigste Menge, d. h. diejenige Menge des vorbeifließenden Frischwassers, welche die beste Leistung des Motors ergibt, kann durch einen Hahn geregelt werden. Bei beweglichen Motoren, also bei Fahrzeug- und Flugzeugmotoren (außer bei Booten) und bei ortsfesten Anlagen, bei denen keine Wasserleitung zur Verfügung steht, muß stets eine Rückkühlanlage oder Luftkühlung Verwendung finden. Die Rückkühlung ist im Grunde genommen auch nur, allerdings mittelbare, Luftkühlung, bei der man durch die Kühlflüssigkeit die Wärme von den Zylindern abführt, um sie in einem geeigneten Kühlgefäß an die Luft abzugeben. Die Ausdrücke „Luftkühlung" für die unmittelbare Kühlung der Zylinder durch Luft und „Wasserkühlung" für die mittelbare Luftkühlung haben sich in der Praxis derart eingebürgert, daß sie in Nachfolgendem beibehalten werden sollen. Eine gewisse Berechtigung f ü r den Ausdruck Wasserkühlung bei einer Rückkühlanlage besteht übrigens insofern, daß die unmittelbare Abfuhr der Wärme von den Zylindern durch Wasser geschieht. Bei verschiedenen Motoren, so z. B. bei Glühkopfmotoren von ungefähr 15 PS an aufwärts, findet man verschiedentlich eine zusätzliche innere Kühlung, welche durch Einspritzen von Wasser in den Verbrennungsraum bewirkt wird. Es wird hierbei durch

17

Kühlsysteme.

das verdampfende Wasser ein Teil der Wärme im Verbrennungsraüm gebunden. Die Verwendung von Öl als Kühlmittel erwies sich namentlich bei Kolben weniger wirksam als Wasserkühlung. (Vg|l. Löffler-Riedler „Ölmaschinen".) Die Ursache liegt in der geringeren spezifischen Wärme des Öles. Es waren größere Ölmengen erforderlich, und dieselben mußten mit erheblichem Überdruck durch die Kühlräume gefördert werden, was schon dadurch bedingt wurde, daß ein Anhaften des Öles und Verkrusten an den heißen Wandungen verhütet werden sollte.

B. Kühlsysteme, a) Luftkühlung.

Unmittelbare Luftkühlung kommt in der Regel nur für Motoren in Betracht, bei denen der Betrieb während einer raschen Vorwärtsbewegung geschieht, welche einen intensiven Luftstrom erzeugt. Diese Bedingung ist bei Fahrrad- und Flugzeugmotoren erfüllt. Man findet jedoch auch kleine luftgekühlte Motore'n, bei denen es auf ein äußerst geringes Gewicht ankommt, bei kleinen tragbaren Stationen, wie sie für Kriegszwecke Verwendung fanden. Als typische Beispiele hierfür sei der später noch näher beschriebene Baermotor und das Bosch-Aggregat von 60 mm Bohrung und 60 mm Hub erwähnt. Letzteres wurde besonders als Betriebsmaschine f ü r Scheinwerfer-Beleuchtung im Schützengraben benutzt. Der Vorteil der Luftkühlung tritt hierbei besonders hervor, da •der vollständige betriebsfertige Maschinensatz nur 70 kg wiegt und an Tragrofiren, welche gleichzeitig als Auspuffleiter dienen, bequem von 2 Mann getragen werden kann. Die Zylinder liegen einander wagerecht «gegenüber. Die Kühlrippen an den Zylindern sind ebenfalls wagerecht angeordnet. Ein zwischen Motor und Dynamo liegendes Gebläse sorgt f ü r eine ausreichende Belüftung der Zylinder. Bei 15—1600 Umdrehungen in der Minute erreicht der Maschinensatz eine Leistung von etwa 0,8 KW. In der Regel findet man bei luftgekühlten Motoren eine geringe Literleistung, da durch die heißen Zylinder und Kanäle der Ladevorgang ungünstig beeinflußt wird. Es gibt hierbei jedoch auch Ausnahmen, so z. B. den 8 Zylinder Renault-Motor von 90 mm Bohrung und 120 mm Hub, welcher in dieser Hinsicht annähernd einem wassergekühlten Motor gleichwertig ist (nähere Daten über diesen Motor siehe Heller, „Motorwagenbau", S. 245). P r a e t o r i u s , Die Kühlung leichter Verbrennungsmotoren.

2

18

I. Allgemeines.

Der Siemens-Umlaufmotor, Sh 3 von 124 m m B o h r u n g u n d 140 m m H u b (11 Zylinder) erreicht eine Literleistung von 12,5 P S

Kühlsysteme.

19

Diese Literleistung steht der von wassergekühlten Motoren, deren Zylinder- und Kolbenkühlung nach den neuesten Gesichtspunkten durchgearbeitet sind, nicht nach. Die bei luftgekühlten Flugmotoren vom Ventilator verzehrte Leistung wird verschiedentlich auf 10—12 o/o der Motorleistung angegeben. Bei Umlaufmotoren mit feststehender Kurbelwelle ist der Luftwiderstand (Ventilationswiderstand), welcher zur Kühlung ausgenutzt wird, bei 1200 Umdrehungen ungefähr 12 o/o der Nettoleistung des Motors. Günstiger liegt der Fall bei dem erwähnten| Siemens-Umlaufmotor. Die Kurve f ü r die Ventilationsverluste dieses Motors ist in Fig. 4 dargestellt, und zeigt, wie außerordentlich) gering die Verluste bei diesem Motor sind. Dieselben betragen in

V i

Fig. 5 a.

Fig. 5 b.

Mittel 4,5—6 o/o der Nettoleistung. Dies rührt in der Hauptsache von der durch' die Gegenläufigkeit von Zylindern und Kurbelwelle ermöglichten niedrigen Drehzahl des Zylindersterns her. Über die Berechnung der Kühlflächen von luftgekühlten Motoren liegen noch keine grundlegenden Werte fest. Lacoin errechnet als günstigste theoretische Form f ü r die Kühlrippen die in Fig. 5 a* dargestellte Ausführung. Als praktische Ausführung schlägt er die Form Fig. 5 b vor, in der e

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1600

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gesetzt ist. Entgegen diesem Vorschlage findet man bei den neueren Ausführungen erheblich geringere Wand- und Rippenstärken, wie z. B. 2*

20

I. Allgemeines.

bei dem Zylinder des Baermotors, Mg. 2o, und den in Fig. 6 und 7 dargestellten Zylinderschnitten.

6. Fig.

Clerget Zylinder.

Fig. 7.

Le Rönne Zylinder-

Die Wärmeabgabe der Rippen ist wesentlich abhängig vom Material und von der Art der Bearbeitung der Oberfläche, d. h., ob

Frischwasserkühiung

21

dieselbe rauh oder glatt ist. W e n n eine Benetzung des Zylinders mit Öl stattfindet, was namentlich bei Umlaufmotoren häufig vorkommt, so ändert sich ebenfalls das Bild. Man ist also bei der Ausbildung der luftgekühlten Zylinder auf eine A n l e h n u n g an bereits bewährte Konstruktionen und auf Versuche angewiesen. In Fig. 6 ist ein Schnitt durch die Kühlrippen des ClergetMotors von 110 PS (9 Zylinder, 120 mm Bohrung, 160 mm Hub) zu sehen und in Fig. 7 ein solcher durch die Kühlrippen der Zylinder des 80 PS Le Rhone-Motors (9 Zylinder, 105 mm B o h r u n g und 140 mm Hub). b) Frischwasserkühiung. Bei ortsfesten Anlagen wird, soweit eine Kühlwasserleitung zur V e r f ü g u n g steht, die überschüssige W ä r m e durch abfließendes Wassier abgeleitet. Bei Bootsmotoren ergibt sich aus der Art des Betriebes die Benutzung von ständig frischem Wasser zur Kühlung. Da bei letzteren namentlich im Winter die Eintrittstemperatur des Kühlwassers eine sehr niedrige ist, so wird dasselbe oftmals vor seinem Eintritt durch Vbrschaltbehälter, durch welche die Abgasleitung g e f ü h r t ist, geleitet, umspült dann das wassergekühlte 1 Abgasrohr, um hierauf erst in den Kühlwassermantel des Zylinders einzutreten. Das Wasser wird auf diese Weise auf etwa 3 5 0 C vorgewärmt. In der Saugleitung muß ein Rückschlagventil angebracht sein, um ein Zurückströmen des Wassers bei einer Betriebspause zu vermeiden. Es ist • angebracht, um die Bildung von Luft-, bezw. Dampfsäcken zu vermeiden, entsprechend der jeweiligen Bauart an der höchsten Stelle des Vorschaltbehälters und der Zylinderköpfe Entlüftungsrohre anzubringen. Zur Regelung der Austrittstemperatur ist ein Drosselhahn vorgesehen. Der Durchfluß, des Wassers wird durch eine P u m p e bewirkt. Vor der Saugleitung muß ein Seiher angebracht werden, um - Unreinigkeiten aus dein Fahrwasser zurückzuhalten. Sowohl bei Frischwasserkühiung als auch bei der später beschriebenen Kreislaufkühlung muß dafür Sorge getragen werden, daß. durch entsprechend angebrachte H ä h n e die Möglichkeit vorliegt, alles Kühlwasser ablassen zu können, da bei einer längeren 1 Betriebspause das einfrierende Kühlwasser die W a n d u n g e n der von ihm durchflossenen Räume sprengt. Zur Erläuterung nachfolgender Berechnung der abgeführten W ä r m e Q w diene Fig. 8.

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I. Allgemeines. Nach Es

der „ H ü t t e " ist: Q w = k • F ( t - t 2 ) • Z, WE, sind: k = W ä r m e ü b e r g a n g s z a h l , W E / m ! . Std. F = w ä r m e a b g e b e n d e F l ä c h e m2, t t = mittlere W ä r m e der V e r b r e n n u n g s g a s e an d e r Zylinderwand, t2 = mittlere W ä r m e des K ü h l w a s s e r s an d e r Z y l i n d e r wand, Z = Z e i t d a u e r des W ä r m e ü b e r g a n g e s in Std.

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flächenkühler leide. Es ist jedoch das Gegenteil der Fall, da der

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IV. Anordnung der Kühler.

Im Flugzeug.

199

W i d e r s t a n d im Verhältnis zu anderen F l u g z e u g k ü h l e r - A n o r d n u n g e n sehr g e r i n g ist. Infolgedessen sind beim Flug in den oberen Schichten n u r geringe Schräglagen der T r a g d e c k e erforderlich, so daß; dieselben mit besserem W i r k u n g s g r a d arbfeiten, was den geringen Ausfall an Tragflächen nicht n u r aufwiegt, sondern noch größere Gipfelhöhen ermöglicht. Fig. 176 zeigt die A n o r d n u n g eines Kühlers von besonderer Form längs über dem Motor nach einem Patent von W i n d h o f f. Bei Sternmotoren u n d a u c h bei einigen Standmotoren findet man mitunter einen kreisförmigen Stirnkühler, welcher unmittelbar vor dem Motor a n g e o r d n e t ist, wie z. ß. bei einigen Flugzeugen;, welche mit 'Salmson-Stern- u n d S t a n d m o t o r e n ausgerüstet sind. Eine eigenartige K ü h l e r a n o r d n u n g an einem Sternmotor ist in Fig. 177 zu sehen (Société Générale D'Aéro-Locomotion). Wir wollen die übrigen Einzelheiten des Motors völlig außer acht lassen und n u r die A n o r d n u n g d e r K ü h l u n g betrachten. Die ganzen Zylinder sind von einem gemeinsamen Wassermantel umgeben Parallel z u r Motorachse wird der Wassermantel von Luftrohren durchzogen, w o d u r c h die R ü c k k ü h l u n g des Wassers im Kühlmantel selbst erfolgen soll. W e n n auch vielllleichit die in der Abb i l d u n g dargestellte A n o r d n u n g eine nicht völlig ausreichende Kühlfläche gibt, so d ü r f t e diese Konstruktion eine A n r e g u n g geben, auf deren G r u n d l a g e eine Gewichtsersparnis durch Vereinigung eines Sternmotors mit einem Kühler zu erzielen wäre.

V. Regelung der Kühlung. Wie bereits erwähnt, wird die beste Leistung eines Motors bei einer bestimmten Austrittstemperatur des Kühlwassers erzielt. Bei Flugmotoren liegt diese Temperatur gewöhnlich bei 75 bis 80 0 C, während man bei Kraftwagenmotoren gewöhnlich bis 90° und noch höher geht. Durch die Regelung der Kühlung wird nun angestrebt, die Austrittstemperatur unter den verschiedenen Betriebsverhältnissen stets in dieser günstigsten Höhe zu halten. Da nun die Rückkühlung des Wassers von der Temperatur der Außenluft abhängig ist, so kommt bei Kraftwagen eine derartige Regelung nur für die kältere Jahreszeit in Betracht. Anders ist dies bei Flugzeugen, da bei diesen die Lufttemperatur mit der Höhe wechselt, was auch in der warmen Jahreszeit von Einfluß ist. Aus diesem G r u n d e ist bei Flugzeugen die Beobachtung der Kühlwassertemperatur durch geeignete Instrumente unerläßlich (siehe Kapitel VIII). Ein bei Flugzeugen in Betracht kommender anderer Gesichtspunkt ist der, daß beim Anflug eine hohe Beanspruchung des Motors stattfindet, und hierbei eine verhältnismäßig geringe Windgeschwindigkeit vorhanden ist, was eine Vergrößerung der wirksamen Kühlfläche erforderlich macht. Beim horizontalen Flug ist namentlich in größeren Höhen, in denen eine niedrigere Temperatur herrscht, eine kleinere wirksame Kühlfläche erforderlich, um die Austrittstemperatur in der günstigsten Höhe zu halten. Beim Gleitflug, während dessen der Motor abgedrosselt und eine hohe Windgeschwindigkeit vorhanden ist, ist theoretisch ebenfalls eine geringere Kühlfläche notwendig. Die' durch diese verschiedenen Betriebsverhältnisse erforderliche Regelung wird gewöhnlich durch Abschalten eines Teils der wirksamen Kühlfläche vollzogen. Bei Kraftwagen ist ein sehr einfaches Mittel, um dies zu erreichen, das Abdecken eines Teiles der Kühlerstimfläche. Dies kann z. B. durch eine Art Vorhang, wie Fig. 178 zeigt (Patent von H u e n e ) , vollzogen werden. Mittels des Windewerkes i und 1 wird der auf der Welle h aufgewickelte Vorhang a durch ein

V. Regelung der Kühlung.

201

Z u g o r k a n k v o r die Kühlerstirnfläche g e z o g e n . G e g e n den W i n d druck wird der V o r h a n g durch ein aus hochkantigen Blechstreifen b e s t e h e n d e s Gitter g abgestützt. Derartige V o r r i c h t u n g e n werden a u c h dazu benutzt, um den Kühler bei starkem Frost während einer B e t r i e b s p a u s e v o r Einfrieren zu schützen, auch ist es f ü r die W i e d e r inbetriebsetzung günstig, das K ü h l w a s s e r nicht zu stark auskühlen zu lassen, da der M o t o r sonst s c h w e r anspringt. V e r w e n d e t man, um einem Zerfrieren von Zylinder und K ü h l e r v o r z u b e u g e n , reines Glyzerin bei T h e r m o s j y p h o n k ü h l u n g , so ist ein W a r m h a l t e n des K ü h l e r s n o c h von b e s o n d e r e m Vorteil, da das kalte Glyzerin zu B e g i n n des Betriebes verhältnismäßig s c h w e r in den Kreislauf eintritt.

A n d e r e Möglichkeiten, um die Stirnfläche abzudecken, werden in Fig. 179 dargestellt (Patent von der H e y d e n ) . Bei der K o n struktion ist von dem G r u n d s a t z a u s g e g a n g e n , eine billige und b e q u e m herzustellende A b d e c k u n g s m ö g l i c h k e i t f ü r verschiedene K ü h l e r f o r m e n zu schaffen. D e r in I mit 1 g e k e n n z e i c h n e t e Halter wird mit seinem r i n g f ö r m i g e n oberen E n d e 2 nach A b n a h m e d e r E i n f ü l i v e r s c h r a u b u n g über den Einfüllstutzen g e s c h o b e n , mit seinem unteren Teil 4 an die Unterseite des Kühlers g e k l e m m t und in

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Regelung der K ü h l u n g .

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