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.

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Luftkühlung

  Bei Motorrädern wird hierbei überwiegend der Fahrtwind ausgenutzt, der zum Motor geleitet wird. Bei feststehenden Motoren oder Fahrzeugen mit geringer Geschwindigkeit (Mopeds) wird häufig zusätzlich ein Lüfter oder Gebläse benutzt. Die Luft wird direkt auf den Motor geblasen. Die Zylinder und Zylinderköpfe luftgekühlter Motoren haben Kühlrippen um die Wärme abgebende Oberfläche zu vergrößern.

Der Vorteil der Luftkühlung ist die einfachere und preiswerte Bauweise, zuverlässiger Betrieb (bei Flugzeugen) und – bei Militärflugzeugen wichtig – eine niedrigere Beschussempfindlichkeit, und 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.

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

Wasserkühlung

Moderne Viertaktmotoren werden bis auf wenige Ausnahmen wassergekühlt. Sie bieten gegenüber der Luftkühlung verschiedene Vorteile. Wasser hat 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. Die Heizung bei geschlossenen Kraftfahrzeugen ist denkbar einfach durch einen Heizungswärmübertrager möglich. Der Motorblock, 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 geräuschdämmend. Besonders Hochleistungs-Ottomotoren sind an den Zylinderköpfen auf Wasserkühlung 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 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 heute (2007) ein meistens elektrisch angetriebener Lüfter, der den Luftstrom auch bei langsamer Fahrt sichert. Der Wasserumlauf wird durch die Wasserpumpe erzeugt. Früher gab es auch die 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 immer betriebssicher. Die Wasserpumpe wird normalerweise 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 zu regeln. Wo dies nicht möglich war, wurden manchmal auch Kartonplatten provisorisch davor platziert. Es gibt aber auch Viscolüfter mit einer temperaturgeregelter 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 geringerem Lärm höher als bei festem 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 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 elektrische 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, ist 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

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 Sonderfall der Flüssigkeitskühlung (umgangssprachlich: Wasserkühlung) wird an einem Verbrennungsmotor als Kühlmedium Öl statt Wasser verwendet z.B. 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 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 sieh 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°C Temperaturerhöhung die Lebensdauer des Öls halbiert. Aus diesem Grund besitzen viele Motoren Öl-Luft-Wärmetauscher 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.

Siehe auch

• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Thermomanagement