Die in diesem Kapitel 2 behandelten Themen sind eine teiweise Übernahme vom Kapitel 8 ‚Kühlsystem‘ des Fachbuches Küntscher/Hoffmann – Kraftfahrzeugmotoren, ergänzt um wesentliche den Kühlreislauf betreffende Inhalte (Link zum Buchverlag auf der Startseite und den Hauptkapitelseiten). Das Kapitel 8 ‚Kühlsystem‘ wird vom Autor dieser Website, Mirko Sierakowski, herausgegeben.
Das Kühlsystem eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors ist unter allen relevanten Betriebszuständen und Anwendungsbedingungen für Wärmeaufnahme, Wärmetransport sowie Wärmeab- und -zufuhr verantwortlich.
Im Verbrennungsmotor wird die mit dem Kraftstoff zugeführte chemische Energie in Arbeit und Wärme umgewandelt. Die Wärme wird zum Teil auf die mit den Verbrennungsgasen in unmittelbarer Verbindung stehenden Motorbauteile – Zylinderkopf, Zylinderbuchsen, Kolben, Ventile – übertragen. Wird die Wärme von diesen Bauteilen nicht im ausreichenden Maß abgeführt, so kann es wegen der begrenzten Temperaturbeständigkeit von Werkstoff und Schmiermittel an den Bauteilen des Verbrennungsmotors zu Schäden kommen, da eine thermische Überbeanspruchung die Festigkeit der Bauteile verringert und den Verschleiß erhöht. Bei ungleichmäßiger Erwärmung treten zusätzliche Spannungen in den Motorbauteilen auf.
Der mit dem Kraftstoff zugeführte Energieanteil, der als Wärme an das Kühlmittel übergeht, wird mit geeigneten Wärmeübertragern an die Atmosphäre abgeführt. Dies erfolgt bei der Luftkühlung auf direktem und bei der Flüssigkeitskühlung auf indirektem Wege. Hier wird ausschließlich die Flüssigkeitskühlung behandelt.
Die hierzu erforderlichen Kühlsysteme werden im Allgemeinen vom Finalproduzenten des Kraftfahrzeuges aus dem Motor und den zugelieferten Kühlsystemeinzelbauteilen erstellt. Bei unzureichender Abstimmung dieser Einzelbauteile (Kühlmittelpumpe, Kühler, Heizung, Ausgleichbehälter, Kühllüfter usw.) kann es zu Schäden am Kühlsystem z.B. durch zu hohe Druckbelastungen, ungenügendem Fahrzeuginnenraumkomfort durch zu geringe Heizleistung oder weiteren Beanstandungen kommen. Daher wird in diesem Kapitel die Kühlungsproblematik nicht nur auf den Motor beschränkt, sondern auf das Kühlsystem bezogen dargestellt, um den Motorenkonstrukteur erkennen zu lassen, dass der Motor lediglich ein Bauteil ist, welches sich optimal in das Gesamtsystem einfügen muss.
Die Anforderungen an das Kfz-Kühlsystem sind in den letzten Jahren gestiegen. Es sind weitere Baugruppen zur Wärmeabfuhr von Aufladesystemen, Strömungsgetrieben, Strömungsbremsen sowie hydraulischen Anlagen des Fahrzeugaufbaus, Zusatzheizungs- und Klimaanlagen, Abgasrückführungen und Elektronikbauteilen hinzugekommen. Außerdem ist der Trend zur besseren Regelbarkeit des Kühlsystems zu erkennen, um thermische und energetische Probleme der Kfz-Kühlung besser beherrschen zu können. Dies wird allgemein mit dem Begriff Wärmemanagement zusammengefasst.
Mit einem optimierten Wärmemanagement ist es möglich, gestiegene Anforderungen an den Verbrennungsmotor wie zu reduzierenden Kraftstoffverbrauch durch schnelleres Erreichen der Motorbetriebstemperatur sowie Verringerung der Abgasemissionen unmittelbar nach dem Kaltstart zu erreichen.
Bei Entwicklung und Betrieb von Kfz-Kühlsystemen treten vielfach Probleme wie Kavitationserscheinungen, Überschreitung der Grenzdrücke einzelner Kreislaufbauteile und ungenügende Kühlmittelvolumenströme über einzelne Kreislaufzweige auf. Außerdem besteht die Forderung des Kfz-Herstellers nach geringen Verlustleistungen des Neben-aggregates Kühlmittelpumpe und eventuell zu verwendender Hilfspumpen. Deshalb müssen Kfz-Kühlsysteme wärme- und strömungstechnisch optimiert werden.
Neben der stationären Untersuchung des Kühlsystems ohne Betrieb des Verbrennungsmotors (‚unbefeuerter Motor‘) und mit Betrieb des Motors (‚befeuerter Motor‘) unter Beaufschlagung des Fahrzeuges mit unterschiedlichen atmosphärischen Einflüssen und Fahrgeschwindigkeiten im Klimawindkanal können Kfz-Kühlsysteme bereits in der Entwicklungsphase mit geeigneten Rechenmodellen wärme- und strömungstechnisch ausgelegt und ggf. optimiert werden.
Kühlkreisläufe für hybid- oder rein elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge zeigen im Detail abweichende, aber insgesamt ähnliche Verhältnisse wie reine Verbrennungsmotoren-Kühlkreisläufe. Die hier dargestellten Auslegungs- und Berechnungsvorschriften können also prinzipiell übernommen werden, müssen aber ggf. an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Die Bezeichnung ‚Kühlkreislauf‘ gilt für alle kühlmittelführenden Elemente des Kühlsystems. Der Begriff ‚Kühlsystem‘ bezeichnet sämtliche für die Kühlung verantwortlichen Bauteile, also den Kühlkreislauf und die Luftseite der Kühlung wie z.B. Kühllüfter, Lüfterkupplung usw.