Wie kann man die Kühlleistung verbessern?
Temperatur vorab
Der Begriff „Temperatur“ bei einer Verbrennungsmaschine ist relativ. Wird beispielsweise die Öltemperatur ermittelt so kommt es darauf an in welchem System und an welcher Stelle gemessen wird. Gemessen im Ölsumpf (-wanne) ist die Temperatur niedriger als bei einer Messung neben dem Thermostat (wie bei den Q-en). Bei der ersten Variante wird das gekühlte Öl gemessen wie es den Schmierstellen zugeführt wird. Bei der zweiten Variante die Temperatur kurz nachdem es erhitzt wurde und bevor es durch den Kühler fliesst. Hier ist eine Aussage möglich ob das Öl womöglich überhitzt wurde. Beide Werte sind interessant.
Der Messwert bei der Q wird verwendet um der Motronik den Parameter „Öltemperatur“ zur Verfügung zu stellen, die Anzeige im FID(o.Ä.) ist nur ein „Abfallprodukt“.
Kühlsystem
Muss lediglich das Schmieröl gekühlt werden (reiner Motorölkühler; 2V) oder wird Öl (auch) bewusst und gezielt zur Kühlung eingesetzt (Öl-Luftkühlung; R11x0 & R1200)?
Handelt es sich bereits um eine „wassergekühlte“ LC?
Weshalb zu unterscheiden ist wird weiter unten geklärt.
reiner Schmierölkühler:
Bei den verbreiteten Ölsumpfschmierungen (Ölwanne):
Das Öl wird mit einer Ölpumpe aus der Ölwanne angesaugt, durch den Filter,– teilweise über einen Thermostaten geregelt- durch einen Ölkühler und die Schmierstellen gedrückt, und läuft anschliessend zurück in die Ölwanne.
Bei Trockensumpfschmierungen kann es etwas anders sein.
Hier bietet es sich an das Öl aus dem Vorratsbehälter zu saugen, es den Schmierstellen zuzuführen, in einer vergleichsweise flachen Miniöl“wanne“ zu sammeln und von dort mit einer zweiten Pumpe über den Filter, - teilweise über einen Thermostaten geregelt- durch einen Ölkühler, zurück in den Vorratsbehälter zu drücken. Die Absaugpumpe hat normalerweise die etwa 1,25-fache Leistung der Druckpumpe damit auch wirklich alles Öl abgesaugt wird weil sonst die KW im Öl planschen würde.
gezielte Kühlung mit Öl
Die Köpfe der 4V-BMW-Boxer sind ölgekühlt. In der Gesamtheit handelt es sich um ein öl-/luftgekühltes System.
Auch hier gibt es zwei Ölpumpen. Die eine saugt Öl aus der Wanne und versorgt den Schmier-, die andere den Kühlkreislauf (LINK: Ölkreislauf_Öldruck).
Wasserkühlung
Ist bei der Q eigentlich ein nicht ganz korrekter Begriff. Bei der LC wurde nur das Kühlöl in den Zylinderköpfen durch Wasser ersetzt. Die Zylinderwände sind weiterhin luftgekühlt. In der Gesamtheit handelt es sich um ein wasser-/luftgekühltes System.
Wie ein Kühler funktioniert ist im untenstehenden LINK „Ölkühler“ detailliert beschrieben:
Das Problem:
Der Motor unserer (getunten?) Q wird immer ziemlich warm obwohl der Thermostat funktioniert, alle Leitungen frei sind, etc.. Also wird ein grösserer oder ein zweiter Kühler montiert.
Nebenfrage:
Schaltet man mehrere Kühler hintereinander oder parallel? Ich plädiere, aufgrund der Fliesswiderstände, für parallel. Nicht in allen Fällen muss diese Entscheidung richtig sein. Vorzugsweise würde ich, falls möglich, einen grösseren Kühler verwenden.
Grösserer Kühler
Der ankommende, heisse Ölvolumenstrom wird im grösseren Kühler auf eine grössere Fläche verteilt. Er fliesst langsamer, hat mehr Zeit und mehr Fläche um Wärme an das Kühlermetall abzugeben (siehe auch LINK „Ölkühler“).
Die restlichen Faktoren bleiben. Die Temperaturen der Umgebungsluft können wir nicht beeinflussen, die Fördermenge der Kühlölpumpe ist gegeben.
Was könnte man zusätzlich tun?
Förderdruck
Wenn der Förderdruck erhöht wird (Druckregelventil ändern) dann müsste doch mehr Volumen fliessen? Stimmt, nur hat der Kühlkreislauf, im Gegensatz zum Schmierkreislauf, gar kein Regelventil, wird also ohnehin „volle Lotte“ betrieben.
Grössere Pumpe (z.B. breitere Förderräder)
Stimmt, dabei steigen Druck und somit das Volumen/Zeit. Ist jedoch nicht ganz trivial zu realisieren.
Dickere und somit strömungsärmere Leitungen?
Ja, doch die wesentlichen Leitungen sind im Block eingegossen, haben teilweise rechtwinklige Umlenkungen, etc. Änderungen an den zugänglichen Leitungen sind also eher „Showeffekte“.
Umgekehrt ist es ungeschickt z.B. 90°Grad-Anschlussbögen am Kühler gegen Ringfittiche mit Hohlschrauben zu tauschen weil es cool aussieht oder Platz spart.
Der Fliesswiederstand vergrössert sich schlagartig enorm.
Wer glaubt er könne den Rücklauf vom Ölkühler zur Ölwanne durch eine dickere Leitung verbessern sollte auf ausreichenden Rückstau achten weil der Kühler sonst nicht funktioniert (LINK:Ölkühler)
Ein anderer Thermostat
Ist nicht sehr sinnvoll. Die ersten Qe hatten gar keinen. Der Effekt war, dass sie bei niedrigen Aussentemperaturen „ewig“ brauchten um warm zu werden, man im Herbst und Frühjahr den Kühler teilweise abgedeckt hat, und bei hohen Aussentemperaturen das Problem dennoch bestand.
Im reinen Rennbetrieb kann es sinnvoll sein das Thermostat gänzlich zu entfernen und den Ölstrom generell durch den Kühler zu führen um den Fliesswiderstand zu verringern.
Doch ganz entscheidend und mindestens genauso wichtig:
Wodurch wird das Öl heiss?
Blöde Frage? Nicht bei näherer Betrachtung! Auch der Kopf ist de facto ein Wärmetauscher!
Im Brennraum entsteht systembedingt Hitze (die eigentlich niemand will; gefragt ist nur der Verbrennungsdruck). Kopf, Kolben und Zylinderwand werden erhitzt. Der Kopf wird im Bereich der Auslassventile über spezielle Kanäle mit Öl gekühlt, der Kolben lediglich durch den Ölnebel im Kurbelgehäuse, die Zylinderwände sind auf den Fahrtwind angewiesen.
Uns interessiert in diesem Zusammenhang nur der Kopf.
Die Innenfläche des Kopfes wird durch die Verbrennung heiss (Info: Al verflüssigt sich bei etwa 660 °C, verliert aber bei bereits relativ geringen Temperaturen >250°C extrem an Festigkeit und beginnt schon bei 350 Grad „teigig“ zu werden), muss also gekühlt werden.
Die Hitze wird durch das Metall transportiert und an das Kühlmedium abgegeben. Hierbei gelten die gleichen Gesetzmässigkeiten wie beim Kühler. Allerdings lassen sich weder die aktive Fläche noch die Leitfähigkeit des Metalls ändern, auch der Durchflusswiderstand ist gegeben. Das Öl wird also u.U. gar nicht so heiss wie es werden müsste um den Kopf ausreichend zu kühlen weil es die anfallende Wärme mangels Fläche gar nicht aufnehmen kann!
Die Variationsmöglichkeit sind die Eintrittstemperatur und evtl. die Durchflussmenge des Kühlmediums. Nachdem sich die Öltemperatur für die Schmierstellen in einem Bereich von 80°…100°C bewegen sollte ist das Herunterkühlen unter diesen Bereich durch einen wie auch immer gearteten Kühler sinnlos weil sonst die Schmierstellen „zu kalt“ wären.
Die Durchflussmenge liesse sich durch Steigerung des Öldrucks vergrössern. Funktioniert nicht so einfach weil der Druck im Kühlkreislauf (im Gegensatz zum Schmierkreislauf) nicht begrenzt ist. Man müsste die Ölpumpe vergrössern um mehr Öl bei höherem Druck durch die vorhandenen Leitungen zu pressen. Dabei wird die Fliessgeschwindigkeit höher und somit die Wärmeaufnahme im Kopf nicht gerade positiv beeinflusst.
Fazit:
Bei einem Motor ist die mögliche Literleistung unter Anderem dann erreicht, wenn die überflüssige Wärme nicht mehr abgeführt werden kann und der Motor bei quasi "kaltem" Kühlmedium kollabiert. BMW nennt als Grenze für die Boxer mit lediglich ölgekühltem Kopf, und mit Blick auf deren Lebensdauer, einen Wert von ca. 125 PS/l.
Was dann?
Wasserkühlung! Wasser als Kühlmittel ist Öl überlegen. Wenn man überdies auch keine Rücksicht auf Mindesttemperaturen zu nehmen braucht, tun sich mit Wasserkühlung weitere Möglichkeiten auf. Logische Folge ist die R1200LC.. Bei ihr wurden die beiden Kreisläufe getrennt und die Kopfkühlung wird mit Wasser betrieben.
Die nächste Grenze ist dann durch die luftgekühlten Zylinderwände vorgegeben.
Damit sind auch die anfänglichen Fragen gelöst:
Bei einem reinen Luftkühler wird der Kopf nur von dem wenigen Schmieröl für die Kipphebel und evtl. die Nockenwellen gekühlt.
Bei einer Ölkühlung aus einem gemeinsamen Reservoir (z.B. Ölwanne) muss Rücksicht auf das Schmiersystem genommen werden.
Bei getrennten Reservoirs greift man besser gleich zu Wasser als Kühlmittel weil es weniger zäh ist (somit weniger Fliesswiderstand hat) und mehr Wärme schneller aufnehmen und abgeben kann.
LINKs:
Ölkreislauf_Öldruck
Ölkühler