In Automobilen und Motorrädern mit flüssigkeitsgekühltem Verbrennungsmotor, ist ein Kühler mit Kanälen verbunden, die durch den Motor und den Zylinderkopf verlaufen und durch die eine Flüssigkeit (Kühlmittel) gepumpt wird. Diese Flüssigkeit kann Wasser sein (in Klimazonen, in denen es unwahrscheinlich ist, dass Wasser gefriert), ist aber häufiger eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel in einem dem Klima entsprechenden Verhältnis. Das Frostschutzmittel selbst ist normalerweise Ethylenglykol oder Propylenglykol (mit einer kleinen Menge Korrosionsschutzmittel).
Ein typisches Kfz-Kühlsystem besteht aus:
- eine Reihe von Galerien, die in den Motorblock und den Zylinderkopf eingegossen sind und die Verbrennungskammern mit zirkulierender Flüssigkeit umgeben, um die Wärme abzuführen;
- einen Kühler, der aus vielen kleinen Rohren besteht, die mit einem Wabenmuster aus Rippen ausgestattet sind, um die Wärme schnell abzuleiten, und der die heiße Flüssigkeit aus dem Motor aufnimmt und abkühlt;
- eine Wasserpumpe, normalerweise vom Zentrifugaltyp, um die Kühlflüssigkeit durch das System zirkulieren zu lassen;
- ein Thermostat, um die Temperatur zu regeln, indem die Menge der Kühlflüssigkeit, die zum Kühler fließt, variiert wird;
- ein Lüfter, um kühle Luft durch den Kühler zu ziehen.
Der Kühler überträgt die Wärme von der Flüssigkeit im Inneren an die Außenluft und kühlt dadurch die Flüssigkeit, die wiederum den Motor kühlt. Kühler werden auch oft zur Kühlung von Automatikgetriebeflüssigkeiten, Kältemittel der Klimaanlage, Ansaugluft und manchmal zur Kühlung von Motoröl oder Servolenkungsflüssigkeit verwendet. Kühler werden in der Regel an einer Stelle montiert, an der sie von der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs angeströmt werden, z. B. hinter dem Frontgrill. Bei Mittel- oder Heckmotoren ist es üblich, den Kühler hinter einem Frontgrill zu montieren, um einen ausreichenden Luftstrom zu erreichen, auch wenn dies lange Kühlmittelrohre erfordert. Alternativ kann der Kühler Luft aus der Strömung über das Fahrzeugdach oder aus einem seitlich angebrachten Grill beziehen. Bei langen Fahrzeugen, wie z. B. Bussen, ist der seitliche Luftstrom für die Motor- und Getriebekühlung am gebräuchlichsten und der Luftstrom von oben für die Kühlung der Klimaanlage.
KühleraufbauBearbeiten
Automobilkühler bestehen aus einem Paar Metall- oder Kunststoffsammelbehältern, die durch einen Kern mit vielen engen Durchgängen verbunden sind, was eine große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen ergibt. Dieser Kern besteht in der Regel aus gestapelten Lagen von Metallblechen, die zu Kanälen gepresst und zusammengelötet werden. Viele Jahre lang wurden Heizkörper aus Messing- oder Kupferkernen hergestellt, die an Messingkopfstücke gelötet wurden. Moderne Kühler haben Aluminiumkerne und sparen oft Geld und Gewicht, indem sie Kunststoffsammler mit Dichtungen verwenden. Diese Konstruktion ist störanfälliger und weniger leicht zu reparieren als traditionelle Materialien.
Wabenförmige Kühlerrohre
Eine frühere Bauweise war der Wabenkühler. Runde Rohre wurden an ihren Enden zu Sechsecken verpresst, dann aufeinander gestapelt und verlötet. Da sie sich nur an den Enden berührten, entstand so ein fester Wassertank, der von vielen Luftschläuchen durchzogen war.
Einige Oldtimer verwenden Kühlerkerne aus gewickeltem Rohr, eine weniger effiziente, aber einfachere Konstruktion.
KühlmittelpumpeBearbeiten
Kühler nutzten zunächst eine vertikale Strömung nach unten, angetrieben allein durch den Thermosyphon-Effekt. Die Kühlflüssigkeit wird im Motor erwärmt, verliert an Dichte und steigt deshalb nach oben. Wenn der Kühler die Flüssigkeit abkühlt, wird die Kühlflüssigkeit dichter und sinkt. Dieser Effekt ist ausreichend für stationäre Motoren mit geringer Leistung, aber unzureichend für alle außer den frühesten Automobilen. In allen Automobilen werden seit vielen Jahren Kreiselpumpen zur Umwälzung der Kühlflüssigkeit verwendet, da die natürliche Zirkulation nur sehr geringe Durchflussraten aufweist.
HeaterEdit
Ein System aus Ventilen oder Umlenkblechen oder beides wird normalerweise eingebaut, um gleichzeitig einen kleinen Kühler im Fahrzeug zu betreiben. Dieser kleine Kühler und das dazugehörige Gebläse werden als Heizungskern bezeichnet und dienen der Erwärmung des Innenraums. Wie der Kühler wirkt auch der Heizungskern, indem er dem Motor Wärme entzieht. Aus diesem Grund raten Kfz-Techniker den Fahrern oft, die Heizung einzuschalten und auf hoch zu stellen, wenn der Motor überhitzt, um den Hauptkühler zu unterstützen.
TemperaturregelungBearbeiten
WasserdurchflussregelungBearbeiten
Die Motortemperatur wird bei modernen Autos hauptsächlich durch einen Wachs-pelletartigen Thermostat gesteuert, ein Ventil, das sich öffnet, sobald der Motor seine optimale Betriebstemperatur erreicht hat.
Wenn der Motor kalt ist, ist der Thermostat bis auf einen kleinen Bypass-Strom geschlossen, so dass der Thermostat Änderungen der Kühlmitteltemperatur erfährt, wenn sich der Motor erwärmt. Das Motorkühlmittel wird vom Thermostat zum Einlass der Umwälzpumpe geleitet und unter Umgehung des Kühlers direkt zum Motor zurückgeführt. Dadurch, dass das Wasser nur durch den Motor zirkuliert, erreicht der Motor so schnell wie möglich seine optimale Betriebstemperatur und vermeidet gleichzeitig örtliche „Hot Spots“. Sobald das Kühlmittel die Aktivierungstemperatur des Thermostats erreicht hat, öffnet sich dieser und lässt Wasser durch den Kühler fließen, um einen höheren Temperaturanstieg zu verhindern.
Sobald die optimale Temperatur erreicht ist, steuert der Thermostat den Durchfluss des Kühlmittels zum Kühler, so dass der Motor weiterhin bei optimaler Temperatur arbeitet. Unter Spitzenlastbedingungen, wie z. B. beim langsamen Befahren eines steilen Hügels mit schwerem Gepäck an einem heißen Tag, wird der Thermostat fast vollständig geöffnet sein, da der Motor nahezu die maximale Leistung erbringt, während die Geschwindigkeit des Luftstroms über den Kühler niedrig ist. (Die Geschwindigkeit des Luftstroms über den Kühler hat einen großen Einfluss auf dessen Fähigkeit, Wärme abzuführen). Umgekehrt wird das Thermostat bei einer schnellen Autobahnabfahrt in einer kalten Nacht bei leichter Drosselung fast geschlossen sein, weil der Motor nur wenig Leistung erzeugt und der Kühler viel mehr Wärme abführen kann, als der Motor produziert. Wenn zu viel Kühlmittel zum Kühler fließt, wird der Motor überkühlt und arbeitet mit einer niedrigeren als der optimalen Temperatur, was zu einer geringeren Kraftstoffeffizienz und erhöhten Abgasemissionen führt. Darüber hinaus werden die Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Motors manchmal beeinträchtigt, wenn Komponenten (wie z. B. die Kurbelwellenlager) so konstruiert sind, dass sie unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnung mit dem richtigen Spiel zusammenpassen. Ein weiterer Nebeneffekt der Überkühlung ist die verringerte Leistung der Innenraumheizung, obwohl sie in typischen Fällen immer noch Luft mit einer wesentlich höheren Temperatur als die Umgebungstemperatur ausbläst.
Der Thermostat bewegt sich daher ständig in seinem Bereich und reagiert auf Änderungen der Betriebslast des Fahrzeugs, der Geschwindigkeit und der Außentemperatur, um den Motor auf seiner optimalen Betriebstemperatur zu halten.
Bei Oldtimern kann man einen Faltenbalgthermostat finden, der einen gewellten Balg hat, der eine flüchtige Flüssigkeit wie Alkohol oder Aceton enthält. Diese Arten von Thermostaten funktionieren nicht gut bei Kühlsystemdrücken über etwa 7 psi. Moderne Kraftfahrzeuge werden in der Regel mit einem Druck von ca. 15 psi betrieben, was die Verwendung von Faltenbalgthermostaten ausschließt. Bei direkt luftgekühlten Motoren ist dies kein Problem für den Faltenbalgthermostat, der ein Klappenventil in den Luftkanälen steuert.
LuftstromregelungBearbeiten
Weitere Faktoren beeinflussen die Temperatur des Motors, einschließlich der Kühlergröße und der Art des Kühlerlüfters. Die Größe des Kühlers (und damit seine Kühlleistung) wird so gewählt, dass er den Motor unter den extremsten Bedingungen, denen ein Fahrzeug wahrscheinlich begegnet, auf der Auslegungstemperatur halten kann (z. B. bei einer Bergfahrt mit voller Beladung an einem heißen Tag).
Die Geschwindigkeit des Luftstroms durch einen Kühler hat einen großen Einfluss auf die Wärmeabfuhr. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wirkt sich darauf aus, und zwar grob proportional zur Motorleistung, so dass sich eine grobe Selbstregulierung ergibt. Wird ein zusätzlicher Kühlerlüfter vom Motor angetrieben, folgt auch dieser der Motordrehzahl in ähnlicher Weise.
Motorgetriebene Lüfter werden oft durch eine Lüfterkupplung vom Antriebsriemen geregelt, die durchrutscht und die Lüfterdrehzahl bei niedrigen Temperaturen reduziert. Dies verbessert die Kraftstoffeffizienz, da nicht unnötig Energie für den Antrieb des Lüfters verschwendet wird. Bei modernen Fahrzeugen erfolgt eine weitere Regulierung der Kühlleistung durch drehzahlgeregelte oder zyklische Kühlerlüfter. Elektrische Lüfter werden über einen thermostatischen Schalter oder das Motorsteuergerät gesteuert. Elektrische Lüfter haben außerdem den Vorteil, dass sie bei niedrigen Motordrehzahlen oder im Stillstand, z. B. im zähfließenden Verkehr, einen guten Luftstrom und eine gute Kühlung gewährleisten.
Vor der Entwicklung von Lüftern mit Viskoantrieb und elektrischen Lüftern wurden Motoren mit einfachen feststehenden Lüftern ausgestattet, die ständig Luft durch den Kühler saugten. Fahrzeuge, deren Konstruktion den Einbau eines großen Kühlers erforderte, um schwere Arbeiten bei hohen Temperaturen zu bewältigen, wie z. B. Nutzfahrzeuge und Traktoren, liefen bei kalter Witterung und leichter Belastung oft selbst bei Vorhandensein eines Thermostats kalt, da der große Kühler und der feste Lüfter einen schnellen und deutlichen Abfall der Kühlmitteltemperatur verursachten, sobald der Thermostat geöffnet wurde. Dieses Problem kann durch die Montage einer Kühlerjalousie (oder Kühlerabdeckung) am Kühler gelöst werden, die so eingestellt werden kann, dass sie den Luftstrom durch den Kühler teilweise oder vollständig blockiert. Im einfachsten Fall ist die Jalousie eine Materialrolle, wie z. B. Segeltuch oder Gummi, die entlang der Länge des Kühlers ausgerollt wird, um den gewünschten Bereich abzudecken. Einige ältere Fahrzeuge, wie die einmotorigen Kampfflugzeuge S.E.5 und SPAD S.XIII aus der Zeit des Ersten Weltkriegs, haben eine Reihe von Jalousien, die vom Fahrer- oder Pilotensitz aus verstellt werden können, um eine gewisse Kontrolle zu ermöglichen. Einige moderne Autos verfügen über eine Reihe von Klappen, die von der Motorsteuerung automatisch geöffnet und geschlossen werden, um je nach Bedarf ein Gleichgewicht zwischen Kühlung und Aerodynamik herzustellen.
Kühlventilator des Kühlers für die Antriebsmaschine einer VIA Rail Lokomotive
KühlmitteldruckBearbeiten
Da der thermische Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren mit der Innentemperatur steigt, wird das Kühlmittel auf einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck gehalten, um seinen Siedepunkt zu erhöhen. Ein kalibriertes Überdruckventil ist in der Regel im Fülldeckel des Kühlers eingebaut. Dieser Druck variiert von Modell zu Modell, liegt aber typischerweise im Bereich von 30 bis 200 kPa (4 bis 30 psi).
Wenn der Druck im Kühlmittelsystem mit steigender Temperatur zunimmt, erreicht er den Punkt, an dem das Druckentlastungsventil den Überdruck entweichen lässt. Dies hört auf, wenn die Systemtemperatur nicht mehr ansteigt. Im Falle eines überfüllten Kühlers (oder Sammelbehälters) wird der Druck abgelassen, indem ein wenig Flüssigkeit entweicht. Diese kann einfach auf den Boden ablaufen oder in einem entlüfteten Behälter aufgefangen werden, der auf atmosphärischem Druck bleibt. Wenn der Motor abgestellt wird, kühlt das Kühlsystem ab und der Flüssigkeitsstand sinkt. In einigen Fällen, in denen überschüssige Flüssigkeit in einer Flasche aufgefangen wurde, kann diese zurück in den Hauptkühlmittelkreislauf „gesaugt“ werden. In anderen Fällen ist das nicht der Fall.
MotorkühlmittelBearbeiten
Vor dem Zweiten Weltkrieg war Motorkühlmittel meist reines Wasser. Frostschutzmittel wurde nur verwendet, um das Einfrieren zu kontrollieren, und dies oft nur bei kaltem Wetter.
Die Entwicklung bei Hochleistungs-Flugzeugmotoren erforderte verbesserte Kühlmittel mit höheren Siedepunkten, was zur Einführung von Glykol oder Wasser-Glykol-Gemischen führte. Diese führten zur Einführung von Glykolen wegen ihrer Frostschutzeigenschaften.
Seit der Entwicklung von Aluminium- oder Mischmetallmotoren ist der Korrosionsschutz noch wichtiger als der Frostschutz, und zwar in allen Regionen und Jahreszeiten.
Kochen oder Überhitzung
Ein trocken laufender Überlaufbehälter kann dazu führen, dass die Kühlflüssigkeit verdampft, was eine lokale oder allgemeine Überhitzung des Motors verursachen kann. Schwere Schäden können die Folge sein, wie z. B. geplatzte Zylinderkopfdichtungen und verzogene oder gerissene Zylinderköpfe oder Zylinderblöcke. Manchmal gibt es keine Warnung, weil der Temperatursensor, der die Daten für die Temperaturanzeige liefert (entweder mechanisch oder elektrisch), dem Wasserdampf und nicht der flüssigen Kühlflüssigkeit ausgesetzt ist, was zu einer schädlich falschen Anzeige führt.
Beim Öffnen eines heißen Kühlers sinkt der Systemdruck, was dazu führen kann, dass er kocht und gefährlich heiße Flüssigkeit und Dampf ausstößt. Daher enthalten Kühlerverschlüsse oft einen Mechanismus, der versucht, den Innendruck zu entlasten, bevor der Deckel vollständig geöffnet werden kann.
Geschichte
Die Erfindung des automobilen Wasserkühlers wird Karl Benz zugeschrieben. Wilhelm Maybach konstruierte den ersten Wabenkühler für den Mercedes 35hp.
ZusatzkühlerEdit
Es ist manchmal notwendig, ein Auto mit einem zweiten oder zusätzlichen Kühler auszustatten, um die Kühlleistung zu erhöhen, wenn die Größe des ursprünglichen Kühlers nicht erhöht werden kann. Der zweite Kühler wird im Kreislauf mit dem Hauptkühler in Reihe geschaltet. Dies war der Fall, als der Audi 100 zum ersten Mal aufgeladen wurde, wodurch der 200 entstand. Diese sind nicht zu verwechseln mit Ladeluftkühlern.
Einige Motoren haben einen Ölkühler, einen separaten kleinen Kühler zur Kühlung des Motoröls. Autos mit einem Automatikgetriebe haben oft zusätzliche Anschlüsse zum Kühler, damit die Getriebeflüssigkeit ihre Wärme an das Kühlmittel im Kühler abgeben kann. Diese können entweder Öl-Luft-Kühler sein, wie bei einer kleineren Version des Hauptkühlers. Einfacher können sie Öl-Wasser-Kühler sein, bei denen ein Ölrohr in den Wasserkühler eingesetzt wird. Obwohl das Wasser heißer ist als die Umgebungsluft, bietet seine höhere Wärmeleitfähigkeit eine vergleichbare Kühlung (in Grenzen) durch einen weniger komplexen und damit billigeren und zuverlässigeren Ölkühler. Seltener werden Servolenkungsflüssigkeit, Bremsflüssigkeit und andere Hydraulikflüssigkeiten durch einen Zusatzkühler am Fahrzeug gekühlt.
Turboaufgeladene oder aufgeladene Motoren können einen Ladeluftkühler haben, der ein Luft-zu-Luft- oder Luft-zu-Wasser-Kühler ist, der zur Kühlung der ankommenden Luftladung verwendet wird – nicht zur Kühlung des Motors.