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Technik - Motorenkühlung

Arten der Kühlung * Zeitreise * Entwicklungen

Der Motor  ist ein Energiewandler, der die chemische Energie des Kraftstoffes durch Verbrennung in kinetische Energie oder auch Bewegungsenergie umwandelt. Wäre ein Motor in der Lage, die gesamte Energie des Kraftstoffes in Bewegungsenergie umzuwandeln, wären weitere Techniken, wie Kühlung überflüssig. Tatsächlich liegt der Wirkungsgrad aber nur bei ca. 37 - 40 % für Ottomotoren und bei ca. 50 % für Dieselmotoren. Zumindest bei den älteren Motoren, ohne Turbo, Abgasrückgewinnung, etc. Das heißt, dass die Hälfte oder mehr der Energie durch Reibungsverluste und Abwärme durch den Auspuff gelangen oder als Strahlungswärme direkt am Motor abgegeben werden. Würden wir nun am Motor ein paar Luftrippen anbringen, die die Oberfläche vergrößern und der vorbei fließenden Luft mehr Raum geben, hätten wir an dieser Stelle den Luftgekühlten Motor wie er von Ferdinand Porsche z.B. im VW Käfer und Porsche 911 eingebaut wurde, aber auch andere Marken wie etwa der Trabant nutzen diese Art der Wärmeableitung. Diese Art der Kühlung hat allerdings ein paar Nachteile. Zum einen kann die Temperatur des Motors nicht gesteuert werden. Je nach Betriebs- und Umgebungstemperatur weist auch der Motor eine andere Temperatur auf, zu Lasten des Wirkungsgrades. Andererseits ist es auch möglich, das Teile des Motors unterschiedlich stark abgekühlt werden, je nach Anströmung, was zu erheblichen Spannungen innerhalb des Bauteils führt. Sehr viel besser ist es daher, die Zylinder mit einem Wärmeträger, z.B. Wasser zu umgeben. Die abgegebene Verbrennungswärme wird aufgenommen, weist überall die gleiche Temperatur auf und durch ein Thermostat ist es leicht möglich, die Temperatur zu steuern. Wassergekühlter Motor Die aufgenommene Wärmeenergie wird vom Motor abtransportiert und an anderer Stelle, nämlich dem Wasserkühler, an die Umgebungsluft abgegeben. Zeitreise: Die erste Wasserkühlung  war die Thermosiphonkühlung. Hier fand das physikalische Prinzip Anwendung, dass wärmeres, leichteres Wasser nach oben steigt und kälteres, schwereres Wasser nach unten sinkt.
Das vom Motor erwärmte leichtere Wasser steigt also in den oberen Teil des Kühlers. Das Wasser im Kühler wird durch den Fahrtwind abgekühlt, sinkt folglich nach unten und fließt dem Motor wieder zu. Die Kühlung wurde später zusätzlich durch Lüfter unterstützt, eine Regelung war jedoch noch nicht möglich. Pumpenumlaufkühlung
Der Wasserumlauf ist durch eine Wasserpumpe beschleunigt. Allerdings benötigten diese Systeme eine lange Warmlaufphase. Im Winter kam der Motor daher schlecht auf Betriebstemperatur. In der weiteren Entwicklung kam deshalb ein Kühlwasserthermostat zum Einsatz.
Der Wasserumlauf über den Kühler wird in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur geregelt. Dabei wurde das Kühlsystem in zwei Kreise aufgeteilt. In der Warmlaufphase des Motors kreist das Kühlwasser, von der Kühlmittelpumpe angetrieben, nur durch den Motor (kleiner Kühlkreislauf). Dies bewirkt eine schnelle Erwärmung des Motors. Das Thermostats (5) erwärmt sich, dehnt sich aus und der Regler öffnet den Zugang zum Kühler (großer Kühlkreislauf). So kann die Motortemperatur konstant gehalten werden.
Die weiteren Verbesserungen: Zur besseren Kühlung des Motors wurde später das physikalische Prinzip genutzt, dass unter Druck gesetztes Wasser nicht bei 100°C, sondern erst bei 115°C bis 130°C zu sieden beginnt (Dampfkochtopf!) Der Kühlkreislauf steht dabei unter einem Druck von 1,0 - 1,5 bar. Man spricht vom geschlossenen Kühlsystem. Die Anlage benötigt dazu einen Ausgleichsbehälter (2), der nur etwa zur Hälfte befüllt ist. Als Kühlmedium wird nun nicht mehr nur Wasser genutzt, sondern ein Gemisch aus Wasser und einem Kühlmittelzusatz verwendet. Man verwendete deshalb auch nicht mehr den Begriff Kühlwasser sondern Kühlmittel. Das enthaltene Frostschutzmittel (bekannt als Glysantin) im Kühlmittel bietet zusätzlich einen höheren Siedepunkt und schützt außerdem die Leichtmetallteile des Motors vor Korrosion. Der starre Ventilatorantrieb, der den Kühler und den Motor mit ausreichender Kühlluft unterstützte, hatte einen entscheidenden Nachteil: Bei schneller Fahrt, wenn durch den Fahrtwind sowieso ausreichend kühlende Luft zur Verfügung steht, dreht wegen der relativ hohen Motordrehzahl der Kühlerlüfter ebenso mit hoher Drehzahl. Und wenn bei Stop-and- Go-Betrieb im Stadtverkehr kaum Luft vom Fahrtwind kommt, dreht auch der Motor langsamer und kühlt den zudem heißeren Motor schlechter. Dieses Manko wurde später durch einen zuschaltbaren elektrischen Lüftermotor (4) ausgeglichen. Wenn eine bestimmte Kühlmitteltemperatur erreicht (3) wird, wird der Lüfter zugeschaltet. Selbst nach dem Abstellen des Motors kann so noch Kühlluft zugeführt werden. Andere Varianten arbeiten mit  temperaturabhängigen Kupplungen (z.B.: Elektromagnetische Kupplung, Viscokupplung) zwischen Antriebswelle und Lüfternabe.
Zeitreise durch die Entwicklung Funktion des Kühlkreislauf Verschleiß der Kühler Grundlagen und Kühlarten Kältemittel R 1234yf Klimakreislauf und Bauteile Grundlagen und Kühlarten
Technik-Bereich
Motorenkühlung
Klimatechnik