MOTORKÜHLUNG - GRUNDLAGEN

Hier finden Sie nützliches Grundlagenwissen zum Thema Motorkühlung bei Fahrzeugen.

Damit der Verbrennungsmotor effizient und schadstoffarm arbeiten kann, muss er möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen und diese in allen Lastzuständen auch halten. Das gewährleistet die Motorkühlung, die gleichzeitig auch den Fahrgastraum mit Wärme versorgt. Auf dieser Seite beschreiben wir die Funktion der Motorkühlung und ihrer Bauteile. Zudem informiert Sie ein Video über den fachgerechten Austausch einer Visco-Kupplung.

Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildeten Fachpersonal genutzt werden.

 

MOTORKÜHLSYSTEM: GRUNDLAGEN

Das Motorkühlsystem hat die Aufgabe den Motor zu kühlen, indem Wärme an die Außenluft abgegeben wird. Gleichzeitig entsteht durch den Betrieb des Motors Wärme, die für die Aufheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden kann. Motorkühlsystem und Klimaanlage sind zwei voneinander getrennte Systeme, die sich jedoch gegenseitig beeinflussen. Die einzelnen Komponenten des Kühlkreislaufs sind durch Schlauchleitungen miteinander verbunden und bilden so ein geschlossenes System. In dem System zirkuliert das Kühlmittel, angetrieben durch eine mechanische oder elektrische Pumpe.

Funktion

Die bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehende Wärme, die auf die Bauteile des Motors übergeht, wird an das Kühlmittel abgegeben. Durch die Zirkulation wird Wärme an die Außenluft abgeführt und damit das Kühlmittel abgekühlt. Ein oder mehrere Lüfter (mechanisch oder elektrisch angetrieben), die vor oder hinter dem Kühler angebracht sein können, unterstützen den Abkühlungsprozess. Insbesondere geschieht dies bei langsamer Fahrt oder Stillstand des Fahrzeugs. Um die Temperatur des Kühlmittels bzw. des Motors relativ konstant zu halten, wird der Kühlmittelfluss durch ein Thermostat gesteuert.

KÜHLMITTELKÜHLER: FUNKTION

Der Kühler ist ein unverzichtbarer Bestandteil des Motorkühlsystems. Grundsätzlich unterscheidet man zwei unterschiedliche Herstellungsarten: Gefügt oder gelötet. Behr Hella Service hat für bestimmte Fahrzeuge beide Varianten im Angebot.

 

Die Hauptanforderungen an den Kühler sind wie folgt:

  • hohe Leistungsdichte
  • ausreichende Festigkeit
  • dauerhafte Korrosionsbeständigkeit
  • umweltverträgliche Herstellung

 

Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden bei modernen Pkw-Kühlern fast ausschließlich Kühlerblöcke aus Aluminium verwendet.

Typischer Aufbau

Der Kühler sorgt dafür, dass das Kühlmittel im Motorkreislauf konstant gekühlt wird. Durch den Zusammenbau der einzelnen Komponenten erhält er seine Form. Die Kühlung findet über die Kühlrippen (Netz) statt, die durchströmende Luft entnimmt Wärme aus dem Kühlmittel. Die Strömung des Kühlmittels verläuft von oben nach unten, genannt Fallstrom, oder mit einem Querstrom (von rechts nach links oder umgekehrt). Bei beiden Varianten gewährleisten ausreichend dimensionierte Oberflächen und Querschnitte eine effektive Abkühlung des Kühlmittels durch die Umgebungsluft.

Die Varianten

Bei der Herstellung werden grundsätzlich zwei verschiedene Produktionsmethoden unterschieden: Die Bauteile können entweder mechanisch gefügt oder gelötet sein. Die technischen Leistungsdaten beider Herstellungsverfahren sind annähernd identisch. Die mechanisch gefügte Variante weist lediglich ein geringeres Gewicht auf. Die Fahrzeughersteller entscheiden letztendlich, welches Verfahren in Serie eingesetzt wird.

Die Konstruktion der Rohr-/ Rippengeometrie des Kühlers entscheidet über die jeweilige Leistungsfähigkeit. Dabei ist der zur Verfügung stehende Bauraum im Fahrzeug zu beachten.

Gelötete vs. gefügte Kühler im Vergleich

Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die wesentlichen Unterschiede zwischen den Kühlervarianten.

  Gefügt Gelötet
Rohre Oval, bzw. rund Lotplattierte Flachrohre, zur Verstarkung gefaltet bzw. mit Sicken versehen
Rippen Gestanzt, aufgesteckt Gewalzte Wellrippen
Verbindung Durch Aufweiten der Rohre und Aufstecken Durch Verloten
Sonstiges Geringeres Gewicht
  • Ein Flachrohr i.d.R. ausreichend fur gesamte Systemtiefe
  • Hohe des Bauteils entscheidet uber die Anzahl der Flachrohre

 

Ganz-Aluminium Kühler

Wie hier zu sehen ist, ist bei der Ganz-Aluminiumkühler-Bauart die Netztiefe wesentlich reduziert. Diese Bauart hilft die Gesamttiefe des Kühlungsmoduls gering zu halten, z.B. ist der Ganz- Aluminiumkühler des Audi A8, 11% leichter und hat eine 20 mm geringere Bautiefe.

 

Diese Bauart hat folgenden Eigenschaften:

  • Der obere Boden entfällt
  • Netztiefe ist gleich Kühlertiefe
  • 5-10% Gewichtsreduzierung
  • Höhere Betriebsfestigkeit
  • Berstdruck 5 bar
  • Als Ganzes recyclingfähig
  • Transportschäden werden reduziert (Überlaufstutzen)
  • Verschiedene Rohrarten können genutzt werden
  • Rundrohr bei höherer Leistung mit Turbulenzeinlage
  • Ovalrohr (bedeutet mehr Fläche zum Abkühlen)
  • Flachrohr mechanische Fertigung Kassetierung (noch mehr Fläche und nur noch einreihig nötig)
  • Flachrohr gelötet ohne Flussmittel (beste Abkühlung, Lamellen sitzen zu 100% an), aber kostenintensiv
  • Spezielle Alulegierung wird verwendet (Netz)
  • Temperatur 600-650 °C danach Abkühlung auf ca. 130 °C (Spannungen werden ausgeglichen)

AUSGLEICHSBEHÄLTER: FUNKTION

Zur Vermeidung von örtlicher Überhitzung der Bauteile ist ein blasenfreier Kühlmittelkreislauf erforderlich. Das Kühlmedium tritt mit großer Geschwindigkeit in den Behälter ein und mit niedriger Geschwindigkeit wieder aus (unterschiedliche Stutzendurchmesser). Nkw-Ausgleichsbehälter haben 3 Kammern und eine große Wassermenge, z. B. 8 Liter Kühlmittel-Volumen. Der Ausgleichsbehälter dient zur Aufnahme von expandiertem Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf. Der Druck wird durch ein Ventil abgebaut und dadurch der Systemdruck auf einem voreingestellten Wert gehalten.

Funktion

Hohe Kühlmitteltemperatur führt zu einem Druckanstieg im Kühlsystem, da sich das Kühlmittel ausdehnt. Das Kühlmittel wird in den Behälter gepresst. Der Druck im Behälter steigt an. Das Überdruckventil im Verschlussdeckel öffnet sich und lässt Luft entweichen.

 

Bei Normalisierung der Kühlmitteltemperatur entsteht ein Unterdruck im Kühlsystem. Kühlmittel wird aus dem Behälter abgesaugt. Hierdurch entsteht im Behälter ebenfalls ein Unterdruck. Als Folge öffnet das Unterdruckausgleichs-Ventil im Verschlussdeckel des Behälters. Luft strömt in den Behälter, bis ein Druckausgleich erreicht ist.

THERMOSTAT: FUNKTION

Thermostate kontrollieren die Temperatur des Kühlmittels und dadurch auch die Motortemperatur. Mechanische Thermostate haben sich über die Jahre nicht viel geändert und werden immer noch verbaut. Die Funktion erfolgt durch ein expandierendes Wachselement, das ein Ventil öffnet und das Kühlmittel zum Kühlmittelkühler leitet. Das Thermostat öffnet sich bei einer bestimmten Temperatur, die für das System vorgegeben und nicht zu ändern ist. Elektronisch gesteuerte Thermostate werden von der Motorsteuerung geregelt und öffnen je nach Betriebsverhältnis des Motors. Elektronisch ansteuerbare Temperaturregler tragen durch Verbesserung des mechanischen Motorwirkungsgrades zur Kraftstoffreduzierung und Verminderung von Schadstoffemissionen bei.

 

Vorteile elektronisch gesteruerter Thermostate:

  • Reduzierung des Kraftstoffverbrauches um ca. 4%
  • Reduzierung der Schadstoffemissionen
  • Komfortverbesserung (durch Verbesserung der Heizleistung)
  • Längere Motorlebensdauer
  • Erhaltung der Strömungsverhältnisse und der thermodynamischen Bedingungen
  • Bedarfsorientierte Temperaturregelung
  • Höchste Temperaturänderungsgeschwindigkeit
  • Geringste Bauvolumenzunahme (< 3%)

Funktion

Bei einer Erwärmung über 80 °C schmilzt die Wachsfüllung. Durch die Volumenzunahme des Wachses verschiebt sich die Metalldose auf dem Arbeitskolben. Der Thermostat öffnet den Kühlerkreislauf und schließt gleichzeitig den Kurzschlusskreislauf. Bei Temperaturabnahme unter 80 °C erstarrt die Wachsfüllung. Eine Rückstellfeder drückt die Metalldose in die Ausgangsstellung zurück. Der Thermostat schließt den Zufluss zum Kühler. Das Kühlmittel fließt über die Kurzschlussleitung direkt zum Motor zurück.

KÜHLMITTELPUMPEN: GRUNDLAGEN

Kühlmittelpumpen befördern das Kühlmittel durch den Kreislauf und bauen den Druck auf. Die Kühlmittelpumpen unterliegen auch technischen Neuerungen, allerdings sind noch viele Pkw und Lkw mit riemengetriebenen Kühlmittelpumpen im Markt. Die nächste Generation werden elektronisch gesteuerte Kühlmittelpumpen sein. Hier wird die Kühlmittelpumpe nach Bedarf angetrieben, ähnlich wie der Kompressor im Klimakreislauf. Dadurch wird eine optimale Betriebstemperatur erreicht.

 

Finden Sie hier weitere technische Informationen zu Kühlmittelpumpen.

WÄRMETAUSCHER: FUNKTION

Der Wärmetauscher liefert Wärme, die mit dem Luftstrom des Gebläses in den Fahrzeuginnenraum befördert wird. Wenn eine Klimaanlage vorhanden ist, was heute meistens der Fall ist, wird eine Mischung aus kalter und warmer Luft von der Klimasteuerung erzeugt. Hier kommen alle 3 Faktoren zusammen, Wärme, Kälte und die entsprechende Steuerung = Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums.

 

Eigenschaften:

  • Voll recyclingfähig
  • Sicherstellung der gewünschten Innenraumtemperatur
  • Gelötete Wärmetauscher in Ganz-Aluminium-Bauweise
  • Geringerer Platzbedarf im Fahrzeuginnenraum
  • Hohe Heizleistung
  • Endböden gelötet und nicht geklammert
  • Sind im Heizungskasten verbaut
  • Bauart – mechanisch gefügt
  • Rohr Rippen System
  • Mit Turbulenzeinlagen, zur Verbesserung des Wärmeübergangs
  • Kiemenfelder in den Rippen erhöhen die Leistungsfähigkeit
  • Neuster Stand, wie beim Kühlmittelkühler – Ganz-Aluminium

MOTORLÜFTER: FUNKTION

Der Motorlüfter dient zur Beförderung der Umgebungsluft durch den Kühlmittelkühler und über den Motor. Er wird durch den Keilriemen angetrieben oder im Fall eines Elektrolüfters von einem Steuergerät geregelten Elektromotor. Der Viscolüfter (Visco®) wird hauptsächlich im Nkw-Bereich benutzt, ist aber auch im Pkw-Bereich im Einsatz. Der Motorlüfter gewährleistet das Durchströmen einer ausreichenden Luftmenge, um das Kühlmittel abzukühlen. Beim keilriemenangetriebenen Lüfter ist die Luftmenge abhängig von der Motordrehzahl. Er unterscheidet sich vom Kondensatorlüfter, indem er ständig angetrieben wird. Der Viscolüfter wird über die Betriebstemperatur gesteuert.

Viscolüfter

Visco® ist ein Behr Produkt und ist auch ein registrierter Produktname.

 

Funktionsweise:
Einschaltpunkt voll bei ca. 80 °C. Mit Siliconöl als Triebmittel befüllt (30 bis 50 ml), durch Bimetall eingeschaltet und über den Druckstift betätigt.

 

Historie:
Starr (permanent angetrieben) erfordert er eine hohe Energie (PS), ist laut, bei gleichzeitig hohem Verbrauch. Dagegen sind elektrische Lüfter (Pkw) günstiger im Verbrauch, geräuscharm und haben einen geringeren Energiebedarf. Die Entwicklungsziele waren niedriger Verbrauch und weniger Geräusche, z.B. Lärmreduzierung durch Mantellüfter.

 

Die Weiterentwicklung zur elektronischen Viscokupplung ergab:

  • Regelung erfolgt stufenlos
  • Regelt mittels Sensoren
  • Regler verarbeitet Daten, z.B. Kühlmittel, Öl, Ladeluft, Motordrehzahl, Retarder, Klima

Viscolüfter ermöglichen eine bedarfsgerechte Kühlung, Verbesserung von Kühlmitteltemperaturniveau, geringeres Geräusch und weniger Kraftstoffverbrauch. Im Pkw-Bereich waren früher die Lüfter 2-teilig, Visco®-Kupplung und Lüfterrad waren geschraubt. Heute sind sie gerollt und somit nicht mehr reparabel. Die elektronische Visco®-Kupplung wird derzeit nur im Range Rover eingebaut.

 

Und so funtioniert die elektronische Visco®-Kupplung: Die Primärscheibe und die Flanschwelle übertragen die Kraft des Motors. Mit dieser ist auch der Lüfter fest verbunden. Zirkulierendes Silkonöl bewirkt die Kraftübertragung beider Baugruppen. Durch den Ventilhebel wird der Ölkreislauf zwischen Vorratsraum und Arbeitsraum gesteuert. Der Fluss des Silikonöls vom Vorratsraum zum Arbeitsraum und zurück, erfolgt zwischen zwei Bohrungen, die Rücklauf-Bohrung im Gehäuse und die Zulauf-Bohrung in der Primärscheibe. Den Ventilhebel steuert das Motormanagement über Impulse an die Magnet-Baugruppe. Der Hall-Sensor ermittelt und informiert das Motormanagement über die aktuelle Drehzahl des Lüfters. Ein Regler leitet einen getakteten Steuerstrom an die Magnet-Baugruppe, die den Ventilhebel steuert, der wiederum den Ölfluss und die Ölmenge kontrolliert. Umso mehr Silikonöl sich im Arbeitsraum befindet, desto höher ist die Drehzahl des Lüfters. Bei leerem Arbeitsraum befindet sich der Lüfter im Leerlauf, beim Antrieb besteht ein Schlupf von etwa 5%.

VIDEO ZUM THEMA

Fachgerechter Austausch der Visco-Kupplung

Beginnend mit Prüfung und Diagnose geben wir eine schrittweise Beschreibung zu einem fachgerechten Austausch der Visco-Kupplung.

 

04:18 min