Kühlung (Verbrennungsmotor)

Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor führt hauptsächlich die Wärme ab, die abgegeben wird, weil der Kreisprozess nicht ideal verläuft. Zu hohe Temperaturen würden den Motor beschädigen (Abreißen des Schmierfilms, Verbrennen der Ventile).

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

Luftführung beim VW-Käfer
(blau - Kaltluft, rot - Warmluft)

Luftgekühlter Motor, aufgeschnitten

Bei Motorrädern wird zur Kühlung überwiegend der Fahrtwind ausgenutzt, der zum Motor geleitet wird. Bei feststehenden Motoren, bei Fahrzeugen mit geringer Geschwindigkeit (Mopeds) oder thermisch hoch belasteten Motoren wird häufig zusätzlich ein Lüfter oder Gebläse benutzt. Vertreter 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 1.1 und Lastwagen von Magirus-Deutz und Tatra.

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

Bei einigen Typen, zum Beispiel älteren Deutz-Motoren, wird zusätzlich das Motoröl gekühlt. Dieses wird durch ein spiralförmiges Rohrleitungssystem im "Windkanal" einer Kühlturbine gepumpt.

Der Vorteil der Luftkühlung ist die einfachere und preiswerte Bauweise, zuverlässiger Betrieb (bei Flugzeugen) und – bei Militärflugzeugen wichtig – eine niedrigere Beschussempfindlichkeit sowie ein geringeres Gewicht. Bei tiefen Außentemperaturen gibt es keine Probleme mit dem Einfrieren. Die Nachteile sind höhere Geräuschentwicklung und schlechteres thermisches Verhalten bei hohen spezifischen Leistungen.

Gegenwärtig wird die Luftkühlung hauptsächlich bei Flugmotoren, Motorrädern, Kleinmotoren von Rasenmähern oder Motorsägen verwendet.

Flüssigkeitskühlung

Manuelle Flüssigkeitskühlung eines überhitzten Autos

Moderne Viertaktmotoren werden bis auf wenige Ausnahmen flüssigkeitsgekühlt, wobei in der Regel ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel als Kühlflüssigkeit dient. Daher hat sich im allgemeinen Sprachgebrauch der Begriff Wasserkühlung durchgesetzt. Die Flüssigkeitskühlung bietet gegenüber der Luftkühlung verschiedene Vor- und Nachteile:

• 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. Das System wird dabei durch ein Überdruckventil geschützt.
• Für die Kühlung wird mehr Leistung gegenüber Kühlgebläsen bei der Luftkühlung benötigt.
• Die Heizung bei geschlossenen Kraftfahrzeugen ist denkbar einfach durch einen Heizungswärmeübertrager (Wärmetauscher) möglich.
• Der Motorblock, und damit die notwendigen Gussformen, sind aufwendiger herzustellen.
• Die Flüssigkeitskühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile, und damit den möglichen Verzug, gering. Dies wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen.
• Der Wassermantel wirkt geräuschdämmend.
• Besonders Hochleistungs-Ottomotoren sind an den Zylinderköpfen auf Flüssigkeitskühlung angewiesen, da es sonst vermehrt zu einer Klopfneigung käme.

Ein Wasserkühler/Kühlmittelkühler, der früher oftmals aus Messing, heute zumeist aus Aluminium besteht, ist meist an der Front des Fahrzeuges angebracht, wo der Fahrtwind das durchfließende Kühlmittel abkühlt. Von dort wird das Kühlmittel mit einer Wasserpumpe durch Schläuche in den Motor gepumpt (Zylinderkopf und Motorblock). Da die mechanische Wasserpumpe Antriebsleistung benötigt, werden in modernen Motoren auch elektrische Wasserpumpen (Leistung ~200 W) eingesetzt.

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. Vor/Hinter dem Kühler befindet sich ein heute (2010) meistens elektrisch angetriebener Lüfter, der den Luftstrom auch bei langsamer Fahrt sichert. Der Kühlmittelumlauf wird durch die Wasserpumpe erzeugt. Bei kleinen Pkw wie dem Steyr 50 und Zweirädern (Zündapp KS 50 watercooled) wurde auch die Thermosiphonkühlung verwendet, die ohne Zwangsumlauf auskam und auf dem Prinzip arbeitete, dass warmes Wasser aufsteigt und kaltes nach unten sinkt. Diese Kühlung benötigt größere Querschnitte und ist nicht immer betriebssicher, da besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten der selbsttätige Wasserumlauf nicht ausreicht. 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 Jalousinen 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.

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.

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.

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.

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

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.

Auf Schiffen wird meist das umgebende Wasser zur Kühlung eingesetzt.

Ölkühlung

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

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).

Literatur

• 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

Siehe auch

• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Thermomanagement