Kühlung (Verbrennungsmotor)

Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor führt hauptsächlich die Wärme ab, die vom heißen Gas an die Wände von Brennraum und Zylinder abgegeben wird, da der Kreisprozess nicht ideal verläuft. Im Vergleich zu Elektromotoren ist der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gering und erfordert eine entsprechend hohe Kühlleistung, da zu hohe Temperaturen den Motor beschädigen können, z. B. durch Abreißen des Schmierfilms (Kolbenfresser) oder durch das Verbrennen der Ventile. Bei Stirlingmotoren wird die abzuführende Prozesswärme über die Kühlung abgegeben.

Als primäres Kühlsystem werden Luft- und Wasserkühlung verwendet. Mit einem Ölkühler wird zusätzlich oft – meistens bei Luftkühlung – über das Schmiermittel gekühlt.

Luftkühlung

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

Verwendung

Allgemein wurde der luftgekühlte Verbrennungsmotor durch flüssigkeitsgekühlte Ausführungen stark verdrängt. In Kraftfahrzeugen wird er noch bei einigen Motorrädern angewendet. Hersteller wie Harley-Davidson, Buell, Ducati, Moto Guzzi oder BMW haben oder hatten zahlreiche Modelle mit Luftkühlung im Programm, allerdings sind im Zuge der Euro-4-Abgasnorm viele Hersteller zur Wasserkühlung übergegangen.

Personenkraftwagen mit Luftkühlung waren grundsätzlich mit einem Gebläse ausgestattet. Derartige Fahrzeuge wurden zuletzt noch in Gestalt des Porsche 911 mit 6-Zylinder-Boxermotor (bis 1998) und Tatra 700 mit 8-Zylinder-V-Motor (bis 1999) hergestellt. Weitere historische PKW mit luftgekühltem Motor sind unter anderem Tatra 77 und VW Käfer, sowie Citroën 2CV („Ente“), Trabant (außer Typ 1.1), Citroën GS und Honda 1300, wobei Letzterer das Konzept eines luftgekühlten Fronttrieblers mit doppelwandigen Zylindern und einer Literleistung von 74 PS/l auf die Spitze trieb.

Ein bekannter luftgekühlter Kleintransporter war der VW-Bus (VW T1/T2, im VW T3 bis 1982). Auch einige LKW wurden in der Vergangenheit mit luftgekühlten (Diesel-)Motoren ausgestattet, darunter Magirus-Deutz und Faun (mit Deutz-Motoren). Robur stellte luftgekühlte Lastwagen sowohl mit Diesel- als auch Ottomotor her. Tatra produziert Lkw mit luftgekühlten Motoren auf Kundenwunsch bis heute für extreme Einsatzgebiete.

Bis heute werden viele Stationär- und Industriemotoren luftgekühlt gebaut. Darunter auch in Propellerflugzeugen und in RC-Cars mit Verbrennungsmotor sowie Kleinmotoren von Rasenmähern oder Motorsägen. Diese Motoren kommen häufig, wie auch einige Motorradmotoren, ohne Gebläse aus.

Vorteile

• Einfache und preiswerte Bauweise durch geringe Anzahl beteiligter Komponenten
• Schnelles Erreichen der Betriebstemperatur (bei Vorhandensein entsprechender Regulierungsvorrichtungen)
• Klimatisch unabhängig: Kein Einfrieren von Kühlflüssigkeit bei tiefen Außentemperaturen, kein Wasserbedarf in heißen und/oder wasserarmen Regionen
• Zuverlässiger Betrieb, weitgehend wartungsfrei
• Bei Militärflugzeugen geringere Beschussempfindlichkeit
• geringes Gewicht bei Verwendung kurzer Kühlrippen (z. B. Honda 1300)

Nachteile

• Große Geräuschemissionen aufgrund des fehlenden geräuschdämmenden Wassermantels. Eine Lösung des Problems erzielte Honda mit dem 1300 mit doppelwandigen Zylindern. Bei Sportwagen kann die Geräuschentwicklung auch ein gewünschter Effekt sein.
• Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und einem Festkörper ist um etwa Faktor 50 bis 100 niedriger als der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wasser und einem Festkörper. Daher starke Verrippung der Zylinderoberfläche und ggf. ein kräftiges Gebläse notwendig. Auch dieser Nachteil wurde beim Honda 1300 vermieden.
• Verteilung der Kühlluft nicht optimal möglich, Motorleistung dadurch begrenzt. Kühlgebläse, sofern vorhanden, arbeitet daher mit recht hohem Leistungsaufwand (bis zu 8 % der Motorleistung), der größer als der einer Wasserpumpe ist
• Erfassung der Motortemperatur schlecht möglich, dadurch Gefahr unbemerkter Überhitzung des Motors
• Größere Schwankungen der Betriebstemperatur abhängig von der Außentemperatur
• Größere Kolbenspiele erforderlich und somit anfälliger für Kolbenkippen
• Begrenzt wirksame und ungleichmäßige Beheizung der Fahrgastzelle
• Weitere Nachteile des luftgekühlten Viertaktmotors: Ggf. zusätzlicher Ölkühler mit Thermostat erforderlich; Bauteile wie Kanäle, Ventile (Ventilwinkel), Zündkerzen und Einspritzdüsen können konstruktiv nicht beliebig so angeordnet werden, wie es ein optimales innermotorisches Abgasverhalten erfordern würde, wodurch die Einhaltung von modernen Abgasvorschriften erschwert wird. Ebenso können thermisch hoch belastete Zonen wie der Bereich zwischen den Auslassventilsitzen und Zündkerzen bei mehrventiligen Anordnungen mit Flüssigkeitskühlung besser beherrscht werden, was ein höheres Verdichtungsverhältnis ohne Klopfgefahr zugunsten der Abgas- und Verbrauchswerte erlaubt. Luftgekühlte Zweitaktmotoren sind jedoch keine Alternative, da diese aus anderen Gründen ein schlechtes Abgasverhalten zeigen.

Bauteile

Kühlgebläse

Viele Motorradmotoren kommen ohne Gebläse aus (Fahrtwindkühlung). In anderen Anwendungsgebieten beschleunigt ein Kühlgebläse den Wärmeaustausch. Verbreitet sind Kühlgebläse bei stationären Motoren, zum Beispiel in Strom- oder Druckluftaggregaten, bei Fahrzeugen mit geringer Geschwindigkeit oder anderen thermisch hoch belasteten Motoren. Das Lüfterrad sitzt meist direkt auf der Kurbelwelle. Wenn es über einen Keilriemen angetrieben wird, fällt die Kühlung unmittelbar aus, wenn dieser reißt, muss der Betrieb des Motors sofort unterbrochen werden.

Kühlluftführung

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

Kühlluftregulierung

Um auch bei niedriger Außentemperatur rasch die Betriebstemperatur zu erreichen, haben einige luftgekühlte Motoren thermostatgesteuerte Klappen, beispielsweise die entsprechenden Volkswagen-Motoren.

Ölkühler

Bei vielen Typen wird zusätzlich das Motoröl gekühlt. Bei älteren Deutz-Motoren wird es durch ein spiralförmiges Rohrleitungssystem im „Windkanal“ des Kühlgebläses gepumpt.

Galerie

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  Luftgekühlter Motor unter der „Alligatorhaube“ eines Magirus-Deutz Rundhaubers
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  Luftgekühlter V10-Motor des Tatra 815
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  Prototyp eines luftgekühlten W18-Motors von Tatra (1943)
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  Luftgekühlter Motor von VW im Querschnitt
• 
  Luftgekühlter Porsche-Motor im Typ 550 Spyder
• 
  Luftgekühlter Vierzylinder-Reihenmotor einer Yamaha XJR 1300
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  Luftgekühlter V2-Motor eines Buell XB-Modells
• 
  Stark verrippter Zylinderkopf eines fahrwindgekühlten Kleinkraftrads, hier: NSU Quickly

Flüssigkeitskühlung

(c) Lokal_Profil and KVDP, CC BY-SA 2.5

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.

Vorteile

• 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. Das wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen.
• Für die Flüssigkeitskühlung wird weniger Leistung als für die Kühlgebläse der Luftkühlung benötigt.
• Die Heizung bei Fahrzeugen mit geschlossener Fahrgastzelle ist einfach durch einen Heizungswärmeübertrager möglich.
• Der Wassermantel wirkt geräuschdämmend.

Nachteile

• Der Motorblock und damit die notwendigen Gussformen sind aufwändiger herzustellen.
• Aufwändige und damit störanfälligere Bauweise: Kühler und Kühlmittelpumpe unterliegen Verschleiß, Kühlmittel muss regelmäßig ersetzt werden (kann vor allem in tropischen Gebieten ein Problem sein).
• Der Motor erreicht seine Betriebstemperatur nur langsam, vor allem bei der Thermosiphonkühlung.
• Höherer Systempreis, da mehr Komponenten als bei der Luftkühlung nötig sind.
• Geringere Zuverlässigkeit durch höhere Anzahl an Schläuchen, Leitungen und Komponenten
• Höheres Gewicht als bei der Fahrtwindkühlung

Kühlmittelkreislauf

Ein Wasser- bzw. Kühlmittelkühler – früher oft aus Messing, heute meist aus Aluminium – ist meist an der Front des Fahrzeuges angebracht, wo ein Luftstrom das durchfließende Kühlmittel abkühlt. Von dort wird das Kühlmittel mit einer Kühlmittelpumpe über Schläuche durch den Motor gepumpt (Zylinderkopf und Motorblock). Thermisch stark beanspruchte Anbauteile des Motors wie Abgasturbolader, Generator oder der Abgasrückführkühler können in den Kühlmittelkreislauf mit eingebunden sein. In modernen Motoren werden häufig elektrische Kühlmittelpumpen (Leistung ~ 200 W) mit regelbarer Förderleistung eingesetzt. Sie haben eine wesentlich geringere Leistungsaufnahme als mechanisch angetriebenen Pumpen und ermöglichen dadurch einen geringeren Kraftstoffverbrauch.

Ein anderes Wirkprinzip mit einfachem Aufbau hat die in der Vergangenheit verwendete Thermosiphonkühlung.

Bauteile

Kühler

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

Kühlerventilator

Vor oder hinter dem Kühler befindet sich ein Lüfter. In der Vergangenheit war der Lüfter über einen Riementrieb mit der Motorkurbelwelle verbunden und benötigt daher umso mehr Leistung, je höher die Motordrehzahl ist.

Manche Kühlerventilatoren werden über eine zwischengeschaltete Visco-Kupplung angetrieben, die die Drehzahl des Ventilators temperaturabhängig regelt. In der Visco-Kupplung wird das Drehmoment durch eine hochviskose Arbeitsflüssigkeit ohne mechanische Verbindung der Kupplungsteile und damit verschleißfrei übertragen. Dadurch wird Kraftstoff gespart, und die Motorleistung ist bei geringerer Lärmemission höher als bei dauerhaftem Lüfterantrieb.

Seit den 1980er Jahren werden Kühlerventilatoren vorwiegend mit Elektromotoren angetrieben, die über einen im Kühlkreislauf angebrachten Thermoschalter gesteuert werden. Diese Ventilatoren schalten sich nur bei Bedarf zu. Je nach Größe des Motors gibt es meistens einen oder zwei Ventilatoren, die einzeln oder gemeinsam laufen, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, abhängig von der Kühlmitteltemperatur. Der Ventilator saugt die kühlere Außenluft an und drückt sie durch die Kühlrippen des Wasserkühlers. Besonders im Stand bzw. geringeren Geschwindigkeiten ist das von besonderer Bedeutung.

Bei manchen Autos laufen die Ventilatoren auch bei abgestelltem Motor, solange das Kühlwasser noch heiß ist. Der Motor wird dabei aber nur dann deutlich gekühlt, wenn die Kühlmittelpumpe ebenfalls weiterläuft (siehe nächster Abschnitt).

Der erste Serienwagen mit temperaturgesteuertem Lüfter war der Peugeot 403.

Kühlmittelpumpe

Kühlmittelpumpe aus einem Citroën Jumper

© Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

Ansicht von der Seite

© Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)

geöffnet

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 gelegentlich Jalousien angebracht. Durch einen Seilzug vom Fahrersitz aus hatte der Fahrer die Möglichkeit, diese Jalousien zu schließen und damit in der kalten Jahreszeit die Motorentemperatur leicht zu erhöhen. Wo das nicht möglich war, wurden manchmal auch Kartonplatten provisorisch davor platziert. Heute sind diese Jalousien wieder im Luxussegment anzutreffen (zum Beispiel BMW X5), allerdings elektronisch geregelt. Sie sollen aber mehr den Luftwiderstand und damit den Verbrauch verringern als die Kühlwirkung verstärken.

In modernen PKWs werden auch vermehrt elektrische Kühlmittelpumpen eingebaut, die im Gegensatz zu mechanischen Pumpen bedarfsgerecht sowie drehzahlunabhängig geregelt werden und daher zur Kraftstoffersparnis beitragen. Des Weiteren können sie auch bei abgestelltem Motor betrieben werden und diesen weiter kühlen oder bei Bedarf die Heizung mit warmem Wasser versorgen.

Thermostat

Der Kühlkreislauf, und damit die Motortemperatur, wird durch einen Thermostat geregelt. Der Thermostat teilt den Kühlmittelstrom auf den Kühler und eine Kurzschlussleitung auf. Letztere leitet das Kühlmittel ungekühlt zum Motor zurück. Solange der Motor nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, ist das Ventil zum Kühler geschlossen, und die Kühlflüssigkeit zirkuliert über Motor, Kurzschlussleitung, Wasserpumpe und Heizungswärmeübertrager. Öffnet der Thermostat, je nach Fahrzeug und Motor zwischen 75 °C und 88 °C, so wird ein Teil des Stroms zum Wasserkühler geleitet, und die Kühlung setzt ein. Ab einer bestimmten Temperatur ist die Kurzschlussleitung geschlossen und der gesamte Strom geht durch den Kühler. Der Thermostat arbeitet in der Regel mit einer Dehnstoffpatrone, die ein spezielles Wachs enthält, das im Temperaturbereich der Regelung einen Phasenübergang durchmacht und dabei sein Volumen ändert. Im Luxussegment gibt es mittlerweile auch Motoren mit mehreren Kreisläufen und kennfeldgesteuerten elektrischen Thermostaten.

Der Thermostat kann am Motorausgang oder -eingang angeordnet sein. Im ersten Fall, der am häufigsten ist, reagiert der Thermostat auf die Temperatur des aus dem Motor kommenden Wassers und teilt es auf Kühler und Kurzschlussleitung auf. Im zweiten Fall ist er an der Zusammenführung der beiden Teilströme angeordnet und reagiert auf die Temperatur des Mischwassers aus beiden Strömen; diese Bauform wurde unter anderem bei den Mercedes-Benz Dieselmotoren OM 601 bis 603 angewandt. Der Vorteil ist, dass die Temperatur des zum Motor fließenden Wassers nicht plötzlich abfällt, wenn bei Erreichen der Betriebstemperatur die Leitung zum Kühler geöffnet wird und kaltes Wasser aus dem Kühler zugemischt wird, denn der Thermostat reagiert sofort darauf. Bei Anordnung am Motorausgang hat man hingegen eine Verzögerung im Regelkreis, denn bei Änderung der Thermostatstellung muss das Mischwasser erst durch den Motor fließen, bis es den Thermostat erreicht und dieser auf den Effekt der Änderung reagieren kann.

In der Anfangszeit wurden flüssigkeitsgekühlte Motoren zum Teil ohne Thermostat und damit ohne Regelung der Kühlwirkung gebaut. Später kamen Drosselthermostate zum Einsatz, die bei kaltem Motor den Kühlmittelfluss reduzieren, ohne eine Kurzschlussleitung zu öffnen. Ab etwa den 1960er Jahren haben alle besseren wassergekühlten Automobile eine Kurzschlussleitung.

Ausdehnungsgefäß

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

Die Flüssigkeitskühlung hat auch verschiedene Nachteile: Bei großer Kälte kann das Kühlmittel einfrieren und den Motorblock zum Platzen bringen. Um Schäden am teuren Motorblock zu vermeiden, können im Kühlmantel Bohrungen angebracht werden, die mit eingepressten Froststopfen aus Blech verschlossen werden.^[1] 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-Ethylenglycol-Gemisch als Kühlmittel verwendet.

Gesamt-Zuverlässigkeit

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

Kabinenheizung

Das warme Kühlwasser wird 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 Wärmeübertrager geführt und so dem Kühlkreislauf des Motors erhebliche Wärmemengen entzogen.

Ölkühlung

Der Begriff wird gleichermaßen benutzt für:

• Bei Elektrogeräten ist häufig eine Wasserkühlung nicht möglich, da Wasser mehr oder minder elektrisch 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. Die optimale Öltemperatur liegt bei etwa 90 °C; als übliche obere Grenze gelten 120 °C.^[2] 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.

Verdampfungskühlung

Das Prinzip der Verdampfungskühlung wurde in der Vergangenheit auch zur Kühlung von Verbrennungsmotoren verwendet. Teilweise wurden auch Kraftfahrzeuge mit diesem Kühlsystem ausgestattet, darunter frühe Traktoren von Lanz Bulldog und der Multicar M21.

Kombinierte 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, den Kraftstoff oder die Abgasrückführung eingebaut sein.

Der Außenbordmotor Honda BF2A hat eine Luftkühlung mit Gebläse für den Zylinder und den Zylinderkopf und zusätzlich eine Seewasserkühlung mit Impellerpumpe für das Auspuffsystem.

Bei Hybridfahrzeugen existiert meist ein weiteres Kühlsystem zur Kühlung von Elektromotoren/Generatoren und deren Leistungselektronik (z. B. Inverter, Umrichter).

Siehe auch

• Kühlergrill
• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Thermomanagement

Literatur

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

Einzelnachweise

1. ↑ Froststopfen. In: kfz-tech.de. Abgerufen am 30. November 2022. 
2. ↑ Wann ist Motoröl zu heiß? auf Motoroel.de, abgerufen am 13. November 2021