Vorwort
Praktisch denken
Einführung
Wärmelehre 1
Geschichte
Wärmelehre 2
Riementrieb
Wärmelehre 3
Pumpenumlaufkühlung
Thermostat
Umwälzpumpe
Kühler 1
Kühler 2
Kühlerlüfter
Alternative Lüfterantriebe
Kühlsystem geschlossen
Weg der Wärme
Kühlermodul
Wärmelehre 4
Luftkühlung
Ladeluftkühlung
Kühlung - Abgasrückführung
Zweiradmotoren
Innenraumheizung
Zuheizer
Standheizung 1
Latentwärmespeicher
Elektrischer Thermostat
Variable Pumpenleistung
Kennfeldkühlung
Fehlersuche/Reparatur
Frostschutz
Ölkühlung
Zylinderkopf-Reparatur
Wärmelehre 5
Forschung
Nachtrag
Aufgaben
Lösungen
Stichworte

Vorwort

Je mehr Sie über ein bestimmtes Gebiet wissen, desto schwerer ist es an den Mann
oder die Frau zu bringen. Das ähnelt dem Fußball, wo am Wochenende Millionen von
Trainern die Bundesliga anschauen und meinen, genau analysieren zu können,
woran es bei dieser oder jener Mannschaft hapert.

Auf meine Offenbarung hin, dass ich ein Buch über die Kühlung schreibe, rücken
manche Zeitgenossen schon einmal mit einer Frage heraus. Neulich lautete diese,
warum eigentlich moderne Fahrzeuge immer mehr Schwierigkeiten haben, den
Innenraum einigermaßen schnell zu erwärmen.
Ich hätte es besser wissen sollen, versuchte ich doch, mit meinem Wissen über den
gestiegenen Wirkungsgrad hauptsächlich von Dieselmotoren den Fragesteller zu
überzeugen. Kommt als Gegenargument, dass auch Benziner deutlich schlechter
geworden sind. Ja, auch die haben inzwischen einen besseren Wirkungsgrad.
Nein, an so ein paar Prozent Wirkungsgradverbesserung könne es nicht liegen,
schließlich sei die Heizung mehr als 50 Prozent schlechter. Der Unglaube im Gesicht
meines Gegenübers steigt immer mehr, geradezu quadratisch mit meinem Bemühen,
ihn doch noch zu überzeugen. Warum denn die Hersteller neuerdings elektrische
Zuheizer einbauen würden, wenn es nicht am Wirkungsgrad läge? Natürlich trennen
wir uns am Ende höflich, aber die Zweifel sind keineswegs ausgeräumt.
Früher erwärmte sich der Innenraum zusammen mit dem Motor, heute muss er bis zu
einer bestimmten Motortemperatur warten.
Ein anderer Fall, noch ein wenig schwieriger. Sie erklären einem Bekannten, dass
man Frostschutz so etwa alle drei bis vier Jahre wechseln sollte. Sie bemerken
sogleich das etwas freche Grinsen auf seinem Gesicht. An seinem letzten Auto sei an
der Kühlflüssigkeit 20 Jahre nichts gemacht, nur ganz selten ein klein wenig
nachgeschüttet worden.
Das Schlimmste daran ist, der Mann hat Recht. Man kennt den Wagen und was er
schildert, hat sich wirklich so zugetragen. Es spricht halt für die grandiose Leistung
der Techniker, ein Kühlsystem so haltbar zu machen, dass es 20 Jahre und ca.
300.000 Kilometer lang ohne Murren seine Pflicht tut. Aber was soll man jetzt noch
sagen?
Vorgeschriebene Intervalle grundsätzlich der Bedienungsanleitung entnehmen.
Eine Gruppe von sogenannten Kennern habe ich allerdings gefressen. Das sind die
überzeugten Nichtstuer. 140.000 Kilometer ohne Ölwechsel und der Motor läuft
angeblich wie am ersten Tag. Wozu überhaupt das Öl wechseln, diese Praxis beweist
doch, dass es ohne geht. Klingt eigentlich logisch, ist es aber nicht.
Denn typischerweise haben sich solche Autofahrer nun überhaupt nicht um mögliche
Folgen gekümmert. Ob der Wagen viel oder wenig Sprit braucht, Hauptsache er läuft.
Ob die Kolbenringe längst in ihren Nuten festgeklebt sind und eine Abdichtung nur
noch pro forma existiert, sie wissen es nicht. Sie können noch nicht einmal sagen, ob
das Altöl in kleinen Klumpen herauskommt, weil sie eben keinen Ölwechsel machen
(lassen).
Dazu eine bekannte Weisheit: An früheren Dieselmotoren war besonders schlimm,
dass sie, einmal angesprungen, fast immer liefen, wie schlecht es ihnen auch ging.
Ein Benziner hingegen versagt den Dienst und verlangt nach Reparatur. Dass ein
mechanisches Teil seiner verordneten Bewegungsrichtung nachkommt, heißt noch
lange nicht, dass es das in der vom Konstrukteur vorgesehenen Art tut.
Aber Manchem gehen seine Erfahrungen über alles. Da schwört z.B. jemand auf ein
bestimmtes Reifenfabrikat und tut alles, sein Auto nur mit diesen Produkten
auszurüsten. Schade, dass Reifensätze so teuer sind. Wie gerne würde ich solchen
Zeitgenossen im Blindversuch unterschiedlichste Sätze montieren und sie sollen
dann die von ihnen bevorzugte allein durch Fahren herausfinden.
Wie schön, wenn man sich an Fakten hält.
Was lernen wir aus den Beispielen? Information zu erhalten ist wichtig, sie weiter zu
geben nicht unbedingt. Achten Sie auf ihr Gegenüber und reduzieren Sie bei einem
immer ungläubigeren Ausdruck im Gesicht des/der anderen ihre Überzeugungsarbeit.
Das Auto ist für die meisten halt mehr als ein Fortbewegungsmittel, es hängt Herzblut
daran und gegen Emotionen war noch nie leicht anzukämpfen.
Umgekehrt bedeutet das natürlich nicht, ab jetzt jede Meinung zu ignorieren, die aus
praktischer Erfahrung stammt. Die Praxis ist und bleibt ein besonders wichtiger
Bestandteil. Für die Werkstatt sollte z.B. gelten: Liegt ein Fehler vor, sucht man
zunächst nach den gemachten Erfahrungen mit diesem Modell. Hat man ihn aber
nach 15 - 20 Minuten oder einer halben Stunde noch nicht gefunden, sucht man
systematisch.



Praktisch denken

{Besonders edel muss das Wasser nicht sein.}
Da erscheinen in unserer regionalen Zeitung wieder einmal so angeblich gut gemeinte
Ratschläge. Einer lautet, man solle den Kühlmittelstand regelmäßig kontrollieren. Das
Nachteilige an solchen Artikeln ist, dass man kaum etwas dagegen haben kann. Was
könnte als zusätzliche Inspektion nicht noch alles sinnvoll sein.
Den Schreiberlingen geht es aber meist darum, diese Seite über Autos voll zu kriegen,
nicht selten gepaart mit einem entsprechenden Anzeigenteil. Und natürlich wird auch
zu diesem harmlosen Rat noch ein Experte befragt, der dann endgültig bei zu wenig
Kühlmittel den Weg in die Werkstatt empfiehlt. So hat der Zeitungsartikel beinahe für
alle etwas erreicht, wenn auch dem/der Autofahrer/in wieder einmal Geld aus der
Tasche geholt.
Natürlich risikiert jede(r), der/die einen anderen Rat gibt, die Entrüstung der
Fachleute. Wie kann man dagegen sein, etwas zu kontrollieren? Und wenn etwas
fehle, dann sei unverrückbar etwas defekt. Reparatur sei geboten, bevor noch mehr
kaputt gehe. Letztlich spart also der/die Autofahrer/in noch durch diesen Tipp.
Dabei schafft es doch eine kleine Menge an Kühlmittel, sich, wenn in der Wartung
unerkannt bleibend, irgendwie zu verabschieden, trotz geschlossenem Kühlsystem.
Aber ist das ein Grund, ab jetzt die Arbeit der Werkstatt zu übernehmen? Was kommt
denn als nächstes und wofür zahlt man denn eigentlich so viel für eine Inspektion?
Dabei ist es eigentlich ganz einfach. Zumindest die nicht so ganz alten Autos haben
einen Sensor für den Flüssigkeitsstand (notfalls in der Werkstatt nachfragen). Der ist
so eingestellt, dass er rechtzeitig warnt. Man könnte vermutlich noch nach Hause oder
zum nächsten Laden für Auto-Ersatzteile fahren, aber wir schlagen eine andere
Lösung vor.
Legen Sie sich eine kleine Flasche mit stillem Mineralwasser in die meist ohnehin
freie Reserveradmulde. Ein halber Liter sollte nicht überschritten werden. Die Flasche
sollte (ausnahmsweise) aus Plastik sein, weil Wasser im Winter frieren und eine
Glasflasche sprengen kann. Übrigens ist ohnehin bei den zunehmend
unübersichtlichen Stausituationen angeraten, etwas zu trinken und vielleicht auch
eine Decke an Bord zu haben. Wenn Sie es ganz genau nehmen, sollten Sie
zusätzlich zum Notdrink eine Flasche mit entsalztem, destilliertem Wasser füllen.
Warum so wenig Wasser? Weil es vollkommen ausreicht, jahrelang aufgetretenen
Verlust zunächst zufriedenstellend auszugleichen. Denn danach kommen Sie, auch
im Sommer, um den Einkauf von Frostschutz nicht herum, damit das System seine
ursprüngliche Betriebstüchtigkeit wiedererlangt. Unter Angabe Ihres Fahrzeugs wird
man Ihnen in aller Regel das richtige Produkt aushändigen.
Bei Ein-Liter-Gebinden schütten Sie halt einfach die Hälfte nach, oder das was Sie an
Wasser zugegeben haben. 50 zu 50 als zusätzliche Mischung kann nicht verkehrt
sein, muss auch nicht nachträglich ausgespindelt werden. Hören sie nicht auf
Zeitungen, die sich zuverlässig als abhängig von Werkstätten erweisen und sie für zu
dumm für das Mischen von Wasser und Frostschutz erklären.
Und was, wenn die Lampe schon direkt nach dem Auffüllen mit Mineralwasser wieder
aufleuchtet. Dann haben Sie nicht aufmerksam genug auf den Boden unter Ihrem
Auto geschaut und hätten sich das 'kostbare' Mineralwasser sparen können. Denn
jetzt liegt tatsächlich ein Leck vor, für dessen Behebung Sie schwerlich etwas tun
können, besonders irgendwo in der Walachei ohne Werkzeug.
Bleibt die Frage: Fahren oder Abschleppen lassen? Wenn Letzteres für Sie gratis ist,
dann das. Ansonsten bleibt eine Fahrt zur Werkstatt mit ständigem Blick auf die
Kühlmitteltemperatur und möglicherweise ergiebigen Pausen, irgendwo nicht
besonders attraktiv, auch weil eine deutliche Motorüberhitzung richtig ins Geld gehen
kann. Das ist das Tückische an solchen Zeitungsartikeln, man kann sie nicht völlig
ignorieren.
Einführung
Aufgaben der Kühlung
Gleichmäßige Motor-Betriebstemperatur
Schmieröl-Erwärmung (Warmlauf)
Kühlung des Schmieröls
Dämpfung der Motorgeräusche
Generator-Kühlung
Kraftstoffrücklauf-Kühlung
Kühlung der Ladeluft
Kühlung der Turbolader
Kühlung Abgasrückführung
Verhinderung Kraftstoffklopfen
Beheizung des Innenraums
Getriebeölkühlung
Kühlung hydraulischer Systeme
Moderne Kühlsysteme weisen ganz bestimmte Merkmale auf. Wir fassen hier die
wesentlichen und typischen zusammen. Ausgehend von Flüssigkeitskühlung zirkuliert
eine in europäischen Breiten 50-prozentige Mischung aus Wasser und Frostschutz
(Ethylenglykol). Der Wasseranteil ist dabei der deutlich bessere Wärmetransporteur
z.B. vom Motor zum Kühler.

Die Zirkulation wird durch eine Strömungspumpe sichergestellt, bei Aufteilung des
Systems sind auch mehr als eine möglich. Das System verträgt nur geringen
Überdruck, im Falle einer Fehlersuche z.B. maximal 2 bar. Das Kühlmittel kommt im
Zylinderkopf und eventuell auch im Kühler mit Aluminium in Kontakt. In jedem Fall
enthält der Frostschutz einen entsprechenden Korrosionsschutz.
Weiteren Büchern vorbehalten . . .
Kühlung von elektronischen Bauteilen, z.B. Steuergeräten
Kühlung von Bauteilen der Akustik, z.B. Leistungsendstufen
Kühlung von Bauteilen der Bremsanlage, z.B. Bremsscheiben
Kühlung als Aufgabe der Klimaanlage, z.B. Kältemittel
Geregelt werden sowohl die Flüssigkeits-, als auch die Luftströme, erstere durch
Ventile und/oder verstellbare Fördereinrichtungen, letztere durch Jalousie- oder
Klappensysteme und regelbare Lüfter. Auffällig ist der Trend zur Zusammenfassung
(Modularisierung) von Komponenten z.B. im Bereich der Fahrzeugfront.
Dieselmotoren sind zurzeit führend bei der Umwandlung der im Kraftstoff enthaltenen
Energie in solche für die Fortbewegung. Man traut ihnen deutlich über 40 Prozent zu,
während Benzinmotoren noch etwas unter diesem Wert bleiben. Zunehmend muss
die Innenraumheizung zusätzlich unterstützt werden.
Wie viel durch Kühlung "verloren“ geht, kann nicht genau beziffert werden.
Unmittelbar durch den oben beschriebenen Wärmetransport sind es wohl immer noch
knapp 30 Prozent. Jedoch entweicht auch Wärme durch die den Motorraum
passierende Luft und natürlich mit den Abgasen, allerdings aufgeteilt in Wärme und
Strömungsenergie.
Ohnehin muss man vorsichtig sein mit solchen Prozentangaben, sind sie doch nicht
nur für unterschiedliche Antriebsarten, sondern auch bei den heutzutage stark
wechselnden Betriebsbedingungen oft grundverschieden. Tests der Hersteller gehen
meist einher mit der Kontrolle von Temperaturen an den einzelnen Aggregaten unter
den verschiedensten Testbedingungen.

Auch steht schon lange nicht mehr nur der reine Verbrennungsmotor im Zentrum der
Bemühungen um Kühlung. Das Motoröl transportiert viel Wärme, an die Ölwanne oder
den Behälter der Trockensumpfschmierung oder an das Kühlmittel. Darin enthalten
ist eventuell Abwärme des Laders, der aber auch direkt gekühlt sein kann (Bild).
Die Abgase transportieren Energie in Form von Wärme und Bewegung. Wegen
strengerer Abgasvorschriften sind sogar rückgeführte Abgase gekühlt. Kühlung gibt
es ohnehin schon seit langem in Getrieben, speziell in solchen mit Wandlerautomatik.
Nicht zu reden von diversen Wärmetauschern z.B. im Bereich der Hydraulik und
natürlich der besonders leistungsstarken Generatoren.
Gerade beim Kühler werden wir die ersten Zielkonflikte erleben, ist doch dessen
Luftdurchsatz wegen seines relativ großen Widerstands ein besonders geeigneter
Ansatz für Sparmaßnahmen. Allerdings kann man den Motorraum auch nicht
hermetisch abriegeln.
Die höchsten Kolbentemperaturen
1 Zweitaktmotor - luftgekühlt
2 Zweitaktmotor - flüssigkeitsgekühlt
3 Viertaktmotor - luftgekühlt
4 Viertaktmotor - flüssigkeitsgekühlt
Wärmelehre 1
Die Änderung der inneren Energie eines
geschlossenen Systems ist gleich der Summe der
Änderung der Wärme und der Änderung der Arbeit.
Vom Standpunkt der optimalen Energieausbeute ist Kühlen der vollkommen falsche
Weg, heizt es doch mit Hilfe der teuer zu beschaffenden chemischen Energie in Form
von Kraftstoff die Umwelt auf. Der Tank ist (noch) Ausgangspunkt für fast alle
Vorgänge an Bord eines Kraftfahrzeugs, die Energie brauchen. Er kann höchstens
durch eine sehr viel schwerere Batterie ersetzt werden. Menschliche Muskelkraft
reicht da vielleicht gerade, um ein Fahrzeug aus einer unmittelbaren Gefahrenzone
zu rollen.
Die Kühlung betrifft also alle Vorgänge, bei denen irgendeine Energieform in Wärme
umgewandelt wird, meist ist das die mechanische. Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre
wird aus gutem Grund auch Energieerhaltungssatz genannt. Er verbietet uns quasi,
bei durch Kühlung abgeleitete Wärme von "verlorener Energie“ zu sprechen, obwohl
das für den Prozess der möglichst effektiven Ausnutzung von Ressourcen zutrifft.
Alles hängt mit allem zusammen. Dieser scheinbar banale Satz kann beispielsweise
auf die Innenraumheizung moderner Dieselmotoren angewandt werden. Dabei ist die
Frage zu stellen, warum diese sich scheinbar verschlechtert hat, wo doch die
Entwicklung des Kraftfahrzeugs allgemein weit vorangeschritten ist. Es ist dem
energieeffizienten Motor zu verdanken, dass nicht mehr so viel Wärme übrig bleibt.
Während bei der Innenraumheizung wenigstens noch das Abfallprodukt zumindest
teilweise im Jahr sinnvoll genutzt wird, geht es z.B. beim Bremsen völlig ungenutzt in
die Umwelt. Ja, auch das war einmal chemische Energie in Form von Kraftstoff.
Deshalb kann man spritsparendes Fahren auch am geringen Verschleiß der
Bremsbeläge sehen.
Bleibt die Frage, warum denn überhaupt noch so viel Aufwand beim Kühlsystem
betrieben wird, obwohl es doch vom energetischen Standpunkt her eher unsinnig ist.
Da bleibt halt noch der enorme Gegensatz von 2000°C und mehr im Innern einer
Verbrennung zum umgebenden Material, was sämtlich den Schmelzpunkt schon
überschritten hätte, würde es mit dieser Temperatur direkt konfrontiert.
Ein großer Teil der Kühlung wird allein schon dadurch realisiert, dass alles im gleichen
(Hub-) Raum stattfindet. Frische Ladung ersetzt alte, abgebrannte und bringt
niedrigere Temperaturen mit. Und dieses Prinzip ist immer gleich, egal ob Zwei- oder
Viertakter, Flüssigkeits- oder Luftkühlung. Übrigens gibt es im Prinzip nur Luftkühlung,
weil am Ende alles in der Umgebungsluft landet.
Da alles im gleichen Hubraum stattfindet, muss der Kolben in seinem
Bewegungsablauf immer wieder gestoppt werden, was enorme Kräfte auf den
Kurbeltrieb auslöst. Ab selbst die findige Konstruktion des Kreiskolbenmotors hat
dieses Prinzip nicht verdrängen können. Trotz seiner mechanischen Uneleganz ist
die Art und Weise, wie der Verbrennungsmotor Energie flüssiger Kraftstoffe in
mechanische Energie verwandelt, bisher nicht getoppt worden.

Geschichte

Die Luftkühlung ergibt im Prinzip schon eine brauchbare Überleitung zur Geschichte
der Kühlung, wäre diese zu Beginn der Entwicklung nicht noch einfacher aufgebaut.
Sie besteht nämlich darin, Wasser einfach verdampfen zu lassen. Es wird also ein
vergleichsweise großes Reservoir mitgeführt, das im günstigsten Fall am Ende der
Fahrt fast aufgebraucht ist.
So benötigt Berta Benz bei der berühmten ersten längeren Fahrt mit ihren beiden
Söhnen von Mannheim nach Pforzheim nur gut 10 Liter Kraftstoff, aber 160 Liter
Wasser. August Horch berichtet in seinen Memoiren lebhaft, wie wichtig ein Behältnis
an Bord der ersten Kraftfahrzeuge ist, um Wasser zu holen, eventuell auch aus einem
nahen Fluss.
Trotzdem ist diese Art der Kühlung keine ganz uneffektive Methode. Immerhin nimmt
Wasser zum Verdampfen mit 539 Kilokalorien mehr als fünf Mal so viel Wärme auf,
wie von 0°C auf 100°C. Wenn Sie also jemals mit einem Defekt am Kühlsystem
weiterfahren (müssen), seien Sie der Physik ein wenig dankbar, dass das Kühlmittel,
wenn es sich schon in die Atmosphäre verabschiedet, immerhin einen beträchtlichen
Teil der Wärme mitnimmt.

Erst langsam entwickelt sich so etwas wie der heute übliche Kreisprozess mit der
Kühlung und damit Wiederverwendung von Wasser. Wilhelm Maybach und Armand
Peugeot gelten in dieser Reihenfolge als die Erfinder des Wasserumlaufs. Ähnlich wie
beim abgebildeten Stahlradwagen von 1889 fließt auch beim Peugeot des Jahres
1894 das Wasser durch den Rahmen.
Wo zusätzliche Rohre verwendet werden, kommt diese spiralförmig umgebendes
Wärmeleitblech hinzu, um die Oberfläche zu vergrößern. Im Kühler steigt das kälter
werdende Wasser auf, im Motor sinkt es ab. Ab 1897 wird so eine Konstruktion zum
Standard, die aber immer noch das Gewicht mit bis zu 50 Liter Wasser belastet.
Die ersten Kühler sind z.T. hinten montiert, wandern erst mit dem Motor nach vorn.
Maybach lässt im Kühler nicht mehr das Wasser in Rohren zirkulieren, sondern teilt
den Kühler in die Struktur von mit Wasser umgebenen Bienenwaben auf, durch die
Luft strömt und effektiver Wärme aufnimmt als beim Röhrenkühler.

Geschichtliche Entwicklung
Verdampfungskühlung
Wärmeumlaufkühlung
Pumpenumlaufkühlung
Thermostat/Kurzschlusskreis
Elektro-/Viskolüfter
Überdruckkühlung
Elektr. beheizbarer Thermostat
Abschaltbare Kühlmittelpumpe
Kennfeldkühlung
Niedertemperaturkreis
Im Kühler entstehen verschiedene Szenarien, wie zwischen durchströmender Luft
und Wasser der beste Wärmeaustausch möglich ist. So sind viele Quadratmeter
Kontaktfläche möglich mit Tausenden von Luftdurchlässen. Gleichzeitig entsteht hier
an vorderster Stelle ein für die Marke wichtiges Erkennungszeichen. Es gibt ihn oder
einen zusätzlichen Maskenüberzug verchromt oder vernickelt, bei besonders teuren
Fahrzeugen auch durch Symbol oder Kühlerfigur veredelt.


Rolls-Royce ist damit berühmt geworden, denn man hat schon früh mit teurem Silber
als Überzugswerkstoff gearbeitet. Der Kühler hat sogar eine ganz leichte Winkelung,
die ihn offenbar als besonders gerade erscheinen lässt. Gewöhnliche Autofahrer, die
auch keineswegs zu den Ärmsten der Gesellschaft gehören, müssen sich mit einem
einfachen Thermometer begnügen, an dem sie sozusagen von Fern das Herannahen
kritischer Temperaturen erkennen können. Später erhält der Kühlerdeckel noch eine
andere Funktion, nämlich die des Überdruckventils.

So bleibt das Kühlsystem dann eine ganze Zeit ohne Umwälz- und Regelfunktion.
Das sich erwärmende Wasser steigt aus dem Motor in den viel höheren, oberen
Kühlereinlass und nach Abkühlung unten wieder zurück in den Motor
(Schwerkraftprinzip). Ausgelegt werden muss das System auf maximale Belastung
mit der Gefahr eventueller zu starker Kühlwirkung bei geringer Motorbelastung.
{20er Jahre: Einführung Wellrohrbalg-Thermostat}
Gewichtsreduzierend wirkt ein von der Kurbelwelle angetriebener Lüfter, weil eine
größere Wärmeentwicklung z.B. bei langsamer Fahrt unter großer Belastung nun
besser aufgefangen werden kann. Vorher strömte zu wenig Kühlluft durch, worauf die
Dimensionierung des Kühlers entsprechend Rücksicht nehmen musste. Jetzt kann
man Kühler und Wassermenge entsprechend verkleinern.
Stellen Sie sich einen Lüfter der damaligen Zeit nicht zu kompliziert vor. Hier ist einer
mit vier Flügeln von Ford aus den 30/40er Jahren abgebildet. Unten sehen Sie noch
so ein Prachtexemplar. Das sind einfache Blechpressteile, manchmal auch nur aus
zwei Flügeln bestehend. Sie schaufeln Luft von vorn durch den Kühler, leider auch
dann, wenn es gar nicht nötig oder sogar schädlich ist.


Wärmelehre 2
Öl-/Kühlmittel-Wärmetauscher
Kühlen z.B. von Gasen beruht nicht immer auf Wärmeableitung oder -abstrahlung,
sondern kann auch durch Änderung des Volumens erreicht werden. Umgekehrt
geben z.B. hoch verdichtete und leistungsintensive Motoren mehr Wärme als normale
ab, aufgeladene mehr als Saugmotoren. Trotzdem sorgen Volumenänderungsarbeit
und Austausch warmer durch kalte Gase für Temperaturen, die durch heutige
Kühlsysteme beherrschbar sind.
Vielleicht ist noch eher die Gleichmäßigkeit der Kühlung ein Problem. Man kennt das
schon von der Zündung. Selbstzündung tritt beim Benziner am ehesten beim
Vorhandensein von Wärmenestern auf. Es scheint also wichtig zu sein, dass die
Kühlung überall gleichmäßig ihre Wirkung entfalten kann. Natürlich ist das nicht nur
durch Kühlmittel gewährleistet. Auch und gerade Schmieröl hat hier wichtige
Aufgaben.
Fast noch wichtiger ist das Zusammenspiel zwischen Kühl- und Schmiermittel. Schafft
das eine nicht rechtzeitig genug Wärme weg, versagt die Schmierfähigkeit des
anderen. D.h. Weiterfahrt mit Kühlungsdefekt macht aus einem evtl. noch erträglichen
Defekt einen kapitalen Motorschaden.
Das soll aber keineswegs heißen, Kühlung sei nur für das Innere des Motors wichtig.
Wenn man an die Kühlung von Ladeluft, bestimmten Getrieben, Achsantrieben,
Abgas und sogar des Kraftstoffes (bei bestimmten Modellgenerationen) denkt, sieht
man schon bei der Antriebseinheit genügend Bedarf, vom Rest des Kraftfahrzeugs
ganz zu schweigen.
Und natürlich gibt es auch bei vierrädrigen Fahrzeugen die gute alte Luftkühlung noch,
nur eben nicht am Motor, sondern eher z.B. bei den Bremsen. Nicht umsonst gibt es
hier gelochte und mit Lüftungskanälen versehene Scheiben, eventuell sogar
entsprechende Luftführungen in Karosserie und Felgen. Und verdecken Sie einmal
eine Abgasanlage womöglich mit Katalysator durch ein windoptimierendes
Bodenblech. Sie werden sich über die negativen Folgen wundern.
Wir werden einen typischen Vertreter der ungleichmäßigen Kühlung kennenlernen,
nämlich die Gebläsekühlung. Sie ist aus unseren Kraftfahrzeugen weitgehend
verschwunden, weil sie die hohen Anforderungen an das Abgas, die Leistung und den
Verbrauch nicht mehr erfüllt. Geblieben ist wegen ihrer unbestrittenen Einfachheit die
Fahrtwindkühlung bei kleinvolumigen Zweirädern.
Riementrieb
Durch den Weiterbau von Vorkriegsmodellen bis kurz nach dem Zweiten Weltkrieg
hat sich die Wärmeumlauf- oder Thermosiphonkühlung bis dahin z.T. gehalten. Sie
ist gekennzeichnet durch größere Rohrquerschnitte und eine entsprechend große
Umlaufmenge. Man versucht bis zu dieser Zeit noch eher, die Betriebssicherheit des
Autos zu verbessern und wählt eher eine zu große Dimension.
Trotzdem kommt es gelegentlich mit dieser Kühlung zu Problemen, wenn nämlich
dem Motor viel Drehmoment entnommen wird und entweder die
Umlaufgeschwindigkeit des Kühlmittels zu gering ist oder der Luftdurchsatz des
Kühlers. Auch stellen sich Störungen des Umlaufs leichter ein und haben größere
Folgen.
Der Zwangsumlauf der Kühlung wird durch eine Pumpe erreicht. Gleichzeitig ist ein
Thermostat nötig, ohne den bei ständig mitlaufender Pumpe der Motor im Prinzip nie
seine normale Betriebstemperatur erreichen würde. Die Pumpe wird für lange Zeit
durch einen Keilriemen angetrieben. Beim Lkw sind Störungen seltener, weil dessen
Pumpe formschlüssig durch Zahnräder (Bild) angetrieben wird.
{Bleibt wegen eines defekten Thermostats der große Kühlerkreislauf immer offen,
erreicht der Motor nur sehr langsam bzw. gar nicht seine Betriebstemperatur.}
Durch die mechanische Verbindung zur Pumpe entsteht eine mögliche Störstelle, die
jahrelang Autofahrer zur Mitführung eines Ersatzriemens nötigt. Die eher scherzhaft
propagierte Methode, einen Damenstrumpf oder gar eine Strumpfhose zu verwenden,
hat wohl, wenn überhaupt nur eine kurze Lebensdauer.
So ein Keilriemen ist ein sehr begrenzt einsatzfähiges Bauteil. Immerhin brauchen die
beiden Keilriemenscheiben nicht hundertprozentig zu fluchten. Aber eine zu starke
Krümmung darf ihm besonders über seine Rücken nicht zugemutet werden. So treibt
er in der Praxis meist höchstens zwei Aggregate an.
Wird das zu übertragende Drehmoment z.B. beim Lkw größer, sind mehr als ein
Keilriemen nebeneinander zu verwenden. Sind mehr als zwei Aggregate anzutreiben,
verwendet man auch mehr als einen Riementrieb. Wichtig ist die regelmäßige
Kontrolle, die einen Blick auf die vorhandene Spannung einschließt.
Keilriemen reißen immer im ungeeignetsten Moment. Hatte man früher noch
Lederriemen zum Lüfter, dann war u.U. eine Weiterfahrt möglich. Beim
Keilriemendefekt reagiert das System prompt mit einem Anstieg der
Kühlmitteltemperatur. Deshalb ist hier auch zumindest eine Warnleuchte im
Armaturenbrett nötig.
Wird die Keilriemenspannung nicht rechtzeitig nachgestellt, kommt es zu unschönen
kreischenden Geräuschen. Besonders schön lässt sich das an einer älteren
hydraulischen Servolenkung nachstellen, wenn hier mit einem zu losen Keilriemen
die Lenkung in Endstellung gebracht wird. Etwas gemildert werden die Nachteile
durch den flankenoffenen Keilriemen.
Häufiges Nachstellen ist eigentlich gar nicht so sehr erwünscht. Denn die richtige
Keilriemenspannung ist eine Kunst. Sitzt der Keilriemen zu lasch, gibt es entweder
die vorhin erwähnten Geräusche oder eine Riemenscheibe dreht nicht oder ganz
durch. Fast noch schlimmer ist ein zu stark gespannter Keilriemen, weil er zumindest
die Belastung der Lagerung (oben im Bild links) deutlich erhöht und hier zum
Versagen führen kann. Auch dieser Fehler kann sich u.U. durch ein allerdings etwas
schwieriger wahrzunehmendes Geräusch bemerkbar machen.
Auch für den Laien ist auf diesem Bild einer der Vorteile des Keilrippenriemens zu
erkennen. Unglaublich, wie viele Aggregate hier auf einmal angetrieben werden. Das
dürften schon gute zwei Meter sein, die hier um sechs Räder mit teils enorm großem
Umschlingungswinkel gelegt sind. Gespannt werden kann er durch Federkraft oder
Hydraulik, am besten über einen kleinen Auslenkhebel.
Beim Praxistest, ob ein Riemen leicht durchrutscht, hilft oft das Benetzen mit
Wasser.
Von Problemen mit einem schlecht biegbaren Rücken ist bei dieser Riemenart nichts
zu sehen. An der Kühlmittelpumpe rechts neben dem Generator kommt er sogar zwei
Mal vorbei. Offensichtlich ist nur eine Umlenkrolle erforderlich. Man kann ahnen, dass
auch die Lebensdauer eines solch geschmeidigen Riemens die des klassischen
Keilriemens übertrifft.
Gut auch, dass für den Mechaniker das Spannen entfällt. Fehler in diesem Bereich
sind jetzt nicht mehr möglich. Die Umlenkrolle ist in der Mitte des Bildes auf einem
kleinen Hebel gelagert, der über eine bisweilen sogar gedämpfte Feder die Spannung
konstant hält. Natürlich werden so auch Schwingungen vermieden.
Meist werden mit einem Riemen so viele Aggregate angetrieben, dass eine korrekte
Führung unmöglich ist. In diesem Fall helfen zusätzliche Umlenkrollen. Wichtig für die
übrigen Räder: genügend Umschlingungswinkel. Im Bild oben sehen Sie eine
Riemenscheibe für zwei Riemen nebeneinander, die durch Gummi im Zwischenraum
gedämpft ist und oben im Bild auch noch einen Drehschwingungsdämpfer hat,
ebenfalls einvulkanisiert.
Drehschwingungen sind ein wichtiges Thema beim Riementrieb. So haben z.B.
moderne Dieselmotoren nicht zuletzt durch teils heftige Aufladung solch starke
Bewegungsänderungen, dass der Riementrieb und die angeschlossenen Aggregate
leiden. Im Bild ein Freilauf im Riemenrad eines Generators.
Wärmelehre 3
Was bewirkt eigentlich die Temperatur in einem Körper? Was hat das mit Energie zu
tun? Wenn Sie sich vorstellen, dass die kleinsten Teilchen eines Körpers, hier als die
Moleküle angenommen, nicht fest im Stoff verankert sind, sondern über eine
bestimmte Weite schwingen, fällt es leicht, zu verstehen, dass diesen Schwingungen
eine bestimmte Energie innewohnt.
Jawohl, auch im Stahl schwingen die Moleküle. Und noch mehr, wenn ich dem Stahl
Wärme zuführe. Allerdings ist der Abstand der Moleküle ein anderer als
beispielsweise bei Wasser und wird noch einmal deutlich größer bei Gasen. Das
kennzeichnet auch den Wechsel des Aggregatzustands. Wasserdampf nimmt ein
Vielfaches des Raumes von Wasser ein, weil es zum Gas geworden ist.
Also schwingen in allen Körpern Moleküle, je geringer die Temperatur, desto weniger.
Leicht können Sie sich jetzt vorstellen, dass es einen Punkt gibt, an dem die
Schwingungen gänzlich aufhören. Jawohl, den gibt es. Der liegt bei etwa -273°C. Man
nennt ihn auch den absoluten Nullpunkt.
Es gibt sogar eine Temperaturskala, die auf diesem Nullpunkt basiert. Sie hat statt
'°C' die Einheit 'K' für Kelvin, übrigens eine Basiseinheit. Aber in der Abstufung ist sie
der Celsius-Skala gleich. Also sind 0 K gleich -273°C. In diesem Punkt wäre
zumindest die in der Bewegung der Moleküle gespeicherte Energie gleich Null. Klar,
dass es nach diesem Modell keine tiefere Temperatur geben kann.
Sie werden sich jetzt fragen, was das wohl mit unserem Thema „Kühlung“ zu tun hat.
Ganz einfach, die am Auto am häufigsten vorkommende Kühlung beruht auf
Wärmeleitung, also auf einem Energiefluss zwischen Systemgrenzen z.B. vom
Aluminium der Zylinderwand zum Kühlmittel. Mit unserem bis jetzt erarbeiteten
System wollen wir nun diesen Energiefluss erklären.
So wie die Moleküle schwingen, stellen wir uns auch ihr Verhalten an der Außenwand
eines Stoffes vor. Wenn eine Trommel geschlagen wird, ist das ja auch jenseits der
Trommelhaut spürbar. Also stoßen die heißen, stärker schwingenden Alu-Moleküle
die kälteren, weniger schwingenden Kühlmittel-Moleküle an. Ergebnis: Die
Schwingung der Alu-Moleküle schwächt sich ab, die der Kühlmittel-Moleküle nimmt
zu.
Man könnte es auch einfacher sagen: Das Aluminium kühlt sich ab, das Kühlmittel
erwärmt sich. Sie können sich jetzt leicht einen ähnlichen Vorgang zwischen
Kühlmittel und Kühlerwand und zwischen Kühlerwand und Außenluft vorstellen. Auf
diese Art wird also Wärme aus dem Motorinnern zur Außenluft transportiert. Es ist
Wärme, die aus der Verbrennung von Kraftstoff stammt und die Umwelt erwärmt.
Dieser Anteil ist bei modernen Motoren bzw. Fahrzeugen zwar gesunken, aber immer
noch recht hoch. Auch erklärt das Modell nicht alle Wärmeströme, weil der Anteil an
Wärmestrahlung fehlt. Und beide zusammen erreichen z.B. beim Benzinmotor immer
noch bis zu 30 Prozent der im Kraftstoff enthaltenen Energie, wobei die durch den
Auspuff abfließende Energie gar nicht mitgerechnet wurde.
Wärmestrahlung wird z.B. vom heißen Motor ausgesandt und breitet sich unabhängig
vom durchstrahlten Medium aus. Dieses wird auch nicht erwärmt, sondern nur die
Oberfläche, auf die Wärmestrahlung trifft. Die aufgenommene Wärmemenge ist
abhängig von der Beschaffenheit und der Farbe der Oberfläche. Glänzende
Oberflächen reflektieren eher, matte absorbieren, nehmen also mehr Wärme auf.
Schön ist dabei, dass sich nach den Gesetzen der Wärmelehre (Thermodynamik)
Wärme in jede andere Energieform umrechnen lässt, eben auch in die im Kraftstoff
enthaltene. Autofahrer würden dementsprechend Optimierungen bei der Kühlung am
Spritverbrauch merken, wenn auch nur in kleinen Dosen. Optimierung heißt dabei
nicht, besser zu kühlen, sondern das System so zu verändern, dass weniger Kühlung
notwendig wird.
Jetzt begreift man auch leichter, warum es beim Kühlen so oft auf große Oberflächen
ankommt. Je mehr Fläche an den Systemgrenzen der beiden Stoffe z.B. Aluminium
und Kühlmittel zur Verfügung steht, desto mehr Moleküle der jeweiligen beiden Stoffe
können gleichzeitig ihre Bewegungsenergie austauschen. Elektroniker benutzen
sogenannte Wärmeleitpaste, um die Wärme eines Bauteils besser an das Kühlblech
abzuleiten.
Jetzt wird vielleicht auch klar, warum es Wärmenester geben kann, die beim
Benzinmotor so gefährlich für die Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs sein
können. Das sind Bereiche, in denen die Moleküle nach dem hier zugrunde gelegten
Modell deutlich schneller um ihre Mittellage schwingen als im übrigen Brennraum.
Wäre genug Zeit, würde sich durch die Stoßübertragung die Bewegungsenergie aller
Gasmoleküle im Brennraum ausgleichen.
Jetzt haben wir also die Wärmestrahlung nicht und die Wärmeleitung sehr wohl
betrachtet. Natürlich ist das nicht die einzige Möglichkeit, Wärme zwischen
Systemgrenzen zu transportieren. Das vorliegende Modell erklärt auch, dass z.B.
beim Komprimieren eines Gases Energie übertragen wird. Denn wenn die
Systemgrenze verschoben wird, ändert sich auch die Bewegungsenergie der dahinter
vorhandenen Moleküle.
Sie stoßen sozusagen beim Zusammenschieben die Moleküle stärker an. Der
komprimierte Stoff erwärmt sich. Es wäre also durchaus möglich, durch Komprimieren
und gleichzeitiges Kühlen die Temperatur z.B. eines Gases konstant zu halten.
Umgekehrt könnte man Wasser durch einen enormen Druck zum Sieden bringen.
Allerdings erst bei viel höherer als der gewöhnlichen Siedetemperatur, weil der Druck
gleichzeitig das Wasser am Übergang zum Dampf hindert. Jetzt verstehen Sie
vielleicht, warum es im Kraftwerk 300-grädiges Wasser gibt.
Zurück zum Verbrennungsmotor. Auch bei früheren Diesel-Einspritzanlagen gab es
das Phänomen der Kavitation. Wenn nämlich die Kolben der Einspritzpumpe beim
Aufwärtsgang einen enormen Druck aufgebaut hatten, war bei der
Rückwärtsbewegung nach dem Einspritzen viel weniger Kraftstoff vorhanden, dem
mit Gewalt ein viel zu großer Raum zur Verfügung gestellt wurde. Ergebnis, der
Kraftstoff wurde gasförmig, obwohl keine unmittelbare Erwärmung stattgefunden
hatte.
So, jetzt haben wir schon zwei Möglichkeiten zur Erhöhung oder Absenkung der
Schwingungshäufigkeit von Molekülen erörtert. Die dritte ist einfach die, dass zum
vorhandenen Gas eine bestimmte Menge hinzukommt, der ebenfalls diese beiden
Energien innewohnen. Um allerdings unabhängig von Temperatur usw. zu bleiben,
gehen wir nicht von Menge (sprich Volumen), sondern von Masse aus. Vergessen
habe ich jetzt noch, dass "Hinzukommen“ nicht ohne Energieübertragung möglich ist,
also die Bilanz beeinflusst.
Damit Sie sich zumindest künftig nicht von bestimmten Bezeichnern verwirren lassen,
habe ich hier die z.B. in einem Gas gespeicherte Energie als Formel geschrieben und
erklärt. Das große griechische 'S' kennzeichnet Summen, die über die Wärme, Arbeit
und hinzugekommenen Massen gebildet werden. Die Punkte über den Bezeichnern
machen aus einem Volumen einen Volumenstrom, den Teil also, der pro Zeiteinheit
durch einen bestimmten Querschnitt bewegt wird.
Addiert werden hier rechts die vorhandene Wärme, also die Summen der Energien
der Bewegung der einzelnen Moleküle um einen bestimmten Punkt, die Arbeit, also
an den Systemgrenzen übertragene Bewegungsenergie und eventuell
hinzugekommene Masse mit deren Teilenergien.
Pumpenumlaufkühlung
Pumpe und Thermostat bedingen einander. Für den Motortechniker stellt ein ständig
zu kalter Verbrennungsmotor einen Alptraum dar. Schon zu viel Kurzstreckenverkehr
kann die Lebensdauer parzellieren. Als Beispiel dazu mag dienen, dass zu den
Zeiten, als man bei manchem Fahrzeughersteller noch eine “goldene“ Uhr beim
Erreichen der 100.000 km bekam, es schon Versuche gab, mit einem niemals kalt
werdenden, beliebigen Serienmotor 300.000 km ohne Defekt zu erreichen.
Wir werden im Verlauf dieses Buches noch sehen, wie wichtig es gerade auch heute
den Herstellern ist, dass der Motor möglichst schnell die Betriebstemperatur erreicht,
nicht nur aus Gründen der Haltbarkeit, sondern z.B. auch der Abgasemissionen.
Allerdings scheint das System aus Pumpe und Thermostat eher aus der Not geboren
zu sein, obwohl es sich für Jahrzehnte als Standard etablierte.
Wer pumpt schon dauernd um, obwohl es nur ab einer bestimmten Motortemperatur
nötig ist. Schlimmer noch die Methode, das umgepumpte Kühlmittel per Thermostat
durch eine Art Kurzschlussleitung am Kühler vorbei zu schleusen, lässt die
Kaltlaufphase im Prinzip länger dauern, als würde man das Kühlmittel im Motor
belassen.
Es ist wohl in dieser Zeit nicht anders praktikabel, weil ganz einfach heutige
Regeltechniken fehlen. Oder sie sind zwar in anderen Branchen vorhanden, aber
entweder zu störungsanfällig oder zu teuer oder beides. Man darf dem System am
Schluss seiner Entwicklung bescheinigen, dass es zu dieser Zeit mit Sicherheit nicht
zu den anfälligsten im Kraftfahrzeug gehört.
Das ist zu Beginn anders. VW wirbt kurz nach dem Krieg beim Käfer für dessen
Luftkühlung, die Pässe in den Alpen offensichtlich ohne Pannen bewältigt. Bei den im
Film abgebildeten Fahrzeugen mit Flüssigkeitskühlung steigt unentwegt Dampf aus
der geöffneten Motorhaube. Allerdings verschweigt man geflissentlich, dass die
Reparatur eines kühlungsmäßig überanstrengten Käfermotors deutlich aufwändiger
als nur die Erneuerung einer Zylinderkopfdichtung ist.
Thermostat
Für die thermostatische Regelung, hier das Bild einer älteren Anlage, hat der
Pumpenumlauf auch bei kaltem Motor Vorteile. Würde er beispielsweise den Umlauf
in diesem Betriebsbereich ganz stoppen, könnte es am Ende der Erwärmung zu
örtlicher Dampfblasenbildung kommen. Oder heiße Bestandteile des Kühlmittels
gelangen nicht zum Thermostat, um diesen zu öffnen.
Der Thermostat ist meist ein 3/2- oder inzwischen auch ein 4/2-Wegeventil.
Beim Kühlmittelthermostat ist Wachs ein bevorzugter Dehnstoff. Dieser treibt bei
Erwärmung einen Stift aus seinem Gehäuse. Es wird ein Doppelventil betätigt, das
gleichzeitig den Kurzschlusskreislauf schließt und den Kühlerkreislauf öffnet. Das ist
die Voraussetzung, dass bei noch mehr steigender Temperatur der