Die Rolle des Lüfters bei der Flüssigkeitskühlung

Die Übertragung der beim Betrieb des Motors entstehenden Wärme an die Atmosphäre erfordert ein ständiges Anblasen des Kühlers des Kühlsystems. Die Intensität des entgegenkommenden Hochgeschwindigkeitsluftstroms reicht hierfür nicht immer aus. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und Vollstopps kommt ein speziell entwickelter zusätzlicher Kühlventilator zum Einsatz.

Schematische Darstellung der Lufteinblasung in den Kühler

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Durchgang von Luftmassen durch die Wabenstruktur des Heizkörpers sicherzustellen: Luft von außen entlang der Richtung der natürlichen Strömung zu drücken oder von innen ein Vakuum zu erzeugen. Es gibt keinen grundsätzlichen Unterschied, insbesondere wenn ein System von Luftschirmen – Diffusoren – verwendet wird. Sie sorgen für eine minimale Strömungsgeschwindigkeit für nutzlose Turbulenzen um die Lüfterblätter herum.

Somit gibt es zwei typische Möglichkeiten, das Blasen zu organisieren. Im ersten Fall befindet sich der Lüfter am Motor- oder Kühlerrahmen im Motorraum und erzeugt einen Druckstrom zum Motor, indem er Luft von außen ansaugt und durch den Kühler leitet. Um ein Leerlaufen der Schaufeln zu verhindern, wird der Raum zwischen Kühler und Laufrad mit einem Kunststoff- oder Metalldiffusor möglichst dicht verschlossen. Seine Form begünstigt zudem die Ausnutzung maximaler Wabenfläche, da der Lüfterdurchmesser meist deutlich kleiner ist als die geometrischen Abmessungen des Kühlkörpers.

Wenn sich das Laufrad auf der Vorderseite befindet, ist der Lüfterantrieb nur über einen Elektromotor möglich, da der Kühlerkern eine mechanische Verbindung mit dem Motor verhindert. In beiden Fällen kann die gewählte Form des Kühlkörpers und die erforderliche Kühleffizienz den Einsatz eines Doppellüfters mit Laufrädern mit kleinerem Durchmesser erfordern. Dieser Ansatz geht in der Regel mit einer Komplikation des Betriebsalgorithmus einher, da die Lüfter separat geschaltet werden können und die Luftstromintensität je nach Last und Temperatur angepasst werden kann.

Das Lüfterrad selbst kann ein recht komplexes und aerodynamisches Design haben. Es gibt eine Reihe von Anforderungen:

• Anzahl, Form, Profil und Steigung der Schaufeln sollten minimale Verluste gewährleisten, ohne dass zusätzliche Energiekosten durch nutzloses Zerkleinern der Luft entstehen.
• in einem bestimmten Drehzahlbereich ist ein Strömungsabriss ausgeschlossen, da sich sonst der Wirkungsgradabfall auf das thermische Regime auswirkt;
• Der Lüfter muss ausgewuchtet sein und darf keine mechanischen und aerodynamischen Vibrationen erzeugen, die Lager und angrenzende Motorteile, insbesondere dünne Kühlerstrukturen, belasten können.
• Im Einklang mit dem allgemeinen Trend, den von Fahrzeugen erzeugten akustischen Hintergrund zu reduzieren, wird auch der Lärm des Laufrads minimiert.

Wenn wir moderne Autoventilatoren mit primitiven Propellern vor einem halben Jahrhundert vergleichen, können wir feststellen, dass die Wissenschaft mit solch ziemlich offensichtlichen Details gearbeitet hat. Das ist schon äußerlich zu erkennen und im Betrieb erzeugt ein guter Lüfter nahezu geräuschlos einen unerwartet starken Luftdruck.

Lüfterantriebsarten

Um einen intensiven Luftstrom zu erzeugen, ist eine erhebliche Menge an Lüfterantriebsleistung erforderlich. Die Energie hierfür kann dem Motor auf verschiedene Weise entnommen werden.

Kontinuierliche Drehung durch eine Riemenscheibe

Bei den frühen einfachsten Konstruktionen wurde das Lüfterrad einfach auf die Antriebsriemenscheibe der Wasserpumpe gesteckt. Für die Leistung sorgte der beeindruckende Durchmesser des Umfangs der Klingen, bei denen es sich lediglich um gebogene Metallplatten handelte. Es gab keine Lärmvorschriften, der alte Motor in der Nähe dämpfte alle Geräusche.

Die Drehzahl war direkt proportional zur Umdrehung der Kurbelwelle. Ein gewisses Element der Temperaturkontrolle war vorhanden, da mit zunehmender Belastung des Motors und damit seiner Drehzahl auch der Lüfter begann, stärker Luft durch den Kühler zu treiben. Deflektoren wurden selten eingebaut, alles wurde durch überdimensionierte Kühler und viel Kühlwasser ausgeglichen. Allerdings war das Konzept der Überhitzung den damaligen Autofahrern wohlbekannt, da es sich um den Preis für Einfachheit und mangelndes Nachdenken handelte.

Viskosekupplungen

Primitive Systeme hatten mehrere Nachteile:

• schlechte Kühlung bei niedrigen Drehzahlen aufgrund der geringen Drehzahl des Direktantriebs;
• Mit einer Vergrößerung des Laufrads und einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses zur Erhöhung des Luftstroms im Leerlauf begann der Motor mit zunehmender Drehzahl zu unterkühlen, und der Kraftstoffverbrauch für die stumpfe Drehung des Propellers erreichte einen erheblichen Wert;
• Während der Motor warmlief, kühlte der Lüfter den Motorraum hartnäckig weiter und erfüllte genau die gegenteilige Aufgabe.

Es war klar, dass weitere Steigerungen der Motoreffizienz und -leistung eine Steuerung der Lüftergeschwindigkeit erfordern würden. Das Problem wurde bis zu einem gewissen Grad durch einen Mechanismus gelöst, der in der Technik als Viskokupplung bekannt ist. Aber hier sollte es auf besondere Weise arrangiert werden.

Die Lüfterkupplung besteht, wenn wir sie uns vereinfacht und ohne Berücksichtigung verschiedener Ausführungen vorstellen, aus zwei gekerbten Scheiben, zwischen denen sich eine sogenannte nicht-Newtonsche Flüssigkeit, also Silikonöl, befindet, deren Viskosität sich je nach ändert die relative Bewegungsgeschwindigkeit seiner Schichten. Bis zu einer ernsthaften Verbindung zwischen den Scheiben durch ein viskoses Gel, in das es sich verwandelt. Es bleibt nur noch, dort ein temperaturempfindliches Ventil zu platzieren, das diese Flüssigkeit bei steigender Motortemperatur in den Spalt fördert. Ein sehr gelungenes Design, leider nicht immer zuverlässig und langlebig. Aber oft verwendet.

Der Rotor war an einer Riemenscheibe befestigt, die sich von der Kurbelwelle aus drehte, und auf den Stator wurde ein Laufrad aufgesetzt. Bei hohen Temperaturen und hohen Drehzahlen erbrachte der Lüfter die geforderte Höchstleistung. Ohne überschüssige Energie abzuführen, wenn kein Luftstrom benötigt wird.

Magnetkupplung

Um nicht unter Chemikalien in der Kupplung zu leiden, die nicht immer stabil und langlebig sind, greift man oft auf eine aus elektrotechnischer Sicht verständlichere Lösung zurück. Die elektromagnetische Kupplung besteht aus Reibscheiben, die in Kontakt stehen und unter der Wirkung eines dem Elektromagneten zugeführten Stroms eine Drehung übertragen. Der Strom kam von einem Steuerrelais, das über einen Temperatursensor schloss, der normalerweise an einem Kühler montiert ist. Sobald ein unzureichender Luftstrom festgestellt wurde, dh die Flüssigkeit im Kühler überhitzt war, schlossen sich die Kontakte, die Kupplung funktionierte und das Laufrad drehte sich mit demselben Riemen durch die Riemenscheiben. Die Methode wird häufig bei schweren Lkw mit leistungsstarken Lüftern eingesetzt.

direkter Elektroantrieb

Am häufigsten wird in Personenkraftwagen ein Lüfter mit einem direkt auf der Motorwelle montierten Laufrad verwendet. Die Stromversorgung dieses Motors erfolgt wie im beschriebenen Fall mit einer Elektrokupplung, lediglich ein Keilriemenantrieb mit Riemenscheiben ist hier nicht erforderlich. Bei Bedarf erzeugt der Elektromotor einen Luftstrom und schaltet sich bei normaler Temperatur ab. Die Methode wurde mit dem Aufkommen kompakter und leistungsstarker Elektromotoren umgesetzt.

Eine praktische Eigenschaft eines solchen Antriebs ist die Möglichkeit, bei stehendem Motor zu arbeiten. Moderne Kühlsysteme sind stark belastet, und wenn der Luftstrom abrupt stoppt und die Pumpe nicht funktioniert, ist an Orten mit maximaler Temperatur eine lokale Überhitzung möglich. Oder kochendes Benzin im Kraftstoffsystem. Der Lüfter kann nach dem Stoppen noch eine Weile weiterlaufen, um Problemen vorzubeugen.

Probleme, Störungen und Reparaturen

Das Einschalten des Lüfters kann bereits als Notbetrieb betrachtet werden, da nicht der Lüfter die Temperatur reguliert, sondern der Thermostat. Daher ist das Zwangsluftstromsystem sehr zuverlässig und fällt selten aus. Wenn sich der Lüfter jedoch nicht einschaltet und der Motor kocht, sollten die Teile überprüft werden, die am anfälligsten für Störungen sind:

• bei einem Riemenantrieb ist es möglich, dass sich der Riemen löst und durchrutscht, sowie dass er vollständig reißt. All dies ist visuell leicht festzustellen.
• die Methode zur Überprüfung der Visco-Kupplung ist nicht so einfach, aber wenn sie bei einem heißen Motor stark durchrutscht, ist dies ein Signal zum Austausch;
• elektromagnetische Antriebe, sowohl die Kupplung als auch der Elektromotor, werden durch Schließen des Sensors oder beim Einspritzmotor durch Abziehen des Steckers vom Temperatursensor der Motorsteuerung überprüft, der Lüfter sollte sich zu drehen beginnen.

Ein defekter Lüfter kann den Motor zerstören, denn eine Überhitzung ist mit einer Generalüberholung verbunden. Daher ist es auch im Winter unmöglich, mit solchen Mängeln zu fahren. Defekte Teile sollten sofort ersetzt werden und es sollten nur Ersatzteile eines zuverlässigen Herstellers verwendet werden. Der Preis des Problems ist der Motor. Wenn er von der Temperatur angetrieben wird, helfen Reparaturen möglicherweise nicht. Vor diesem Hintergrund sind die Kosten für einen Sensor oder einen Elektromotor schlicht vernachlässigbar.