Motorkühlung

Die Werkstoffe der Motorbauteile und das Schmieröl im Motor verfügen nur über eine begrenzte Hitzebeständigkeit. Die Wärme, die durch den Verbrennungsvorgang an die Bauteile des Motors übergegangen ist, muss an die Umgebungsluft abgeführt werden. Der Motor muss gekühlt werden.

Grundsätzlich unterscheidet man luftgekühlte und wassergekühlte Motoren. Beide Verfahren, sowie die verschiedenen Kühlmittelkreisläufe und Lüfterbauformen, werden auf den nächsten Seiten erläutert. Das Standartsystem für Nfz. Ist die Pumpen- bzw. Zwangsumlaufkühlung. Die Durchströmung von Zylinderblock erfolgt meist im Querstromprinzip mit diagonal angeordneten Zu- und Abläufen.

Diagonaldurchströmung des Zylinderblocks

Wärmeübertragung

Die im Öl und den Motorbauteilen befindliche Wärme wird von den überströmenden Medien (Wasser oder Luft) aufgenommen und an die Umgebung abgegeben. Für eine hohe Kühlwirkung des Kühlsystems ist es wichtig, die Wärmeübertragung durch hohe Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels sowie maximale Berührungsflächen zu optimieren. Der Einsatz von großflächigen Leicht-metallkühlern begünstigt die Wärmeübertragung und sorgt für geringes Gewicht der gesamten Kühlanlage. Durch die Kühlung gehen zwischen 25% und 30% der möglichen nutzbaren Energie des Kraftstoffs verloren. Sie wird in Form von Wärme an die Umwelt abgeführt.

Eine gute Kühlung ermöglicht:

1 Verbesserte Zylinderfüllung 1 Höhere Verdichtung

1 Höhere Leistung bei niedrigerem 1 Gleichmäßige

Kraftstoffverbrauch Betriebstemperaturen.

Luftkühlung

Bei der Luftkühlung wird die abzuführende Wärme von den Motorteilen direkt an die umspülende Umgebungsluft abgegeben.

Vorteile der Luftkühlung im Vergleich mit der Wasserkühlung sind:

1 Einfacher, kostengünstiger Aufbau 1 Geringeres Gewicht

1 Höhere Betriebssicherheit 1 Geringe Wartung

1 Schnelles erreichen der Betriebstemperatur

1 Höhere Betriebstemperatur (höher als der Siedepunkt des Kühl- mittels bei vergleichbarem Systemdruck einer Wasserkühlung)

Die Luftkühlung hat aber auch Nachteile:

1 Größere Schwankung der Betriebstemperatur

1 Größere Kolbenspiele erforderlich und somit anfälliger für Kolbenkippen

1 Keine Geräuschdämpfung aufgrund des fehlenden Wassermantels

1 Hoher Leistungsbedarf des Gebläses

1 Schlechte Innenraumheizung.

Gebläseluftkühlung

Bei der Gebläseluftkühlung wird Kühlluft durch ein starkes Gebläse angesaugt und durch Kanäle zu den Leitblechen umfassten Zylindern gedrückt. Das Gebläse sitzt oft direkt auf der Kurbelwelle. Es kann aber auch mit einem Keilriemen, hydrostatisch oder über Zahnräder angetrieben werden. Die zugeführte Luftmenge wird über die Drehzahl geregelt. Mit Hilfe eines Thermostats wird die benötigte Drehzahl automatisch eingestellt.

Mit der Gebläseluftkühlung wird eine ausreichende Kühlung verkleideter Motoren erreicht. Gebläseluftgekühlte Motoren kommen vor allem in Pkw mit Boxermotor (Porsche, Käfer) zum Einsatz. In Nfz. Werden sie kaum verwendet.

Gebläseluftkühlung beim Boxermotor

1 Ölkühler 2 Gebläse 3 Thermostat 4 Ölwanne

5 Ölfilter 6 Ölpumpe 7 Überdruckventil

Fahrwindkühlung

Die einfachste Art der Luftkühlung wird fast ausschließlich bei Krafträdern angewendet. Um größtmögliche Effektivität beim Wärmeaustausch zu erzielen, sind Zylinder, Zylinderkopf und häufig auch das Motorgehäuse mit Kühlrippen versehen.

Wasserkühlung

Bei Wassergekühlten Motoren sind die Zylinder und der Zylinderkopf doppelwandig gebaut. Zwischen den Wänden befindet sich Wasser bzw. Kühlflüssigkeit. Lüfter, Kühler und Wasserpumpe sind die wichtigsten Bauteile des Wasserkühlsystems:

Vorteile der Wasserkühlung sind:

1 Gleichmäßige Kühlung 1 Geringer Leistungsbedarf

1 Gute Geräuschdämpfung 1 Komfortable Innenbeheizung des Fahrzeugs möglich

Die Wasserkühlung hat jedoch auch Nachteile:

1 Hohes Gewicht 1 Großer Platzbedarf

1 Höhere Störanfälligkeit (Undichtheit, Motorschaden durch Thermos- tatversagen, Frostschäden).

Thermoumlaufkühlung

Bei der Thermoumlaufkühlung (auch Thermosiphonkühlung) nutzt man das physikalische Prinzip vom Aufsteigen warmer Flüssigkeiten aufgrund ihrer geringeren Dichte. Das erwärmte Kühlmittel steigt im Kühlmantel hoch und strömt durch den Zylinderkopf zum Kühler. kälteres Wasser aus dem Kühler fließt nach. Da bei der Thermoumlaufkühlung keine Pumpe eingesetzt wird, kommt der Kühlwasserlauf nur bei vollständig gefüllter Kühlanlage zustande. Zudem ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers langsam, wodurch die Wärmeübertragung unzureichend und ungleichmäßig ist.

Zwangsumlaufkühlung

Bei der Zwangsumlaufkühlung wird das Kühlmittel durch eine Pumpe umgewälzt. Deshalb ist die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels hoch, wodurch die zügige Ableitung der Überschusswärme und somit eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur realisiert werden kann (5- 7°C). Wärmespannungen im Motor können gering gehalten werden. Bei kaltem Motor transportiert die Pumpe das Kühlmittel im kleinen Kühlkreislauf, so dass es den Kühler nicht durchläuft und der Motor möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht. Bei betriebswarmen Motor (ca. 85°C) öffnet der Thermostat. Das Kühlmittel durchfließt dann den Hauptstromkreislauf (großer Kühlkreislauf) und die überschüssige Wärme wird abgeführt.

Zwangsumlaufkühlung

A Kleiner Kühlmittelkreislauf (Kurzschlusskreislauf)

B Großer Kühlmittelkreislauf (Hauptstromkreislauf)

1 Ausgleichbehälter 2 Thermostat

3 Thermostat und Temperaturfühler 4 Temperaturanzeige

5 Heizung 6 Kühlmittelpumpe

Mit Hilfe eines Ausgleichsbehälters kann der Kühlmittelstand überprüft und gegebenenfalls Kühlflüssigkeit nachgefüllt werden. Er ist mit einer Entlüftung versehen und verhindert somit eine Beschädigung der Leitungen bei zu hohem Kühlmittelstand. Die Durchströmung von Zylinderblock und Zylinderkopf erfolgt meist im Querstromprinzip mit diagonal angeordneten Zu- und Abläufen.

Lüfter

Ventilatoren oder Lüfter versorgen alle zu kühlenden Motorteile und vor allem den von der Kühlflüssigkeit durchströmenden Kühler ausreichend mit Luft. Bei Nutzfahrzeugen werden häufig zuschaltbare Viscose- Lüfter (auch Visco- Lüfter) eingesetzt. Solche Lüfter sind sehr wirtschaftlich, da sie nur bei Bedarf an Kühlleistung zugeschaltet werden.

Die Vorteile sind:

1 Verminderung des Kraftstoffverbrauchs

1 Erhöhung der nutzbaren Antriebsleistung

1 Reduzierung des Ventilationsgeräuches

1 Schnelles Erreichen der Betriebstemperatur

1 Annähernd konstante Betriebstemperatur

Normalerweise werden Visco- Lüfter über eine bimetallgesteuerte Visco- Lüfterkupplung durch die Temperatur der Luft hinter dem Kühler angesteuert.

Visco- Lüfter

Die Funktion des Visco- Lüfters basiert auf der Kraftübertragung durch Flüssigkeit in der Visco- Kupplung. Als übertragende Flüssigkeit dient zähes Silikonöl. Seinen Antrieb erhält der Lüfter durch einen mit der Kurbelwelle verbundenen Keilriemen oder durch Zahnräder. Die Übersetzung des Lüfterantriebs liegt dabei zwischen 1:1,1 und 1:1,25.

Bei kaltem Motor läuft der Lüfter mit 25% der Antriebsdrehzahl. Die Kühlleistung ist erheblich gemindert und der Motor erreicht schnell Betriebstemperatur. Mit Ansteigen der Kühltemperatur wird die Lüfterkupplung stufenlos zugeschaltet, bis sich die Betriebstemperatur eingestellt hat. Erst bei 90°C läuft der Lüfter mit 100% seiner Leistung. Die Drehzahl beträgt dann rund 2500 U/min.

Wenn die Visco Kupplung ausfällt, besteht die Möglichkeit, mit Hilfe einer Schraube oder eines Bolzens eine starre Verbindung zwischen Antriebscheibe und Lüfternabe herzustellen. Der Lüfter läuft dann konstant mit Maximaldrehzahl.

Visco- Kupplung

Im Arbeitsraum der Visco- Kupplung befindet sich nur eine geringe Menge Silikon, so dass das Drehmoment von Antriebsscheibe zu Ventilatornabe mit sehr großem Schlupf übertragen wird. Mit steigender Temperatur kommt es durch die Wölbung des Bimetallstreifens zum Öffnen des Ventils durch den Schaltstift. Silikon strömt vom Vorrats- in den Arbeitsraum. Je mehr Silikon in den Arbeitsraum einfließt, desto geringer wird der Schlupf zwischen Nabe und Antriebsscheibe, desto größer wird die Kraftübertragung und damit auch die Drehzahl des Ventilators. Es kommt zu einem stufenlosen Ansteigen der Drehzahl und damit der Kühlleistung.

Bei Abfallen der Temperatur erkaltet der Bimetallstreifen und schließt langsam das Ventil durch den Schaltstift. Das Silikon fließt über den Pumpenkörper zurück in den Vorratsraum. Die Drehzahl des Ventilators verringert sich.

Betriebszustände einer Visco- Kupplung

A Motor kalt B Motor heiß

1 Bimetall 2 Schaltstift 3 Blattfederventil

4 Zwischenscheibe 5 Antriebsscheibe 6 Ventilatornabe

7 Ventilöffnung 8 Arbeitsraum 9 Pumpenkörper

10 Vorratsraum

Motorkühlung

Wasserkühlung

Die Wärmeübertragung zwischen Medien aller Art steigt durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Vergrößerung der Kontaktflächen. Kühler bestehen aus einem Röhren- oder Lamellensystem, um die Kontaktflächen möglichst groß zu gestalten. Der Kühler ist über den Thermostat mit dem Kühlkreislauf verbunden. Bei geöffneten Thermostat durchfließt die Kühlflüssigkeit den Kühler und kühlt sich dabei ab (großer Kühlkreislauf).

Grundsätzlich bestehen Kühler aus einem oberen und einem unteren Wasserkasten. Zwischen den Wasserkästen liegt das Kühlnetz. Der Wassereintritt befindet sich am oberen Wasserkasten; nach Durchfließen des Kühlnetzes verlässt das Kühlmittel den Kühler durch den unteren Wasserkasten. Als Kühlflüssigkeit wird niemals reines Wasser verwendet. Die Kühlflüssigkeit ist ein Gemisch aus möglichst kalkarmen Wasser, Gefrierschutzmittel und Zusätzen für Korrosionsschutz und Schmierung.

Einbau der vormontierten Kühler- Motor- Einheit bei MAN

1 Kühlmittelausgleichsbehälter

2 Ladeluftkühler

3 Motorkühler

Wasserröhrenkühler

Beim Wasserröhrenkühler sind die Wasserkästen mit dünnwandigen Metallröhren verbunden. Dünne Kupfer- oder Aluminiumbleche verbinden die Metallröhren und vergrößern die Kühlfläche (Rippenkühlung). Röhrenkühler gelten als besonders widerstandsfähig. Bei Schwerlastwagen und Sonderfahrzeugen wird der Kühler oft in einzeln auswechselbare Teilblockkühler aufgeteilt.

Lamellenkühler

Durch Zusammenlöten dünner Blechstreifen (Lamellen) aus Kupfer oder Kupferlegierungen entstehen flache Kanäle, die von Kühlflüssigkeit durchflossen werden. Die Kühlwirkung des Lamellenkühlers ist bei gleichen Abmessungen größer als beim Röhrenkühler, seine Festigkeit ist jedoch geringer. Die dünnen Lamellen können außerdem leichter verstopfen.

Querstromkühler

Um die Kühlleistung weiter zu verbessern, werden die Lamellenkühler oft als Querstromkühler ausgeführt. Ein- und Austritt der Kühlflüssigkeit befinden sich an der Seite des Kühlers: Der Wasserkasten ist unterteilt. Die Kühlflüssigkeit durchfließt dann den Kühler im oberen Bereich nach rechts und im unten Bereich nach links. Die hohe Kühlwirkung entsteht durch das zweimalige Durchlaufen des Kühlnetzes. Um das Kühlwasser auch bei Wärmeausdehnung aufnehmen zu können, sind Querstromkühler oft mit Ausgleichsbehältern ausgestattet.

Der Einfüllverschluss am Ausgleichsbehälter des Kühlers ist mit einem Über- und Unterdruckventil versehen, um die Druck Änderung in Folge der Ausdehnung des Kühlmittels bei Erwärmung ausgleichen zu können. Erst bei einem Überdruck von ca. 0,3 bar öffnet das Ventil und ermöglicht so das Ansteigen der Kühlmitteltemperatur auf ca. 108°C. Das Unterdruckventil öffnet sich beim Absinken der Temperatur und vermindert ein Eindrücken des Kühlers.

Wasserpumpe

Um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten, muss das Kühlmittel mit möglichst großer Geschwindigkeit durch das Kühlsystem strömen. Die Wasserpumpe versetzt die Kühlflüssigkeit im geschlossenen Kühlkreislauf in raschen Umlauf. Sie wird über einen Keilriemen durch die Kurbelwelle angetrieben. Meistens kommen Kreiselpumpen zum Einsatz.

Thermostat

Um die Temperaturschwankungen möglichst zu vermeiden, benutzt man in kühlwassergekühlten Motoren einen Thermostat. Er hat die wichtige Aufgabe, den Motor auf möglichst konstanter Betriebstemperatur zu halten.

Je nach vorhandener Motortemperatur schaltet sich der Thermostat vom kleinen auf den Großen Kühlkreislauf um und erhöht oder vermindert die Menge der abgeführten Wärme. Im Nutzfahrzeugbereich werden heute fast ausschließlich Dehnstoffthermostate verwendet.

Kreiselpumpe

Im Pumpengehäuse läuft ein Flügelrad in einem sich verengenden Gehäuse, wodurch die Kühlflüssigkeit unter Druck gesetzt wird. Die Flüssigkeit wird so in Umlauf gebracht.

Vom Kühler bzw. vom Thermostat her (je nach Temperatur des Kühlmittels) strömt der Pumpe ständig Kühlmittel zu.

Dehnstoffthermostat

In einer Metalldose befindet sich ein wachsartiger Dehnstoff (Dehnstoffelement). Ein Kolben, der mit dem Thermostatgehäuse verbunden ist, ragt in den Dehnstoff. An der Metalldose sind zwei Ventilteller befestigt. Je nach Lage der Ventilteller durchströmt die Kühlflüssigkeit den Haupt- oder den Nebenstromkreis.

Bei Temperaturanstieg des Kühlmittels auf ca. 80°C dehnt sich der Dehnstoff so weit aus, dass sich der Kolben verschiebt und das Ventil eine der Durchströmeinrichtungen öffnet. Der Hauptstromkreislauf ist dann aktiviert, der Kühler in den Kühlmittelkreislauf integriert.

Dehnstoffthermostat

A kleiner Kühlmittelkreislauf B Großer Kühlmittelkreislauf

(Kurzschlusskreislauf) (Hauptstromkreislauf)

1 Mit Dehnstoff gefüllte Metalldose

2 Ventilteller

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