Modernes Kühlsystemdesign: Es geht mehr um den Antriebsstrang als um die Temperatur

Das Lesen technischer Arbeiten ist in der Regel eine langweilige Übung, aber sie geben einem Techniker wie mir eine neue Perspektive darauf, wie ein herkömmliches Kfz-Kühlsystem tatsächlich verbessert werden könnte. Unser erster Gedanke ist natürlich, wie das Kühlsystem den Motor kühler halten kann. Laut einer Zeitung ist das nicht der Fall. Im Gegenteil, bei dem entscheidenden Wort geht es nicht um „Temperatur“, sondern um „Temperatur“. es geht um „Antriebsstrang“. Angesichts des fortgeschrittenen Stands der Verbrennungsmotorentechnologie (ICE) werden einige neuere Kühlsysteminnovationen tatsächlich das Motordrehmoment und den Kraftstoffverbrauch steigern und gleichzeitig die Abgasemissionen reduzieren. Lassen Sie mich diese Idee vereinfachen: Neue Kühlsystemtechnologie wird dafür sorgen, dass Verbrennungsmotoren besser und sauberer laufen. Lassen Sie uns also auf die gleiche Seite kommen, indem wir einige Grundlagen durchgehen.

Während die Optimierung des Kühlsystems für mehr Leistung und Wirtschaftlichkeit eine berauschende Angelegenheit ist, besteht der größte Teil dieser Geschichte darin, dass die aktuelle Kühlsystemtechnologie nicht so weit fortgeschritten ist wie die einfachen Thermo-Siphon-Systeme, die im frühen 20. Jahrhundert eingeführt wurden. Das Thermosiphonsystem zirkuliert das Kühlmittel, indem es thermisch ausgedehntes Kühlmittel vom heißen Motor in den Ausgleichsbehälter eines Messingkühlers mit vertikalem Kern aufsteigen lässt. Wenn das Kühlmittel aufgrund der thermischen Kontraktion zu sinken beginnt, strahlt das Kühlmittel Wärme an die Luftmasse ab, die durch den Kühlerkern strömt. Nachdem der Kühlerkern seine Kühlmittelwärme abgeführt hat, kehrt der Kühlmittelfluss zum unteren Motorblock zurück, um den Zyklus zu wiederholen. Aber so einfach sie auch waren, Thermo-Siphon-Systeme funktionierten nur bei Motoren mit weniger als 30 PS gut.

Mit dem Aufkommen höherer Leistung verwandelten riemengetriebene Zentrifugalwasserpumpen das Thermosiphonsystem in ein modernes positives Kühlsystem, das in nahezu jedem Klima betrieben werden kann. Leider sorgt die Zentrifugalwasserpumpe in den meisten Fahrsituationen für mehr Kühlmittelzirkulation, als der Motor benötigt, was sie im Hinblick auf die moderne Energieeinsparung äußerst ineffizient macht.

Die Verteilung des Wassers durch den Zylinderkopf wird durch in den Block eingegossene Kanäle und durch in die Zylinderkopfdichtung gestanzte Kanäle gesteuert. Unabhängig vom System bleibt die Verteilung eines gleichmäßigen Kühlmittelflusses durch den Motorblock, den Zylinderkopf und um heiße Auslassöffnungen das Hauptziel jedes modernen Kühlsystems.

Idealerweise sollte ein Verbrennungsmotor nahe dem Siedepunkt von Wasser betrieben werden, um sicherzustellen, dass Wasser, ein Nebenprodukt der Verbrennung, während des normalen Betriebs aus dem Motoröl verdampft. Ohne einen hohen Kühlmitteltemperatur-Sollwert verwandelt sich Motoröl schnell in einen schwarzen, hochviskosen Schlamm, der wichtige Ölkanäle verstopft und Innenteile korrodiert. Wachspellet-gesteuerte Thermostate sind heute die Standardmethode zur mechanischen Steuerung von Kühlmittelfluss und -temperatur.

Der Thermostat blockiert den Kühlmittelfluss während des Aufwärmens des Motors, was zu einem deutlichen Unterschied in der Wärmeausdehnungsrate zwischen Gusseisen-Motorblöcken und Aluminium-Zylinderköpfen führt. Diese Ungleichheit der Wärmeübertragung kann schließlich zu Metallermüdung im Zylinderkopf und zum Versagen der Zylinderkopfdichtung führen. Der Kühlmittel-Bypass-Kreislauf ermöglicht es der Wasserpumpe, die Motorbaugruppe gleichmäßig zu erwärmen, indem sie bei geschlossenem Thermostat Kühlmittel durch den Motorblock und den Zylinderkopf zirkuliert. Die meisten Bypass-Kreisläufe zirkulieren Kühlmittel direkt vom Druckauslass der Wasserpumpe zum Sockel des Thermostats, wodurch eine genaue Öffnungstemperatur des Thermostats gewährleistet wird.

Ein Kühler entzieht dem Kühlmittel Wärme, indem er sie an die relativ kühle Atmosphäre überträgt. Heizkörper haben sich von den Messingheizkörpern der Vergangenheit zu modernen Heizkörpern mit Aluminiumkern und Kunststoff-Kopftanks weiterentwickelt. Aus praktischen Gründen wurden früher Kühler an der Vorderseite des Karosserieblechs montiert, um bei Straßengeschwindigkeit frei strömende Luft zu sammeln. Heutzutage werden Kühler hinter Karosserieblechen platziert, um aerodynamische Ziele zu erreichen, was zu großen Designproblemen hinsichtlich der Kühlmittelkapazität des Kühlers und der Einwirkung frei strömender Luft führt.

Während reines Wasser das wirtschaftlichste Wärmeübertragungsmedium für ein Kühlsystem ist, gefriert es bei 32 °F und siedet bei 212 °F auf Meereshöhe. Es korrodiert außerdem schnell die inneren Teile des Kühlsystems. Alkohol, der ursprünglich zur Verhinderung des Einfrierens des Kühlsystems in frühen Automobilen eingesetzt wurde, verdampft bei hohen Betriebstemperaturen sehr schnell. Alkohol wurde schließlich durch Kühlmittel auf Glykolbasis ersetzt, die bei einer Konzentration von 50 % mit Wasser den Gefrierpunkt auf etwa -34,2 °F senken und den Siedepunkt in einem drucklosen Kühlsystem auf etwa +225 °F erhöhen.

In den 1950er Jahren wurden Druckkühlsysteme entwickelt, um ein Überkochen des Kühlmittels bei heißem Wetter und in großen Höhen zu verhindern. Darüber hinaus trägt die Druckbeaufschlagung des Kühlsystems dazu bei, hydraulische Erosion des Wasserpumpenlaufrads bei hohen Motordrehzahlen zu verhindern und das Versickern von Kühlmittel im Brennraum und in den Auslassöffnungsbereichen des Zylinderkopfs bei hoher Motorlast zu unterdrücken.

Der elektrische Lüfter erlangte große Verbreitung, als in den 1980er-Jahren FWD-Fahrzeuge mit Quermotor auf den Markt kamen. Im Gegensatz zu mechanisch angetriebenen Lüftern können elektrische Lüfter vollständig über das Motormanagementsystem gesteuert werden. Impulsmodulierte elektrische Kühlventilatoren mit variabler Drehzahl sind nur ein weiterer Bestandteil des Werkzeugkastens des Ingenieurs zur Steuerung des Kühlmittelflusses und der Temperaturen im Motorraum.

Jetzt können wir zu den Änderungen im modernen Kühlsystemdesign kommen. Kurz gesagt: Durch die Reduzierung der überstrichenen Fläche der Zylinder und der freiliegenden Fläche der Brennkammer wird die dünne Schicht unverbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) reduziert, die an den Metalloberflächen des Zylinders haftet und zu Grenzschichtabgasemissionen führt.

Mit Hilfe computergestützter Motormanagementsysteme sorgt die abgasbetriebene Turboaufladung für die Produktion von Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum und sehr hohem Drehmoment. Mithilfe der Benzin-Direkteinspritzung (GDI), der variablen Ventilsteuerung (VVT) und einem Verdichtungsverhältnis von bis zu 14:1 erzeugen diese Verbrennungsmotoren mit kleinem Hubraum nicht nur eine höhere Leistung bei geringeren Abgasemissionen, sondern auch auf einer kritischeren wirtschaftlichen Ebene. Sie benötigen außerdem weniger Platz unter der Motorhaube als ihre Pendants mit großem Hubraum.

Da die Kühlleistung auf der Leistung und nicht auf dem Hubraum des Motors basiert, muss das Kühlsystem genauso viel Wärme austauschen wie ein Motor mit großem Hubraum.

Die Erhöhung des mechanischen Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors erhöht die Leistungsabgabe und den Kraftstoffverbrauch. Mit der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses nehmen jedoch auch die Stickoxidemissionen (NOx) zu. Höhere Verdichtungsverhältnisse erfordern auch teureres Benzin mit hoher Oktanzahl, um eine zerstörerische Detonation zu verhindern, bei der sich der Kraftstoff unter starkem Zylinderdruck am Umfang des Kolbens selbst entzündet.

Während das Kühlen des Zylinderkopfes eine Voraussetzung dafür ist, eine Detonation bei hohem Motordrehmoment zu verhindern, ist das Warmhalten des Zylinderkopfes eine Voraussetzung für eine höhere Kraftstoffeffizienz bei niedrigem Motordrehmoment. Einige Hersteller haben eine Rückstromkühlung ausprobiert, die relativ kühles Kühlmittel vom unteren Kühler direkt zum Zylinderkopf transportiert. Ich habe keine Daten, die die Ergebnisse der Rückkühlung bei normalem Gebrauch belegen, aber die Theorie ist fundiert. Dennoch bleibt die Kontrolle der Zylinderkopftemperatur ein vorrangiges Ziel eines guten Kühlmittelmanagements in heutigen Motoren.

Die Regelung der Zylinderkopftemperatur ist kein stationärer Zustand. Wenn die Zylinderkopftemperaturen elektronisch gesenkt werden können, können theoretisch die Verdichtungsverhältnisse erhöht werden. Die Kehrseite dieser Aussage ist, dass, wenn die Kühlmitteltemperaturen übermäßig gesenkt werden, der Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen sinken, weil Benzin nicht schnell genug verdampft, um eine effiziente Kraftstoffverbrennung zu bewirken. Da der Verbrennungsmotor seinen besten Kraftstoffverbrauch bei hohen Kühlsystemtemperaturen und unter Bedingungen mit niedrigem Drehmoment erzielt, folgt daraus, dass eine tatsächliche Änderung der Motorkühlmitteltemperaturen, um sie an die Betriebsbedingungen des Motors anzupassen, das Motordrehmoment verbessert und den Kraftstoffverbrauch erhöht, weshalb wir computer- gesteuerte elektrische Thermostate in einigen Euro-Anwendungen.

Elektrische Wasserpumpen sind nicht neu. Sie werden derzeit in Hybridanwendungen und in einigen Luxusfahrzeugen der Oberklasse eingesetzt. Es liegt jedoch auf der Hand, dass eine computergesteuerte, impulsmodulierte elektrische Wasserpumpe im Gegensatz zur riemengetriebenen Kreiselwasserpumpe, die ständig mit maximaler Leistung läuft, bedarfsgesteuert und mit variablen Geschwindigkeiten arbeiten kann. Ein weiterer Vorteil einer elektrischen Wasserpumpe besteht darin, dass sie entfernt platziert werden kann, was in den heutigen überfüllten Motorräumen sicherlich ein Pluspunkt ist.

Derzeit werden in einigen konventionellen Antriebssträngen elektrische Wasserpumpen als Hilfswasserpumpen eingesetzt. Dadurch können Ingenieure den parasitären Widerstand einer riemengetriebenen Pumpe reduzieren, indem sie deren Pumpleistung reduzieren. In dieser Konfiguration erhöht eine elektrische Pumpe den Wasserfluss in Situationen mit hohem Wasserbedarf. Die Elektropumpe kann auch so konfiguriert werden, dass sie die Geschwindigkeit der Kühlmittelzirkulation je nach Betriebsbedingungen erhöht oder verringert. Auf jeden Fall werden wir in zukünftigen Antriebssträngen von Fahrzeugen wahrscheinlich mehr elektronisch gesteuerte Wasserpumpen und Thermostate sehen. TR