Es ist an der Zeit, die Motorkühlung zu überdenken

Es ist an der Zeit, die Motorkühlung zu überdenken

Alle Verbrennungsmotoren verlieren durch die ineffiziente Umwandlung von chemischer Energie in Wärme und die anschließende Umwandlung in kinetische Energie eine beträchtliche Menge Leistung. Selbst ein moderner Formel-1-Motor arbeitet hinsichtlich der Umwandlung der verfügbaren Energie aus der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in Kraft auf die Hinterräder relativ unwirtschaftlich. Gemessen wird dies mittels des „Wärmewirkungsgrads” und dieser liegt in der Regel bei etwa 30 %: Soll heißen, wenn ein durchschnittlicher Formel-1-Motor auf dem Prüfstand knapp 650 kW erzeugt, „verpuffen“ weitere circa 1500 kW, die nicht dazu beitragen, das Auto anzutreiben.

Was also passiert mit der Energie? Ein kleiner Prozentsatz wird in den unverwechselbaren Klang eines Formel-1-Wagens umgewandelt. Der Großteil jedoch muss als Wärme aus verschiedenen Motorbereichen abgeführt werden: über das Öl rund 120 kW und über die Wasserkühlung 160 kW. Aufgrund des limitierten Wirkungsgrades des Getriebes werden über dieses 15 kW abgeführt, während durch die Hydraulik weitere 3 kW „verloren“ gehen.

In den Kühlsystemen dieser Hochleistungsmotoren herrscht häufig ein Druck von bis zu 3,75 bar und die Kühlflüssigkeit hat einen Siedepunkt von etwa 120° C.

Das Kühlsystem eines modernen Pkws weist typischerweise einen Druck in der Größenordnung von 0,9 bis 1,1 bar auf, wodurch der Siedepunkt um etwa 22° C angehoben wird; daraus ergibt sich eine Betriebstemperatur des Kühlmittels von circa 100° C.

Gleichzeitig kann eine typische Wasserpumpe maximal etwa 28.000 Liter Kühlmittel pro Stunde bewegen oder das Kühlwasser im Motor mehr als 20 Mal pro Minute umwälzen, wobei sie bis zu 2 kW verbraucht.

Diese Zahlen sind seit Langem bekannt und werden von Automobil-Ingenieuren seit über 100 Jahren als Faustregel angewandt; aber die Regeln ändern sich: Die Gründe dafür sind das Downsizing (Verkleinerung der Motoren), um die immer strengeren Abgasvorschriften zu erfüllen, und die Verbreitung von Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV).

Elektromobilität spart Energie, aber man sollte den Druck nicht vergessen

In dem Bemühen, die Leistungsfähigkeit der gegenwärtigen und zukünftigen Antriebssysteme zu steigern, untersuchen Hersteller alle Verlustquellen eingehend. Dazu gehört auch, das Kühlsystem und insbesondere die mechanische Wasserpumpe einer kritischen Betrachtung zu unterziehen.

Während durch die Entkopplung der Wasserpumpe vom Motor erhebliche Einsparungen erzielt werden können, bedarf es im Grunde einer Neuqualifizierung der Leistung des gesamten Kühlsystems, einschließlich der Betriebsdrücke unter schwankenden Temperaturen und Motordrehzahlen.

Bei einem Elektromotor ist der Druck des Kühlsystems nicht mehr direkt proportional zur Motordrehzahl, sondern eher vom Bedarf des Motors abhängig; daher ist es wichtig, dass der Druck des Kühlsystems bei der Entwicklung jederzeit überwacht wird. Das gewährleistet den sicheren Betrieb von Bauteilen wie Kühler und Wasserschläuche.

Für die Entwicklung einer im Grunde genommen neuer Technologie braucht man Drucksensoren von erstklassiger Qualität und Genauigkeit, um den Druck der Anlage zu erfassen und darzustellen. Es gibt nur eine Handvoll von Drucktransmitterherstellern, deren Produkte all diese Anforderungen erfüllen.

Diese Sensoren müssen nicht nur präzise Daten erfassen können, sondern müssen auch robust sein: Es ist aufgrund der Einsatzbedingungen erforderlich, dass sie in einem großen Temperaturbereich einwandfrei funktionieren und sowohl Vibrationen als auch dem Kontakt mit chemischen Stoffen standhalten.

Obwohl diese Technologie derzeit vor allem auf hochwertige Automarken wie etwa BMW und Mercedes-Benz zugeschnitten ist, wird sie durch die Einführung neuer Automodelle auch auf anderen Pkw-Klassen ausgedehnt werden. Und bei all diesen werden die Kühlsysteme den gleichen strengen Qualifizierungsprozess zu durchlaufen haben, um ihre Haltbarkeit und den Schutz des sehr kostspieligen Motors zu gewährleisten.

Abonnieren Sie unserenNewsletter

Tragen Sie sich in unsere Mailingliste ein, um die neuesten Nachrichten und Updates von unserem Team zu erhalten.

Sie haben sich erfolgreich angemeldet!