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Kühlung (Verbrennungsmotor)


Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor führt hauptsächlich die Wärme ab, die an die Wände von Brennraum und Zylinder abgegeben wird, weil der Kreisprozess nicht ideal verläuft. Zu hohe Temperaturen würden den Motor beschädigen (Abreißen des Schmierfilms, 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 – 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, die großen Oberflächen begünstigen den Übergang zur umgebenden Luft.

Verwendung

Gegenwärtig wird die Luftkühlung hauptsächlich bei Flugmotoren, Motorrädern, Kleinmotoren von Rasenmähern oder Motorsägen verwendet. Historische Kraftfahrzeuge dieser Motorenbauart sind bei Personenwagen u. a. der Citroën 2CV („Ente“), Honda 1300, Porsche-Modelle 356 und 911 (bis 1998), VW-Bus (bis 1982), alle VW-Käfer, alle Trabant außer Typ 1.1, sowie PKW und LKW von Tatra und LKW von Magirus-Deutz und Robur.

Vorteile

  • einfache und preiswerte Bauweise durch geringe Anzahl beteiligter Komponenten
  • schnelles Erreichen der Betriebstemperatur (bei Vorhandensein entsprechender Regulierungsvorrichtungen)
  • kein Einfrieren von Kühlflüssigkeit bei tiefen Außentemperaturen
  • zuverlässiger Betrieb, wartungsfrei
  • bei Flugzeugen und Militärflugzeugen geringe Beschussempfindlichkeit
  • markante Geräuschentwicklung (kann unter Umständen ein gewünschter Effekt sein, vor allem bei Sportwagen)

Nachteile

  • starke Geräuschentwicklung
  • Verteilung der Kühlluft nicht optimal möglich, Motorleistung dadurch begrenzt
  • Kühlgebläse, sofern vorhanden, arbeitet mit großem Leistungsaufwand (bis zu 8 % der Motorleistung)
  • Erfassung der Motortemperatur schlecht möglich
  • bei Störungen: Gefahr unkontrollierter Überhitzung des Motors
  • Beheizung der Fahrgastzelle schlecht möglich

Bauteile

Kühlgebläse

Zahlreiche Kleinmotoren, aber auch Motorradmotoren kommen meist ohne Gebläse aus. In anderen Anwendungsgebieten dient ein Kühlgebläse zur aktiven Beschleunigung des Wärmeaustauschs. Das Lüfterrad wird meist vom Keilriemen der Lichtmaschine angetrieben, weshalb ein Reißen desselben hier besonders problematisch ist, die Fahrt muss sofort unterbrochen werden. Ein Kühlgebläse kommt außerdem oft zum Einsatz bei stationären Motoren, zum Beispiel in Strom- oder Druckluftaggregaten, bei Fahrzeugen mit geringer Geschwindigkeit oder anderen thermisch hoch belasteten Motoren.

Kühlluftführung

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

Kühlluftregulierung

Um die optimale Arbeitstemperatur auch bei niedriger Außentemperatur rasch erreichen zu können, haben einige luftgekühlte Motoren thermostatgesteuerte Klappen, beispielsweise die entsprechenden VW-Motoren.

Ölkühler

Bei vielen Typen wird zusätzlich das Motoröl gekühlt. Bei älteren Deutz-Motoren wird es durch ein spiralförmiges Rohrleitungssystem im "Windkanal" einer Kühlturbine gepumpt.

Flüssigkeitskühlung

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. Dies wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen.
  • Für die Flüssigkeitskühlung wird weniger Leistung als bei den Kühlgebläsen der Luftkühlung benötigt
  • Die Heizung bei Fahrzeugen mit geschlossener Fahrgastzelle ist denkbar 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)
  • 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 oftmals aus Messing, heute zumeist 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 mit in den Kühlmittelkreislauf 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 weist die in der Vergangenheit verwendete Thermosiphonkühlung auf.

Bauteile

Kühler

Die moderne Flüssigkeitskühlung im PKW besteht aus einem Kühler mit großer Oberfläche, der in der Regel vorn 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. Klassisch wird der Lüfter über einen Riementrieb mit der Motorkurbelwelle verbunden und benötigt daher umso mehr Leistung, je höher die Motordrehzahl ist. Zur Reduzierung der Leistung verfügen manche Kühlerventilatoren über eine zwischengeschaltete Visco-Kupplung, die die Drehzahl des Ventilators temperaturabhängig regelt. Seit den 1980er Jahren werden Kühlerventilatoren vorwiegend mit Elektromotoren angetrieben, die über einen im Kühler angebrachten Thermoschalter gesteuert werden. Diese Ventilatoren schalten sich nur bei Bedarf zu. Der Ventilator saugt die kühlere Außenluft an und drückt sie durch de Kühlrippen des Wasserkühlers. Besonders im Stand bzw. geringeren Geschwindigkeiten ist dies von besonderer Bedeutung.

Es gibt aber auch Viscolüfter mit einer temperaturgeregelten 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 geringerer Lärmemission höher als bei dauerhaftem Lüfterantrieb.

Kühlmittelpumpe

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 auch manchmal Jalousien angebracht, die es in der kalten Jahreszeit mit einem Seilzug vom Fahrersitz aus erlaubten, durch Schließen die Motortemperatur etwas heraufzuregeln. Wo dies nicht möglich war, wurden manchmal auch Kartonplatten provisorisch davor platziert. Heutzutage 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.

In modernen PKWs werden auch vermehrt elektrische Kühlmittelpumpen verbaut, die, im Gegensatz zu mechanischen Pumpen, wesentlich weniger Energie verbrauchen und daher zur Kraftstoffersparnis beitragen

Thermostat

Der Kühlkreislauf, und damit die Motortemperatur, wird durch einen Thermostat geregelt. Solange der Motor nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat, ist das Thermostatventil geschlossen, und die Kühlflüssigkeit zirkuliert nur über Motor, Wasserpumpe und Heizungswärmeübertrager. Öffnet der Thermostat, so wird der Haupt-Wasserkühler mit in den Kreislauf eingeschlossen, und die eigentliche Kühlung setzt ein. Das Thermostatventil öffnet bei ca. 75 Grad Celsius. Im Luxussegment gibt es mittlerweile auch Motoren mit mehreren Kreisläufen und kennfeldgesteuerten elektrischen Thermostaten.

Übersteigt die Temperatur des Kühlmittels einen weiteren Schwellwert, der typischerweise 90 Grad Celsius 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 einige Zeit nachlaufen.

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 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 Kühlmedium verwendet.

Gesamt-Zuverlässigkeit

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

Kabinenheizung

Außerdem wird das warme Kühlwasser 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. Als übliche Grenze gelten 120 °C; darüber gilt als Faustregel, dass sich je 10 Grad Temperaturerhöhung die Lebensdauer des Öls halbiert. 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.

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

Siehe auch

Literatur

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

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