Kühlung (Verbrennungsmotor)

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Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor führt hauptsächlich die Wärme ab, die an die Wände von Brennraum und Zylinder abgegeben wird, weil der Kreisprozess nicht ideal verläuft. Zu hohe Temperaturen würden den Motor beschädigen (Abreißen des Schmierfilms, Verbrennen der Ventile). Bei Stirlingmotoren wird die abzuführende Prozesswärme über die Kühlung abgegeben.

Als primäres Kühlsystem werden Luft- und Wasserkühlung verwendet. Außerdem gibt es – meistens bei Luftkühlung – Kühler für das Schmiermittel, um den Motor auf Betriebstemperatur zu halten.

Luftkühlung[Bearbeiten]

Luftführung beim VW-Käfer
(blau: Kaltluft, rot: Warmluft)
Luftgekühlter Motor, aufgeschnitten

Kennzeichnend sind die metallenen Lamellen um den Zylinder und den Zylinderkopf. Die im Verhältnis zur Luft deutlich größere Wärmeleitfähigkeit führt die Wärme ab, die großen Oberflächen begünstigen den Übergang zur umgebenden Luft.

Verwendung[Bearbeiten]

Gegenwärtig wird die Luftkühlung hauptsächlich bei Flugmotoren, Motorrädern, Kleinmotoren von Rasenmähern oder Motorsägen verwendet. Historische Kraftfahrzeuge dieser Motorenbauart sind bei Personenwagen u. a. der Citroën 2CV („Ente"), Honda 1300, Porsche-Modelle 356 und 911 (bis 1998), VW-Bus (bis 1982), alle VW-Käfer, alle Trabant außer Typ 1.1, sowie PKW und LKW von Tatra und LKW von Magirus-Deutz und Robur.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

+ einfache und preiswerte Bauweise
+ schnelles Erreichen der Betriebstemperatur (bei Vorhandensein entsprechender Regulierungsvorrichtungen)
+ kein Einfrieren von Kühlflüssigkeit bei tiefen Außentemperaturen
+ zuverlässiger Betrieb, wartungsfrei
+ bei Flugzeugen und Militärflugzeugen: geringe Beschussempfindlichkeit
+ markante Geräuschentwicklung (kann u.U. ein gewünschter Effekt sein, vor allem bei Sportwagen)

- starke Geräuschentwicklung
- Verteilung der Kühlluft nicht optimal möglich, Motorleistung dadurch begrenzt
- Kühlgebläse, sofern vorhanden, arbeitet mit großem Leistungsaufwand (bis zu 8% der Motorleistung)
- Erfassung der Motortemperatur schlecht möglich
- bei Störungen: Gefahr unkontrollierter Überhitzung des Motors
- Beheizung der Fahrgastzelle schlecht möglich

Bauteile[Bearbeiten]

Kühlgebläse[Bearbeiten]

Zahlreiche Kleinmotoren, aber auch Motorradmotoren kommen meist ohne Gebläse aus. In anderen Anwendungsgebieten dient ein Kühlgebläse zur aktiven Beschleunigung des Wärmeaustauschs. Das Lüfterrad wird meist vom Keilriemen der Lichtmaschine angetrieben, weshalb ein Reißen desselben hier besonders problematisch ist, die Fahrt muss sofort unterbrochen werden. Ein Kühlgebläse kommt außerdem oft zum Einsatz bei stationären Motoren, zum Beispiel in Strom- oder Druckluftaggregaten, bei Fahrzeugen mit geringer Geschwindigkeit (Mopeds) oder anderen thermisch hoch belasteten Motoren.

Kühlluftführung[Bearbeiten]

Die Luft wird – meist von Leitblechen geführt – direkt auf den Motor geblasen. Die Zylinder und Zylinderköpfe luftgekühlter Motoren haben Kühlrippen, um die Wärme abgebende Oberfläche zu vergrößern.

Kühlluftregulierung[Bearbeiten]

Um die optimale Arbeitstemperatur auch bei niedriger Außentemperatur rasch erreichen zu können, haben einige luftgekühlte Motoren thermostatgesteuerte Klappen, beispielsweise die entsprechenden VW-Motoren.

Ölkühler[Bearbeiten]

Bei vielen Typen wird zusätzlich das Motoröl gekühlt. Bei älteren Deutz-Motoren wird es durch ein spiralförmiges Rohrleitungssystem im "Windkanal" einer Kühlturbine gepumpt.

Flüssigkeitskühlung[Bearbeiten]

Moderne Viertaktmotoren werden bis auf wenige Ausnahmen flüssigkeitsgekühlt, wobei in der Regel ein Gemisch aus Wasser und einem Frost- und Korrosionsschutzmittel als Kühlflüssigkeit dient. Daher hat sich im Allgemeinen Sprachgebrauch der Begriff Wasserkühlung durchgesetzt.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

+ Wasser hat einen gleichmäßigen Wärmetransport und kann eine große Wärmemenge abführen. Der Kühlkreislauf wird mit geringem Überdruck betrieben, damit Kühlmitteltemperaturen bis etwa 115 °C möglich sind und Kavitation an Zylinderwänden verhindert wird. Das System wird dabei durch ein Überdruckventil geschützt.
+ Die Flüssigkeitskühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile, und damit den möglichen Verzug, gering. Dies wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen.
+ Für die Kühlung wird weniger Leistung als bei den Kühlgebläsen der Luftkühlung benötigt
+ Die Heizung bei geschlossenen Kraftfahrzeugen ist denkbar einfach durch einen Heizungswärmeübertrager (Wärmetauscher) möglich.
+ Der Wassermantel wirkt geräuschdämmend

- Der Motorblock, und damit die notwendigen Gussformen, sind aufwendiger herzustellen.
- Aufwändige und damit störanfällige Bauweise: Kühler und Wasserpumpe unterliegen Verschleiß, Kühlmittel muss regelmäßig gewartet werden (kann vor allem in tropischen Gebieten ein Problem sein)
- Motor erreicht seine Betriebstemperatur nur langsam, vor allem bei der Thermosiphonkühlung

Kühlmittelkreislauf[Bearbeiten]

Ein Wasserkühler bzw. Kühlmittelkühler, der früher oftmals aus Messing, heute zumeist aus Aluminium besteht, ist meist an der Front des Fahrzeuges angebracht, wo ein Luftstrom das durchfließende Kühlmittel abkühlt. Von dort wird das Kühlmittel mit einer Wasserpumpe durch Schläuche in den Motor gepumpt (Zylinderkopf und Motorblock). Um auch bei geringer Motordrehzahl eine gute Kühlung zu ermöglichen, werden in modernen Motoren elektrische Wasserpumpen (Leistung ~ 200 W) eingesetzt. Der Kühlmittelumlauf wird durch die Wasserpumpe erzeugt. Ein anderes Wirkprinzip mit einfachem Aufbau weist die in der Vergangenheit verwendete Thermosiphonkühlung auf.

Bauteile[Bearbeiten]

Kühler[Bearbeiten]

Die moderne Flüssigkeitskühlung im Pkw besteht aus einem Kühler mit großer Oberfläche, der in der Regel vorn zwischen den Scheinwerfern angebracht ist. Kondensatoren von Klimaanlagen oder Ladeluftkühler werden vor dem Kühler eingebaut.

Kühlerventilator[Bearbeiten]

Vor oder hinter dem Kühler befindet sich ein Lüfter. Klassisch wird der Lüfter über einen Riementrieb mit der Motorkurbelwelle verbunden und benötigt daher umso mehr Leistung, je höher die Motordrehzahl ist. Zur Reduzierung der Leistung verfügen manche Kühlerventilatoren über eine zwischengeschaltete Visco-Kupplung, die die Drehzahl des Ventilators temperaturabhängig regelt. Seit den 1980er Jahren werden Kühlerventilatoren vorwiegend mit Elektromotoren angetrieben, die über einen im Kühler angebrachten Thermoschalter gesteuert werden. Diese Ventilatoren schalten sich nur bei Bedarf zu.

Kühlmittelpumpe[Bearbeiten]

Die Wasserpumpe wird normalerweise über den Zahnriemen, ansonsten über einen Keil- oder Keilrippenriemen angetrieben. Früher wurde der Ventilator ebenfalls so angetrieben und lief ständig mit. Auf der Frontseite des Kühlers wurden auch manchmal Jalousien angebracht, die es in der kalten Jahreszeit mit einem Seilzug vom Fahrersitz aus erlaubten, durch Schließen die Motortemperatur etwas heraufzuregeln. Wo dies nicht möglich war, wurden manchmal auch Kartonplatten provisorisch davor platziert. Heutzutage sind diese Jalousien wieder im Luxussegment anzutreffen (z. B. BMW X5), allerdings elektronisch geregelt. Diese werden aber zur Verbesserung der Aerodynamik verwendet und damit Verbrauchsreduzierung, weniger im Bezug zur Kühlung.

Es gibt aber auch Viscolüfter mit einer temperaturgeregelten Kupplung (Viskokupplung), in der das Drehmoment durch eine hochviskose Arbeitsflüssigkeit ohne Berührung der Kupplungsteile und damit verschleißfrei übertragen wird. Hierdurch wird Kraftstoff gespart, und die Motorleistung ist bei geringerer Lärmemission höher als bei dauerhaftem Lüfterantrieb.

Thermostat[Bearbeiten]

Der Kühlkreislauf, und damit die Motortemperatur, wird durch einen Thermostat geregelt. Solange der Motor nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, ist das Thermostatventil geschlossen, und die Kühlflüssigkeit zirkuliert nur über Motor, Wasserpumpe und Heizungswärmetauscher. Öffnet der Thermostat, so wird der Haupt-Wasserkühler mit in den Kreislauf eingeschlossen, und die eigentliche Kühlung setzt ein. Das Thermostatventil öffnet bei ca. 75 Grad Celsius. Im Luxussegment gibt es mittlerweile auch Motoren mit mehreren Kreisläufen und kennfeldgesteuerten elektrischen Thermostaten.

Übersteigt die Temperatur des Kühlmittels einen weiteren Schwellwert, der typischerweise 90 Grad Celsius beträgt, wird durch einen Thermostatschalter der elektrische Lüfter eingeschaltet. Bei intakter Anlage geschieht dies nur bei langsamer Fahrt. Abhängig von der elektrischen Verschaltung kann der Lüfter auch bei ausgeschalteter Zündung einige Zeit nachlaufen.

Ausdehnungsgefäß[Bearbeiten]

Da sich die Kühlflüssigkeit bei Erwärmung ausdehnt, steigt der Druck im Kühlsystem. Um diesen Effekt auszugleichen, ist ein Ausgleichsbehälter/Ausdehnungsgefäß in den Kühlkreislauf integriert, der das überschüssige Kühlmittel aufnimmt und bei Bedarf wieder abgibt. Durch das Erhöhen des Systemdruckes steigt gleichzeitig der Siedepunkt des Kühlmittels.

Kühlmittel[Bearbeiten]

Die Flüssigkeitskühlung hat auch verschiedene Nachteile: Bei großer Kälte kann das Kühlmittel einfrieren und den Motorblock zum Platzen bringen. Um ein Einfrieren des Systems bei niedrigen Außentemperaturen zu vermeiden, müssen besondere Zusätze in das Kühlwasser gegeben werden. Diese sogenannten Frostschutzmittel verhindern auch die Rostbildung im Motorinneren. Meist wird ein Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmedium verwendet.

Gesamt-Zuverlässigkeit[Bearbeiten]

Durch zusätzliche Fehlermöglichkeiten wie undichter Kühlkreislauf, Defekte an Wasserpumpe, Kühler, Riemen oder Thermostat sinkt die Zuverlässigkeit.

Kabinenheizung[Bearbeiten]

Außerdem wird das warme Kühlwasser zusätzlich für die Fahrzeugheizung verwendet. Diese kann in begrenztem Maße auch zur Motorkühlung eingesetzt werden, wenn der Thermostat und/oder der Lüfter defekt sind: Durch den Betrieb der Innenraumheizung auf hoher Gebläsestufe und hoher Temperatureinstellung wird der maximale Luftstrom durch den Wärmetauscher geführt und so dem Kühlkreislauf des Motors erhebliche Wärmemengen entzogen.

Ölkühlung[Bearbeiten]

Der Begriff wird gleichermaßen benutzt für:

  • Bei Elektrogeräten ist häufig eine Wasserkühlung nicht möglich, da Wasser mehr oder minder leitend ist (Siehe auch: Ölkühlung).
  • Als Sonderform der Flüssigkeitskühlung (umgangssprachlich Wasserkühlung) wird an einem Verbrennungsmotor als Kühlmedium Öl statt Wasser verwendet, z. B. beim Deutz FL1011. Dabei wird das bereits vorhandene Schmieröl auch zur Kühlung der Zylinderbuchsen oder auch zusätzlich für die der Zylinderköpfe benutzt.
  • Bei höher belasteten Motoren ist Kolbenkühlung durch Schmieröl (Kolbenboden-Spritzölkühlung) üblich, aber auch die Kühlung von Nebenaggregaten (z. B. Lagerung der Turbinenwelle bei Abgasturboladern).
  • Wenn über die Kurbelgehäuseoberfläche nicht ausreichend Wärme abgeführt werden kann, wird für das Schmieröl eine Kühlung notwendig (Details siehe unten).

Um die Schmiereigenschaften des Motoröls zu erhalten, ist eine geregelte Wärmeabfuhr erforderlich. Als übliche Grenze gelten 120 °C; darüber gilt als Faustregel, dass sich je 10 Grad Temperaturerhöhung die Lebensdauer des Öls halbiert. Aus diesem Grund haben viele Motoren Öl-Luft-Wärmetauscher (Ölkühler) oder einen Öl-Wasser-Wärmetauscher, je nachdem, an welches Medium die Wärme übertragen werden soll.

Weitere Kühlsysteme[Bearbeiten]

Das Motorkühlsystem ist nicht immer das einzige Kühlsystem in einem Motor bzw. Fahrzeug. Zusätzlich können noch separate Systeme für die Ladeluft, das Motoröl, das Getriebeöl, das Lenkgetriebeöl, oder den Kraftstoff eingebaut sein. Bei Hybridfahrzeugen existiert meist ein weiteres Kühlsystem zur Kühlung von Elektromotoren/Generatoren und deren Leistungselektronik (z. B. Inverter, Umrichter).

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage, Bildungsverlag EINS, Troisdorf, 2005, ISBN 3-427-04522-6
  • Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
  • Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3
  • Luft- oder Wasserkühlung. In: Kraftfahrzeugtechnik 9/1959, S.380-383 und 10/1959, S.430-431.