Ein modernes Auto besteht aus einer Vielzahl von Teilen, Baugruppen, Mechanismen und Systemen. Alle Systeme sind wichtig, und es wäre wenig sinnvoll zu diskutieren, welches davon wichtiger oder notwendiger ist.
Im Folgenden betrachten wir eines dieser Systeme, ohne das der Betrieb des Motors unmöglich wäre: das Kühlsystem.
Warum braucht ein Auto ein Kühlsystem? Das Kühlsystem hält den Motor in einem normalen Temperaturbereich und führt überschüssige Wärme ab – unabhängig von den Betriebsbedingungen. Die Gastemperatur in den Zylindern eines laufenden Motors erreicht 1800–2000 °C. Nur ein Teil der dabei freigesetzten Wärme – bei Vergasermotoren etwa 21–28 % – wird in Nutzarbeit umgewandelt. Ein weiterer Teil der Wärme, etwa 12–27 %, wird über das Kühlmittel abgeführt. Andernfalls überhitzen die Motorteile, und ihr Verschleiß nimmt stark zu. Ein übermäßiger Anstieg der Motortemperatur führt außerdem dazu, dass der Schmierstoff verbrennt. Auch eine deutlich zu niedrige Temperatur eines laufenden Motors ist unerwünscht. Bei einem unterkühlten Motor sinkt die Leistung durch Wärmeverluste. Reibungsverluste nehmen zu, weil der Schmierstoff zähflüssiger wird, ein Teil des Kraftstoff-Luft-Gemischs kondensiert, spült den Schmierfilm von den Zylinderwänden ab, und der Teileverschleiß steigt. In einem zu kalt laufenden Motor nimmt zudem der korrosive Verschleiß der Zylinderwände durch die Bildung von Schwefel und Schwefelverbindungen zu.
Daraus folgt, dass das Kühlsystem äußerst wichtig ist und ein Auto ohne dieses System nicht einmal eine kurze Strecke fahren könnte.
Neben seiner Hauptaufgabe, den Motor zu kühlen, erfüllt das Kühlsystem mehrere weitere Funktionen, darunter:
- Erwärmung der Luft im Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystem;
- Kühlung des Öls im Schmiersystem;
- Kühlung der Abgase im Abgasrückführungssystem;
- Kühlung der Luft im Turboladersystem;
- Kühlung der Arbeitsflüssigkeit in einem Automatikgetriebe;
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Kühlsystemen für Verbrennungsmotoren: Luft- und Flüssigkeitskühlung. Sehen wir sie uns genauer an.
Luftkühlung
Luftkühlung kann natürlich oder erzwungen erfolgen. Die natürliche Luftkühlung ist die einfachste Art der Kühlung. Die Wärme eines Motors mit einem solchen Kühlsystem wird über die ausgeprägten Kühlrippen an der Außenseite der Zylinder an die Umgebung abgegeben. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass Luft aufgrund ihrer geringen Wärmekapazität keine große Wärmemenge gleichmäßig vom Motor abführen kann. Dementsprechend lassen sich damit nur schwer kompakte und leistungsstarke Antriebe realisieren. Natürliche Luftkühlung findet man häufig bei Motoren leichter, sehr mobiler Geräte: Motorrädern, Mopeds, Flugzeugen und Modellfahrzeugen. Mit der stetigen Leistungssteigerung moderner Motorradmotoren wurde die Luftkühlung bei den fortschrittlichsten Modellen zunehmend durch Flüssigkeitskühlung ersetzt. Wegen ihres geringen Gewichts wurde natürliche Luftkühlung auch lange bei Kolbenflugmotoren eingesetzt, bei denen die nahe am zylindrischen Bereich liegenden Rotorblätter mit geringer Umfangsgeschwindigkeit an den Propellerblattenden praktisch nicht als Lüfter wirkten, während die Anströmgeschwindigkeit des Flugzeugs selbst sehr hoch war.
Stationäre oder eng verbaute Motoren sind mit einer erzwungenen Luftkühlung ausgestattet. Dabei erzeugt ein Lüfter einen Luftstrom, der über die Kühlrippen bläst. Lüfter und verrippte Flächen sind in der Regel von einer Luftführung abgedeckt. Die Vorteile solcher Motoren ähneln denen natürlich luftgekühlter Motoren: einfacher Aufbau, geringes Gewicht und kein Kühlmittel. Allerdings zeichnen sich solche Motoren durch höhere Betriebsgeräusche und größere Abmessungen aus. Außerdem entstehen bei der Konstruktion solcher Motoren Probleme bei der Kühlung einzelner Bauteile, weil der Luftstrom nicht überall gleichmäßig anliegt.
In europäischen Pkw war Luftkühlung in den 1950er- bis 1970er-Jahren weit verbreitet. Dazu gehören vor allem Kleinwagen wie der Volkswagen Käfer, Fiat 500 und Citroën 2CV; eine Sonderstellung nimmt die repräsentative Tatra 613 ein. Auch Lastwagen mit luftgekühlten Dieselmotoren wurden produziert – beispielsweise waren Lkw der Marke Tatra vom Produktionsbeginn bis Anfang 2010 ausschließlich mit solchen Motoren ausgestattet. Viele Traktoren besitzen luftgekühlte Motoren, da sie unter gleichmäßigen Betriebsbedingungen arbeiten und besondere Anforderungen an einfache Wartung stellen. Heute wird erzwungene Luftkühlung bei den meisten Rollern, motorisierten Werkzeugen wie Kettensägen und Rasenmähern, kleinen Generatoren, Einachsschleppern sowie anderen selbstfahrenden und stationären kleinen Landwirtschafts- und Kommunalmaschinen eingesetzt. Für Letztere sind standardisierte Reihen einfacher ein- oder zweizylindriger luftgekühlter Motoren sehr verbreitet, die von verschiedenen Herstellern – Briggs & Stratton, Honda, Subaru und chinesischen Anbietern – als kompakte, vormontierte Einheit mit horizontaler Befestigungsebene angeboten werden.
Flüssigkeitskühlung
Das Flüssigkeitskühlsystem eines Motors besteht aus mehreren Elementen. Das aufwendigste davon ist der sogenannte Kühlmantel. Dabei handelt es sich um ein verzweigtes Netz von Kanälen im Inneren von Zylinderblock und Zylinderkopf. Neben dem Kühlmantel gehören zum System ein Kühler, ein Ausgleichsbehälter, eine Wasserpumpe, ein Thermostat, ein Kühlerlüfter, Verbindungsleitungen aus Metall und Gummi, Sensoren sowie Steuer- und Überwachungseinrichtungen.
Das System beruht auf dem Prinzip der Zwangsumwälzung, die von einer Wasserpumpe erzeugt wird. Durch den ständigen Abfluss der erhitzten Flüssigkeit wird der Motor gleichmäßig gekühlt; dies erklärt, warum dieses System in der großen Mehrheit moderner Autos eingesetzt wird.
Nachdem die Flüssigkeit durch die Kanäle in den Blockwänden geströmt ist, erwärmt sie sich und gelangt in den Kühler, wo sie vom Luftstrom abgekühlt wird. Während der Fahrt reicht der natürliche Fahrtwind zur Kühlung aus. Steht das Auto, wird der Luftstrom durch einen elektrischen Lüfter erzeugt, der durch ein Signal eines Temperatursensors aktiviert wird.
Details zu den wichtigsten Elementen der Wasserkühlung
Kühler
Der Kühler ist ein Bauteil aus Metallrohren mit kleinem Durchmesser, die zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche mit Aluminium- oder Kupferlamellen versehen sind. Im Grunde handelt es sich bei diesen Lamellen um mehrfach gefaltete Metallbänder. Die Oberfläche dieser Lamellen ist groß genug, sodass der Kühler pro Zeiteinheit viel Wärme an die Umgebung abgeben kann.
Das empfindlichste Element in der Motorkonstruktion ist der Turbolader, der mit extrem hohen Drehzahlen arbeitet. Bei Überhitzung ist die Zerstörung von Laufrad sowie Wellenlagern nahezu unvermeidlich.
Die erhitzte Flüssigkeit im Kühler strömt also gleichzeitig durch zahlreiche dünne Rohre und wird dabei sehr intensiv abgekühlt. Im Kühlerdeckel befindet sich ein Sicherheitsventil, das Dämpfe und überschüssige Flüssigkeit ablässt, die sich beim Erhitzen ausdehnt.
Bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe ist im Kühler ein zweiter, unabhängiger Kreislauf vorgesehen, in dem das Getriebeöl gekühlt wird.
Ausgleichsbehälter
Der Ausgleichsbehälter dient dazu, die Ausdehnung der Flüssigkeit bei steigender Temperatur auszugleichen. Je nach Systemauslegung kann der Behälter „einfach“ oder „komplex“ aufgebaut sein. Ein „einfacher“ Behälter ist ein Gefäß, das überschüssige, durch Erwärmung ausgedehnte Flüssigkeit aufnimmt. Durch den Deckel führt ein Gummischlauch; das andere Ende ist mit einem Anschluss am oberen Kühlerkasten verbunden.
In einer komplexeren Ausführung ist der Behälter ein vollwertiger Bestandteil des Kühlsystems. Er steht unter Druck, und im Behälterdeckel ist ein Ableitventil eingebaut. In diesem Fall muss sich stets Flüssigkeit im Behälter befinden, damit bei sinkender Motortemperatur keine Luft in den Kühler gelangt. Zur Kontrolle sind an der Wand des unter Druck stehenden Behälters Min- und Max-Markierungen angebracht.
Wasserpumpe
Die Wasserpumpe lässt das Kühlmittel im System zirkulieren. In der Regel handelt es sich um eine Kreiselpumpe, bei der der Druck durch ein Laufrad mit komplex geformten Schaufeln erzeugt wird, das im Gehäuse auf der Mittelachse sitzt.
Thermostat
Der Thermostat ist ein Bauteil, das eine konstante Temperatur im Zylinderblock aufrechterhält. Er verhindert, dass die Flüssigkeit den Motor überhitzen lässt. Er regelt die Menge des Kühlmittels, das durch den Kühler strömt.
Kühlerlüfter
In manchen Fällen reicht der einströmende Luftstrom nicht aus, um den Kühler wirksam anzublasen. Zur Sicherstellung der Wärmeabfuhr ist im Kühlsystem des Autos ein Lüfter vorgesehen. Bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb und längs eingebautem Motor wird häufig ein mechanischer Lüfter verwendet, der über einen Riemen von der vorderen Kurbelwellenriemenscheibe angetrieben wird. Die Drehzahl der Lüfterflügel wird über eine Thermokupplung – eine Art Viskokupplung – geregelt, an der das Lüfterrad befestigt ist.
Würde man das Lüfterrad ohne Thermokupplung direkt an der Riemenscheibe befestigen, könnten die Lüfterflügel bei Motordrehzahlen über 3000 Umdrehungen abbrechen.
Fahrzeuge mit Frontantrieb – und die meisten modernen Fahrzeuge mit Hinterradantrieb – verwenden einen elektrischen Lüfter. Er ist mit einem Luftleitgehäuse verbunden, das an Befestigungspunkten entlang der Kühlerkontur verschraubt ist. Der Vorteil des Elektrolüfters besteht darin, dass sein Betrieb mithilfe eines Steuergeräts flexibel geregelt werden kann, basierend auf den Messwerten des Kühlmitteltemperatursensors.
Zusätzliche Elemente
Zum Flüssigkeitskühlsystem gehören außerdem typische Steuer- und Überwachungselemente wie ein elektronisches Steuergerät, ein Temperatursensor usw. sowie Vorrichtungen zum Ablassen der Flüssigkeit. Die Flüssigkeit muss beispielsweise für Motorreparaturen abgelassen werden.
Schema des Flüssigkeitskühlsystems
Die Zirkulation des Kühlmittels im System erfolgt in einem kleinen und einem großen Kreislauf.
Der kleine Kreislauf ist beim Starten eines kalten Motors aktiv und sorgt für schnelles Warmlaufen. In diesem Kreislauf fließt die Flüssigkeit nicht durch den Kühler.
Steigt die Kühlmitteltemperatur auf 80 Grad, öffnet sich das Hauptventil des Thermostats leicht, und die Zirkulation setzt sich im großen Kreislauf fort, der den Kühler einschließt. Der Thermostat kann auch für eine andere Öffnungstemperatur ausgelegt sein.
Bei Erreichen von 94 Grad beginnt ein zusätzliches Thermostatventil zu schließen und begrenzt den Zugang des Kühlmittels zum kleinen Kreislauf – vom Motor zur Pumpe. Dadurch verhindert der Thermostat, dass überhitzte Flüssigkeit in die Wände des Zylinderblocks gelangt, und beugt Überhitzung vor.
Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors kann sich der Bewegungszyklus des Kühlmittels im System ändern. Die in jedem Kreislauf zirkulierende Flüssigkeitsmenge hängt direkt davon ab, wie weit das Hauptventil und das Zusatzventil des Thermostats geöffnet sind. Diese Schaltung sorgt automatisch für die Aufrechterhaltung des optimalen Temperaturbereichs für den Motor.
Vor- und Nachteile eines Flüssigkeitskühlsystems
Der Hauptvorteil der Flüssigkeitskühlung besteht darin, dass der Motor gleichmäßiger gekühlt wird, als wenn das Aggregat nur von einem Luftstrom angeblasen wird. Dieser Effekt beruht auf der höheren Wärmekapazität des Kühlmittels im Vergleich zu Luft.
Das Flüssigkeitskühlsystem kann die Geräusche des laufenden Motors deutlich reduzieren, da die Blockwände dicker ausgeführt werden können.
Die Trägheit des Systems verhindert, dass der Motor nach dem Abstellen schnell abkühlt. Die erwärmte Flüssigkeit wird genutzt, um den Fahrzeuginnenraum zu heizen und das brennbare Gemisch vorzuwärmen.
Gleichzeitig hat das Flüssigkeitskühlsystem mehrere Nachteile.
Der wichtigste Nachteil ist die Komplexität des Systems und die Tatsache, dass es nach dem Erwärmen der Flüssigkeit unter Druck arbeitet. Unter Druck stehende Flüssigkeit stellt hohe Anforderungen an die Dichtheit aller Verbindungen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Betrieb des Systems eine ständige Wiederholung des Erwärmungs- und Abkühlungszyklus bedeutet. Das belastet Verbindungen und Gummischläuche. Beim Erwärmen dehnt sich Gummi aus und zieht sich beim Abkühlen wieder zusammen, was Undichtigkeiten verursachen kann.
Außerdem können die Komplexität und die große Zahl der Bauteile an sich schon eine mögliche Ursache für „technische Katastrophen“ sein, die bei Ausfall eines wichtigen Teils – zum Beispiel des Thermostats – mit einem „Kochen“ des Motors einhergehen.
Was gehört in das Motorkühlsystem?
Zunächst erinnern wir uns daran, was sich in Ihrem Kühlsystem befindet. Vor nicht allzu langer Zeit war es durchaus üblich, Fahrzeuge anzutreffen, bei denen sich statt Frostschutzmittel Wasser im Motorkühlsystem befand. Glücklicherweise ist die Verwendung von Wasser als Kühlmittel heute die Ausnahme. Meist wird es nur in Notfällen verwendet, wenn dringend etwas ins System gefüllt werden muss, aber kein Frostschutzmittel zur Hand ist.
Vergleicht man die Eigenschaften von Wasser und einem speziellen Kühlmittel – Frostschutzmittel –, hat Letzteres viele Vorteile. Es besitzt beispielsweise einen höheren Siedepunkt, einen niedrigeren Gefrierpunkt und enthält weichmachende sowie korrosionshemmende Zusätze, die die Bildung von Kalk und Rost im Motorkühlsystem verhindern.
Damit ist die Frage entschieden: kein Wasser im Motorkühlsystem! Allerdings sollte man bedenken, dass die Lebensdauer des Systems stark von der Qualität des Kühlmittels abhängt. Kaufen Sie nicht einfach den erstbesten Kanister mit der Aufschrift „Antifreeze“; bevorzugen Sie ausschließlich Produkte zuverlässiger Hersteller mit allen erforderlichen Zertifikaten.
Die meisten gefälschten Flüssigkeiten enthalten aggressive Säuren, die mit der Zeit nicht nur Teile des Kühlsystems angreifen, sondern sogar im Zylinderkopf zur Bildung von „Kavitäten“ führen können. Deshalb raten wir davon ab, beim Frostschutzmittel zu sparen.
Ein weiteres wichtiges Qualitätskriterium des Kühlmittels ist das Vorhandensein spezieller fluoreszierender Zusätze, die helfen, Lecks im Motorkühlsystem aufzuspüren. Da das System dicht sein muss, sind Undichtigkeiten nicht akzeptabel.
Kühlsystem auf Undichtigkeiten prüfen
Die Prüfung des Motorkühlsystems auf Undichtigkeiten ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Wartung. In einem geschlossenen System kocht Frostschutzmittel erst bei einer Temperatur von 130 °C; unter normalen Bedingungen kocht es bereits bei 108 °C. Daher kann schon der kleinste Riss, beispielsweise im Kühler, in einem Gummischlauch oder im Ausgleichsbehälter, die Dichtheit beeinträchtigen und den Motor zum Kochen bringen.
Bei der Suche nach Mikrorissen im Motorkühlsystem helfen spezielle fluoreszierende Zusätze, die Bestandteil moderner Frostschutzmittel sind: Unter dem Licht einer UV-Lampe leuchten sie auf.
Leider besitzt jedoch nicht jeder Autofahrer eine solche Lampe. Daher empfehlen wir, bei der Wartung des Motorkühlsystems einige einfache Regeln zu beachten:
- Am Ausgleichsbehälter befinden sich MIN- und MAX-Markierungen zur Kontrolle des Flüssigkeitsstands. Bei kaltem Motor sollte der Frostschutzmittelstand zwischen diesen beiden Markierungen liegen.
- Sinkt der Kühlmittelstand im Ausgleichsbehälter ständig, deutet dies auf ein Leck hin, also auf eine Verletzung der Dichtheit des Motorkühlsystems.
- Prüfen Sie Kühler und Leitungen sorgfältig auf Lecks und Spuren von austretender Flüssigkeit. Ziehen Sie bei Bedarf die Verbindungsschellen nach und stellen Sie sicher, dass der Kühlerdeckel vollständig geschlossen ist.
Auch Luft im Fahrzeugkühlsystem – sogenannte „Luftblasen“ oder „Luftpolster“ – kann dessen Funktion beeinträchtigen. Im Folgenden zeigen wir die einfachste Methode, Luft aus dem Motorkühlsystem zu entfernen.
Das Vorhandensein von Luft im Kühlsystem wird wie folgt geprüft:
- Öffnen Sie den Deckel des Ausgleichsbehälters
- Schalten Sie die Innenraumheizung auf volle Leistung und lassen Sie den Motor zwei bis drei Minuten im Leerlauf laufen
- Befindet sich Luft im Kühlsystem, erscheinen Blasen im Ausgleichsbehälter
Um Luft aus dem Motorkühlsystem zu entfernen, muss das Auto auf einer Schräge abgestellt werden, sodass die „Front“ leicht nach oben angehoben ist. Anschließend gehen Sie wie folgt vor:
- Öffnen Sie den Kühlerdeckel und starten Sie das Auto.
- Schalten Sie die Heizung ein und lassen Sie den Motor einige Minuten laufen, damit Luft aus dem System entweichen kann.
- Danach kann der Motor abgestellt und der Kühlerdeckel geschlossen werden.
Sehen wir uns nun noch einige Punkte an, auf die Sie bei der Wartung des Motorkühlsystems achten sollten, um Störungen zu vermeiden oder zu beheben.
Worauf bei der Wartung des Motorkühlsystems zu achten ist
Um Störungen des Motorkühlsystems vorzubeugen, sollten regelmäßig die folgenden Wartungsarbeiten durchgeführt werden:
- Prüfung der Dichte des Kühlmittels
- Spannen des Antriebsriemens
- Reinigung des Motorkühlsystems
- Prüfung des Thermostats
- Prüfung des Motorkühlerlüfters
Prüfung der Dichte des Kühlmittels. Die Dichte des Frostschutzmittels wird mit einem Aräometer geprüft. Ist die Dichte zu hoch, verdünnen Sie die Flüssigkeit mit destilliertem Wasser; ist sie zu niedrig, füllen Sie ein entsprechendes Kühlmittel nach.
Spannen des Antriebsriemens. Eine der häufigsten Ursachen für Überhitzung eines Automotors – insbesondere bei mechanisch angetriebenem Lüfter – ist ein lockerer Antriebsriemen. Riemenschlupf verringert die Pumpenleistung und damit die Drehzahl des Laufrads.
Reinigung des Motorkühlsystems. Vergessen Sie außerdem nicht, den äußeren Zustand von Motor und Kühler zu prüfen. Sowohl Kühler als auch Motor müssen regelmäßig gereinigt werden, da Schmutz und Ablagerungen die ordnungsgemäße Motorkühlung beeinträchtigen. Häufig ist der Kühler mit Schlamm, Staub, Pappelflaum und anderem Schmutz zugesetzt. Diese Ablagerungen lassen sich leicht mit einem starken Wasserstrahl oder einem leistungsfähigen Staubsauger entfernen. Auch verschüttetes Motoröl und daran haftender Staub sollten regelmäßig abgewaschen werden.
Prüfung des Thermostats. Ein wichtiges Bauteil des Systems ist der Thermostat, der eine hohe Motortemperatur und ein schnelles Erwärmen des Motors unmittelbar nach dem Start sicherstellt. Wie lässt sich prüfen, ob der Thermostat korrekt funktioniert?
- Starten Sie den Motor.
- Warten Sie 2 Minuten und öffnen Sie die Motorhaube.
- Tasten Sie nun den Schlauch ab, der vom Kühler zum Thermostat führt.
- Wenn der Motor ausreichend warm geworden ist, öffnet ein funktionierender Thermostat den großen Kreislauf und lässt die Flüssigkeit durch den Kühler strömen.
Prüfung des Motorkühlerlüfters. Ein weiteres Element, das bei der Pflege des Motorkühlsystems Aufmerksamkeit erfordert, ist der Lüfter. Die meisten modernen Autos besitzen elektrische Kühlerlüfter, die von einem thermoelektrischen Sensor gesteuert werden, der in den Kühler eingeschraubt ist. Wird die eingestellte Temperatur erreicht, schließen die Sensorkontakte, und der Lüfter beginnt zu arbeiten und kühlt die Kühleroberfläche. Schaltet sich der Lüfter bei warm werdendem Motor nicht ein, kann die Ursache im Temperatursensor liegen. Die Funktion des Sensors lässt sich sehr einfach prüfen. Dazu müssen lediglich seine Kontakte überbrückt werden:
- Läuft der Lüfter, ist der Sensor defekt;
- wenn nicht, liegt die Ursache entweder im Lüftermotor oder im Stromkreis seiner Spannungsversorgung.
FAQ: Kurzer Überblick über Kühlsysteme
- Wie hoch ist die normale Temperatur von Frostschutzmittel in einem laufenden Motor?
Der optimale Temperaturbereich bei warmem Motor – also wenn der Motor vollständig seine Betriebstemperatur erreicht hat – liegt zwischen 80 und 90 Grad Celsius. Das ist die normale Kühlmitteltemperatur bei warmem Motor.
- Was passiert, wenn ich ein Auto ohne Thermostat fahre?
Die Hauptaufgabe eines Autothermostats besteht darin, die Betriebstemperatur des Motors zu regeln. Wenn Sie ohne Thermostat fahren, erreicht Ihr Motor daher nie seine optimale Betriebstemperatur, und die Heizung kann kalte Luft ausblasen.
- Wo kann ich Teile für das Kühlsystem kaufen?
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- Was passiert, wenn ich Wasser in das Kühlsystem fülle?
Der Motor reagiert darauf nicht sofort: Er startet, läuft und kann möglicherweise sogar eine Zeit lang so gefahren werden. In diesem Fall sind jedoch sowohl das Kühlsystem als auch der Antrieb selbst gefährdet. Wasser beginnt bereits bei 100 Grad zu kochen, was Risse in Leitungen, Undichtigkeiten und Schäden am Ausgleichsbehälter verursachen kann. Durch den Kontakt mit Wasser beginnen Metallteile des Kühlsystems zu rosten, außerdem bildet sich eine typische Kalkschicht.