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Kühlung (Verbrennungsmotor)
Aus Kefk.
Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor dient hauptsächlich zur Abführung der überschüssigen Wärme, die beim Durchlaufen des Kreisprozesses entsteht.
Hauptsächlich kommen Luft- und Wasserkühlung als Primärkühlsystem zur Anwendung. Daneben wird jedoch auch die Kühlung durch das Schmiermittel genutzt, um den Motor auf einer günstigen Betriebstemperatur zu halten.
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Luftkühlung
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Hierbei wird überwiegend der Fahrtwind ausgenützt, der zum Motor geleitet wird. Um auch bei Stillstand oder geringer Geschwindigkeit des Fahrzeugs wirksam ausreichend Kühlung zu gewährleisten, wird häufig zusätzlich ein Lüfter beziehungsweise Gebläse benutzt. Die Luft wird direkt auf den Motor geblasen. Dieser muss an Zylindern und Zylinderkopf genug Oberfläche bieten, um die Wärme wirkungsvoll abführen zu können; dafür werden Kühlrippen eingesetzt.
Der Vorteil der Luftkühlung ist die einfachere und preiswerte Bauweise, zuverlässiger Betrieb (bei Flugzeugen) und – bei Militärflugzeugen wichtig – eine niedrigere Beschussempfindlichkeit, sowie geringeres Gewicht. Bei tiefen Außentemperaturen gibt es weniger Probleme mit dem Einfrieren. Die Nachteile sind höhere Geräuschentwicklung und schlechteres thermisches Verhalten im Hochleistungsbereich.
Verwendet wird die Luftkühlung hauptsächlich bei Flugmotoren, Motorrädern, Kleinmotoren von Rasenmähern oder Motorsägen.
Wasserkühlung
Moderne Viertaktmotoren werden bis auf wenige Ausnahmen wassergekühlt. Sie bietet gegenüber der Luftkühlung verschiedene Vorteile. Wasser gewährleistet einen gleichmäßigen Wärmetransport, und kann eine große Wärmemenge abführen. Der Wasserkreislauf 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 kaum Leistung benötigt, gegenüber Kühlgebläsen bei der Luftkühlung. Eine Gestaltung der Heizung ist denkbar einfach durch einen Heizungswärmübertrager möglich. Die Motorblockgestaltung, und damit die notwendigen Gussformen, sind leicht herzustellen. Die Wasserkühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile, und damit den möglichen Verzug, gering. Dies wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen. Der Wassermantel wirkt zudem geräuschdämmend. Insbesondere Hochleistungs-Ottomotoren sind im Bereich der Zylinderköpfe auf Wasserkühlung angewiesen, da es sonst vermehrt zu einer Klopfneigung käme.
Ein Wasserkühler/Kühlmittelkühler, der früher oftmals aus Messing, heute zumeist aus Aluminium gebaut wird, 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 bis zu 2 kW Antriebsleistung benötigt, werden in modernen Motoren auch elektrische Wasserpumpen (Leistung ~200W) eingesetzt.
Die moderne Wasserkühlung im Pkw besteht aus einem Kühler mit großer Oberfläche, der in der Regel vorn zwischen den Scheinwerfern angebracht ist. Etwaige Kondensatoren von Klimaanlagen sind noch vor dem Kühler angebracht. Hinter dem Kühler befindet sich ein Lüfter, der den Luftstrom auch bei langsamer Fahrt sichert. Der Wasserumlauf wird durch die Wasserpumpe erzeugt. Früher gab es auch eine Thermosyphonkühlung, die ohne Zwangsumlauf auskam, und auf dem Prinzip arbeitete, dass warmes Wasser aufsteigt und kaltes nach unten sinkt. Diese Kühlung benötigte größere Querschnitte und war nicht betriebssicher. Die Wasserpumpe wird normalerweise über einen Keil- oder Zahnriemen 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 zu regeln. Wo dies nicht möglich war, wurden manchmal auch Kartonplatten provisorisch davor platziert.
Zum Einsatz kommen aber auch Viscolüfter. Diese besitzen eine temperaturgeregelte Kupplung (Viskokupplung), in der das Drehmoment durch eine hochviskose Arbeitsflüssigkeit ohne Berührung der Kupplungsteile und damit verschleißfrei übertragen wird. Hierdurch wird Kraftstoff gespart, und man verfügt über eine höhere Motorleistung bei geringerem Motorlärm.
Der Kühlkreislauf, und damit die Motortemperatur, wird durch einen Thermostat geregelt. Solange der Motor nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, ist das Thermostatventil geschlossen, und das Wasser zirkuliert nur über Motor, Wasserpumpe und Heizungswärmeübertrager. Öffnet das Thermostat, so wird der Haupt-Wasserkühler mit in den Kreislauf eingeschlossen, und die eigentliche Kühlung setzt ein. Das Thermostatventil öffnet bei ca. 85 Grad Celsius.
Übersteigt die Temperatur des Kühlwassers einen weiteren Schwellwert, der typischerweise 100 Grad beträgt, wird durch einen Thermostatschalter der Lüfter eingeschaltet. Bei intakter Anlage geschieht dies nur bei langsamer Fahrt. Abhängig von der elektrischen Verschaltung kann der Lüfter auch bei ausgeschalteter Zündung nachlaufen. Kühltechnisch ist dieser Effekt unbedeutend, da wegen der stillstehenden Wasserpumpe nur das Wasser im Kühler, nicht jedoch im Motor gekühlt wird,
Da sich Wasser bei Erwärmung ausdehnt, steigt der Wasserdruck. Um diesen Effekt auszugleichen, befindet sich ein Ausgleichsbehälter/Ausdehnungsgefäß im Kühlkreislauf, der das überschüssige Kühlmittel aufnimmt und bei Bedarf wieder abgibt. Durch das Erhöhen des Systemdruckes steigt gleichzeitig der Siedepunkt des Kühlmittels.
Die Wasserkühlung 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 verbessern darüber hinaus die Schmier -und Reinigungseigenschaften des Kühlmittels, und verhindern die Rostbildung im Motorinneren. Meist wird ein Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmedium verwendet.
Durch zusätzliche Fehlermöglichkeiten, wie undichter Kühlkreislauf, Defekte an Wasserpumpe, Kühler, Thermostat sinkt die Zuverlässigkeit.
Als Nebeneffekt wird das warme Wasser für die Fahrzeugheizung verwendet. Diese kann in begrenztem Maße auch zur Motorkühlung eingesetzt werden, wenn der Thermostat und/oder der Lüfter defekt sind.
Auf Schiffen kann das umgebende Wasser zur Kühlung eingesetzt werden.
Ölkühlung
Siehe auch: Ölkühlung
Der Schmierstoff Motoröl wird zum Teil erwärmt (z.B. bei der Kolbenkühlung) und erhitzt sich zum anderen Teil bei der Schmierung selbst (z.B. in Gleitlagern). Um die Schmiereigenschaften des Motoröls zu erhalten ist daher eine geregelte Wärmeabfuhr erforderlich. Als übliche Grenze gelten 120°C, darüber gilt als Faustregel, dass sich je 10°C Temperaturerhöhung die Lebensdauer des Öls halbiert. Aus diesem Grund besitzen viele Motoren Öl-Luft-Kühler oder einen Öl-Wasser-Kühler, je nachdem, an welches Medium die Wärme übertragen werden soll. Die Öl-Wasser-Kühlung bringt den Vorteil, dass sich das Öl beim Kaltstart schneller erwärmen kann. Durch die höhere Temperatur wird das Öl dünnflüssiger und bringt dem Motor einen Verbrauchsvorteil.
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.
