Da der thermische Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren mit der Innentemperatur steigt, wird das Kühlmittel auf einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck gehalten, um seinen Siedepunkt zu erhöhen. Ein kalibriertes Überdruckventil ist normalerweise in den Einfülldeckel des Kühlers integriert. Dieser Druck variiert je nach Modell, liegt jedoch typischerweise zwischen 30 und 200 kPa (4 bis 30 psi).[4]
Da der Druck des Kühlmittelsystems mit steigender Temperatur ansteigt, erreicht er den Punkt, an dem das Überdruckventil den Überdruck entweichen lässt. Dies wird beendet, wenn die Systemtemperatur nicht mehr steigt. Im Falle eines überfüllten Kühlers (oder Ausgleichsbehälters) wird der Druck abgelassen, indem etwas Flüssigkeit entweichen kann. Dieses kann einfach auf den Boden abfließen oder in einem belüfteten Behälter gesammelt werden, der unter atmosphärischem Druck bleibt. Beim Abstellen des Motors kühlt das Kühlsystem ab und der Flüssigkeitsstand sinkt. In einigen Fällen, in denen überschüssige Flüssigkeit in einer Flasche gesammelt wurde, kann diese zurück in den Hauptkühlmittelkreislauf „gesaugt“ werden. In anderen Fällen ist dies nicht der Fall.
Vor dem Zweiten Weltkrieg bestand das Motorkühlmittel normalerweise aus reinem Wasser. Frostschutzmittel wurden ausschließlich zur Kontrolle des Gefrierens eingesetzt, und dies geschah oft nur bei kaltem Wetter. Wenn klares Wasser im Motorblock gefriert, kann sich das Wasser beim Gefrieren ausdehnen. Dieser Effekt kann aufgrund der Eisausdehnung zu schweren inneren Motorschäden führen.
Die Entwicklung von Hochleistungsflugzeugtriebwerken erforderte verbesserte Kühlmittel mit höheren Siedepunkten, was zur Einführung von Glykol oder Wasser-Glykol-Mischungen führte. Dies führte zur Einführung von Glykolen aufgrund ihrer Frostschutzeigenschaften.
Seit der Entwicklung von Aluminium- oder Mischmetallmotoren ist der Korrosionsschutz sogar noch wichtiger als Frostschutzmittel, und das in allen Regionen und Jahreszeiten.
Ein trocken laufender Überlaufbehälter kann dazu führen, dass das Kühlmittel verdampft, was zu einer lokalen oder allgemeinen Überhitzung des Motors führen kann. Wenn das Fahrzeug zu heiß wird, kann es zu schweren Schäden kommen. Die Folge können Ausfälle wie durchgebrannte Kopfdichtungen sowie verzogene oder gerissene Zylinderköpfe oder Zylinderblöcke sein. Manchmal gibt es keine Warnung, weil der Temperatursensor, der Daten für die Temperaturanzeige liefert (entweder mechanisch oder elektrisch), Wasserdampf und nicht dem flüssigen Kühlmittel ausgesetzt ist, was zu gefährlich falschen Messwerten führt.
Durch das Öffnen eines heißen Kühlers sinkt der Systemdruck, was dazu führen kann, dass er kocht und gefährlich heiße Flüssigkeit und Dampf austritt. Daher enthalten Kühlerdeckel häufig einen Mechanismus, der versucht, den Innendruck abzubauen, bevor der Deckel vollständig geöffnet werden kann.
Die Erfindung des Automobil-Wasserkühlers wird Karl Benz zugeschrieben. Wilhelm Maybach entwarf den ersten Wabenkühler für den Mercedes 35 PS
Manchmal ist es notwendig, ein Auto mit einem zweiten oder zusätzlichen Kühler auszustatten, um die Kühlleistung zu erhöhen, wenn die Größe des Originalkühlers nicht vergrößert werden kann. Der zweite Kühler ist in Reihe mit dem Hauptkühler im Kreislauf geschaltet. Dies war der Fall, als der Audi 100 zum ersten Mal mit einem Turbolader ausgestattet wurde und der 200 entstand. Diese sind nicht mit Ladeluftkühlern zu verwechseln.
Einige Motoren verfügen über einen Ölkühler, einen separaten kleinen Kühler zur Kühlung des Motoröls. Fahrzeuge mit Automatikgetriebe verfügen häufig über zusätzliche Anschlüsse zum Kühler, sodass das Getriebeöl seine Wärme an das Kühlmittel im Kühler übertragen kann. Dabei kann es sich entweder um Öl-Luft-Kühler oder um eine kleinere Version des Hauptkühlers handeln. Einfacher ausgedrückt kann es sich um Öl-Wasser-Kühler handeln, bei denen ein Ölrohr in den Wasserkühler eingeführt wird. Obwohl das Wasser heißer ist als die Umgebungsluft, bietet seine höhere Wärmeleitfähigkeit eine vergleichbare Kühlung (innerhalb bestimmter Grenzen) durch einen weniger komplexen und daher billigeren und zuverlässigeren Ölkühler. Seltener werden Servolenkungsflüssigkeit, Bremsflüssigkeit und andere Hydraulikflüssigkeiten durch einen Zusatzkühler eines Fahrzeugs gekühlt.
Motoren mit Turbolader oder Kompressor können über einen Ladeluftkühler verfügen, bei dem es sich um einen Luft-Luft- oder Luft-Wasser-Kühler handelt, der zum Kühlen der einströmenden Luftladung und nicht zum Kühlen des Motors dient.
Auch Flugzeuge mit flüssigkeitsgekühlten Kolbenmotoren (in der Regel Reihenmotoren statt Radialmotoren) benötigen Kühler. Da die Fluggeschwindigkeit höher ist als bei Autos, werden diese während des Fluges effizient gekühlt und erfordern daher keine großen Flächen oder Kühlventilatoren. Viele Hochleistungsflugzeuge leiden jedoch im Leerlauf am Boden unter extremen Überhitzungsproblemen – bei einer Spitfire sind es nur sieben Minuten.[6] Dies ähnelt den Formel-1-Autos von heute: Wenn sie mit laufendem Motor in der Startaufstellung anhalten, benötigen sie Luft, die in ihre Kühlergehäuse gedrückt wird, um eine Überhitzung zu verhindern.
Die Reduzierung des Luftwiderstands ist ein wichtiges Ziel im Flugzeugdesign, einschließlich der Konstruktion von Kühlsystemen. Eine frühe Technik bestand darin, den reichlichen Luftstrom eines Flugzeugs zu nutzen, um den Wabenkern (viele Oberflächen mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen) durch einen oberflächenmontierten Kühler zu ersetzen. Hierbei wird eine einzelne Oberfläche verwendet, die in den Rumpf oder die Flügelhaut integriert ist und bei der das Kühlmittel durch Rohre an der Rückseite dieser Oberfläche fließt. Solche Entwürfe waren vor allem bei Flugzeugen des Ersten Weltkriegs zu sehen.
Aufgrund ihrer starken Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit sind Oberflächenstrahler beim Bodenbetrieb noch anfälliger für Überhitzung. Rennflugzeuge wie die Supermarine S.6B, ein Rennwasserflugzeug mit in die Oberseite ihrer Schwimmkörper eingebauten Kühlern, wurden als Haupteinschränkung ihrer Leistung beschrieben, weil sie „auf der Temperaturanzeige geflogen“ wurden.[7]
Oberflächenkühler wurden auch von einigen Hochgeschwindigkeitsrennwagen verwendet, wie zum Beispiel Malcolm Campbells Blue Bird von 1928.
Bei den meisten Kühlsystemen besteht im Allgemeinen eine Einschränkung darin, dass die Kühlflüssigkeit nicht sieden darf, da die Notwendigkeit, mit Gas im Fluss umzugehen, die Konstruktion erheblich verkompliziert. Für ein wassergekühltes System bedeutet dies, dass die maximale Wärmeübertragung durch die spezifische Wärmekapazität des Wassers und den Temperaturunterschied zwischen Umgebungstemperatur und 100 °C begrenzt wird. Dies sorgt für eine effektivere Kühlung im Winter oder in höheren Lagen, wo die Temperaturen niedrig sind.
Ein weiterer Effekt, der bei der Flugzeugkühlung besonders wichtig ist, besteht darin, dass sich die spezifische Wärmekapazität ändert und der Siedepunkt mit dem Druck sinkt, wobei sich dieser Druck mit der Höhe schneller ändert als der Temperaturabfall. Daher verlieren Flüssigkeitskühlsysteme im Allgemeinen an Kapazität, wenn das Flugzeug steigt. Dies stellte in den 1930er-Jahren eine große Leistungseinschränkung dar, als die Einführung von Turboladern erstmals bequemes Reisen in Höhen über 15.000 Fuß ermöglichte und die Kühlungskonstruktion zu einem wichtigen Forschungsgebiet wurde.
Die naheliegendste und häufigste Lösung für dieses Problem bestand darin, das gesamte Kühlsystem unter Druck zu betreiben. Dadurch blieb die spezifische Wärmekapazität auf einem konstanten Wert, während die Außenlufttemperatur weiter sank. Solche Systeme verbesserten somit die Kühlleistung beim Aufstieg. Für die meisten Anwendungen löste dies das Problem der Kühlung von Hochleistungs-Kolbenmotoren, und fast alle flüssigkeitsgekühlten Flugzeugmotoren der Zeit des Zweiten Weltkriegs nutzten diese Lösung.
Allerdings waren unter Druck stehende Systeme auch komplexer und weitaus anfälliger für Beschädigungen – da die Kühlflüssigkeit unter Druck stand, konnte selbst ein kleiner Schaden im Kühlsystem, wie ein einzelnes Einschussloch vom Kaliber eines Gewehrs, dazu führen, dass die Flüssigkeit schnell aus dem Kühlsystem spritzte Loch. Ausfälle der Kühlsysteme waren mit Abstand die häufigste Ursache für Motorausfälle.
Obwohl es schwieriger ist, einen Flugzeugkühler zu bauen, der Dampf verarbeiten kann, ist es keineswegs unmöglich. Die wichtigste Anforderung besteht darin, ein System bereitzustellen, das den Dampf wieder zu Flüssigkeit kondensiert, bevor er zurück in die Pumpen geleitet wird und den Kühlkreislauf schließt. Ein solches System kann die spezifische Verdampfungswärme nutzen, die im Fall von Wasser das Fünffache der spezifischen Wärmekapazität in flüssiger Form beträgt. Zusätzliche Vorteile können dadurch erzielt werden, dass der Dampf überhitzt wird. Solche Systeme, sogenannte Verdunstungskühler, waren in den 1930er Jahren Gegenstand umfangreicher Forschung.
Betrachten Sie zwei ansonsten ähnliche Kühlsysteme, die bei einer Umgebungslufttemperatur von 20 °C arbeiten. Ein Vollflüssigkeitsdesign könnte zwischen 30 °C und 90 °C betrieben werden und bietet einen Temperaturunterschied von 60 °C zur Wärmeableitung. Ein Verdunstungskühlsystem kann zwischen 80 °C und 110 °C betrieben werden. Auf den ersten Blick scheint es sich dabei um einen viel geringeren Temperaturunterschied zu handeln, doch diese Analyse übersieht die enorme Menge an Wärmeenergie, die bei der Dampferzeugung absorbiert wird und 500 °C entspricht. Tatsächlich arbeitet die Verdunstungsversion zwischen 80 °C und 560 °C, was einer effektiven Temperaturdifferenz von 480 °C entspricht. Ein solches System kann auch bei viel geringeren Wassermengen wirksam sein.
Der Nachteil des Verdunstungskühlsystems ist die Fläche der Kondensatoren, die benötigt wird, um den Dampf wieder unter den Siedepunkt abzukühlen. Da Dampf eine viel geringere Dichte als Wasser hat, ist eine entsprechend größere Oberfläche erforderlich, um für ausreichend Luftstrom zu sorgen, um den Dampf wieder abzukühlen. Das Rolls-Royce Goshawk-Design von 1933 verwendete herkömmliche kühlerähnliche Kondensatoren und dieses Design erwies sich als ernstes Problem für den Luftwiderstand. In Deutschland entwickelten die Brüder Günter ein alternatives Design, das Verdunstungskühlung und über die gesamten Flugzeugflügel, den Rumpf und sogar das Ruder verteilte Oberflächenkühler kombinierte. Mehrere Flugzeuge wurden nach ihrer Konstruktion gebaut und stellten zahlreiche Leistungsrekorde auf, insbesondere die Heinkel He 119 und die Heinkel He 100. Diese Systeme erforderten jedoch zahlreiche Pumpen, um die Flüssigkeit aus den verteilten Kühlern zurückzupumpen, und es erwies sich als äußerst schwierig, den ordnungsgemäßen Betrieb aufrechtzuerhalten und waren viel anfälliger für Kampfschäden. Bemühungen, dieses System zu entwickeln, wurden 1940 im Allgemeinen aufgegeben. Der Bedarf an Verdunstungskühlung wurde bald durch die weitverbreitete Verfügbarkeit von Kühlmitteln auf Ethylenglykolbasis zunichte gemacht, die eine geringere spezifische Wärme, aber einen viel höheren Siedepunkt als Wasser hatten.
Ein in einem Kanal enthaltener Flugzeugkühler erwärmt die durchströmende Luft, wodurch sich die Luft ausdehnt und an Geschwindigkeit gewinnt. Dies wird als Meredith-Effekt bezeichnet, und leistungsstarke Kolbenflugzeuge mit gut konstruierten Kühlern mit geringem Luftwiderstand (insbesondere die P-51 Mustang) erhalten daraus Schub. Der Schub war stark genug, um den Luftwiderstand des Kanals auszugleichen, in dem der Kühler eingeschlossen war, und ermöglichte es dem Flugzeug, einen Kühlwiderstand von Null zu erreichen. Es gab sogar Pläne, die Supermarine Spitfire mit einem Nachbrenner auszustatten, indem Kraftstoff in den Abgaskanal hinter dem Kühler eingespritzt und gezündet wurde. Die Nachverbrennung wird durch die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Motor nach dem Hauptverbrennungszyklus erreicht.
