Expertenwissen 

 

 Das Kühlsystem im DKW F5 (F2, F7 bis F8) 

 

 ...und andere Veteranen... 

 

Bei steigender Motorleistung nimmt die Abwärme des Motors (und damit der Kühlbedarf) natürlich zu. Der Temperaturunterschied zwischen heißem Kühlmittel im Motor und kaltem Kühlmittel im Kühler wird dadurch größer und damit wird der Dichteunterschied ebenfalls größer – der Massenstrom erhöht sich durch Konvektion, d.h. das Kühlwasser zirkuliert schneller. Mehr Abwärme bedeutet mehr Dichteunterschied und damit mehr Zirkulation, weniger Abwärme bedeutet weniger Zirkulation: in gewissen Betriebsgrenzen regelt sich das System auf diese Weise also von selbst.

 

(Allerdings auch nur in "gewissen Grenzen": im Winter wird der Motor nicht richtig warm und der Autofahrer musste früher vor dem Kühler eine Abdeckung anbringen, die je nach Bedarf zu- oder aufgeknöpft werden konnte. Im Sommer dagegen kommt es - wie weiter unten noch erklärt wird - auch schon mal zu Überhitzungen).

 

Auf einen Thermostaten kann so zuerst einmal verzichtet werden - genial, sollte man meinen...

 

Bei hohen Außentemperaturen und kleiner Fahrgeschwindigkeit stößt das Prinzip jedoch an physikalische Grenzen:

 

 Bei langsamer Fahrt  nimmt der Fahrtwind und damit der Luftmassenstrom durch den Kühler ab, sodass dessen Durchlüftung und damit die Kühlwirkung schlechter wird. Die Temperatur im Kühler steigt dadurch an und die Dichte nimmt ab, weshalb der Dichteunterschied zwischen heißem Kühlmittel im Motor und (immer wärmer werdendem) Kühlmittel im Kühler kleiner wird: in der Folge nehmen Konvektion, Massenstrom und Wärmeabfuhr ab, ein sich selbst verstärkender Effekt der Überhitzung setzt ein, das System wird thermisch instabil und dies führt im schlimmsten Fall zum Überkochen, sobald sich das Kühlwasser der Siedetemperatur nähert: ab 95° wird's kritisch!

 

Bereits die originale Bedienungsanleitung (DKW) nennt als "wirtschaftlichste Betriebstemperatur" 85°C - und damit ist die ganz normale Kühlwassertemperatur nicht sehr weit vom Siedepunkt des Wassers entfernt!

 

Bei Fahrzeugstillstand (Ampelstopp, Stau) fällt der Luftmassenstrom sogar völlig aus oder kehrt sich um, da vom heißen Abgaskrümmer Warmluft erzeugt wird und ein Teil davon durch den Kühler nach vorn (-oben) entweicht. Auch die Wärmestrahlung des Abgaskrümmers setzt dem Kühler von hinten wie ein Heizstrahler zu. Der Motor erzeugt aber auch im Leerlauf noch eine gewisse Abwärme, deren größter Teil dann nur noch von der Wärmekapazität des Kühlmediums aufgenommen werden kann. Und das bedeutet: die Wassertemperatur steigt langsam, aber sicher an! Bei längeren, häufigeren oder unmittelbar an Bergfahrten anschließenden Ampelpausen oder in ähnlichen Situationen kann der Motor das Kühlmittel in kurzer Zeit an den Siedepunkt bringen.

 Der Wärmehaushalt 

 

Der Motorwirkungsgrad kann mit ca. 21% angenommen werden – dieser Wert ergibt sich aus der Nennleistung des Motors und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch aus historischer Fachliteratur: Trzebiatowsky* nennt für den Motor des bauähnlichen DKW F-89 (Nachkriegsmodell, mit sehr ähnlichem Motor) einen spezifischen Verbrauch von 289 g/PSh bei 23 PS Leistung (17 kW). Daraus resultieren 23 PS x 0,289 kg/PSh = 6,6 kg/h bei Dauerleistung. Zwar sind "PS" nach dem SI (internationales System der Einheiten) nicht mehr zulässig, aber die PS verschwinden sowieso beim Rechnen, indem sie aus der Gleichung heraus gekürzt werden.

 

Deshalb rechnen wir ab jetzt mit kW weiter: mit einem Energieinhalt des Kraftstoffs von ca. 12 kWh/kg würden dem Motor stündlich 80 kWh zugeführt, was bei 17 kW (Nennleistung des F89: 23 PS/1,36 = 17 kW) einen Wirkungsgrad von nur 21% ergibt.

 

Bei Nennleistung meines schwächeren DKW F5-600 (13 kW anstatt 17 kW) beträgt demnach der Umfang der zugeführten Leistung (sog. "unterer Heizwert" des Kraftstoffs) ungefähr 60 kW. Ganz allgemein kann angenommen werden, dass hiervon ca. 30% über das Kühlwasser abgeführt werden**.

 

*) Hans Trzebiatowsky, Die Kraftfahrzeuge und ihre Instandhaltung, Verlag Dr. Pfannenberg, Giessen 1952

**) z.B. http://tgabathuler.ch/Motorgrundlagen/Bilder/Sankey_Kreis.gif (Link)

 

Der Massenstrom des Kühlwassers:

 

Daraus folgt, dass bei Nennleistung ungefähr 18 kW in Form von Wärme über das Kühlwasser abtransportiert werden müssen. Im Teillastbetrieb oder bei niedrigen Drehzahlen unter hoher Last wird der Wirkungsgrad normalerweise schlechter. Die Wärmeabgabe wird dadurch aber trotzdem nicht wesentlich zunehmen, denn die zugeführte Energie (Kraftstoffmenge) wird nicht größer: der Absolutwert nimmt insofern nicht oder nur unwesentlich zu.

 

Im Fahrbetrieb ergibt sich der erforderliche Volumenstrom des Kühlsystems für die Kühlflüssigkeit aus der oberen und unteren Kühlmitteltemperatur (angenommen TO = 90°C und TU = 80°C).

 

Es gilt folgende physikalische Formel:

 

Q = dT ∙ m ∙ c 

 

"Q" ist die Wärmeleistung (Abwärme) in Watt [W], "dT" ist die Temperaturdifferenz in Kelvin [K], "m" ist die Masse (genauer: Massenstrom) in Kilogramm pro Stunde [kg/h] und "c" die spezifische Wärmekapazität (Speichervermögen) in diesem Fall von reinem Wasser oder Kühlwasser (Frostschutzmischung) in Watt pro Kilogramm und Kelvin [W/kg∙K].

In Zahlen: 18.000 W / (10 K ∙ 1,164 W/kg ∙ K) = 1.540 kg.

 

Das bedeutet, es müssen 1.540 Liter Wasser pro Stunde durch den Kühler fließen, etwa 25 Liter pro Minute!

 

Für verschiedene Temperaturen (je nach Betriebsbedingungen) ergeben sich folgende Volumenströme (TO = obere Temperatur, TU = untere Temperatur):

TO

85°C

85°C

85°C

90°C

90°C 90°C 90°C

TU

50°C

55°C

60°C

70°C

75°C 80°C 85°C

dm³/h

440

520

620

770

1.030 1.540 3.080

Bedenklich wird im Sommerbetrieb der (dann unnötige) Einsatz von Frostschutzmittel (Ethylenglykol): eine Beimischung von ca. 30% (entsprechend Frostschutz für -25°C) führt zu einer Senkung der Wärmekapazität des Kühlmittels um etwa 10%:

 

In Zahlen: 18.000 W/h / (10 K ∙ 1,055 W/kg ∙ K) = 1.700 kg/h.

TO

85°C

85°C

85°C

90°C

90°C 90°C 90°C

TU

50°C

55°C

60°C

70°C

75°C 80°C 85°C

dm³/h

490

570

680

850

1.410 1.710 3.410

Wir sehen also, dass die erforderliche Menge an Kühlwasser, die durch den Kühler fließen müsste, drastisch mehr wird!

 Fazit:  mit Frostschutzzusatz nimmt der erforderliche Massenstrom zu (aber in Wirklichkeit fließt nicht mehr durch den Kühler). Bei einer Mischung für -25°C ist der erforderliche Massenstrom (bezogen auf das Kühlwasser) ca. 11% höher.

Der Massenstrom der Kühlluft:

 

Allerdings ist NICHT nur die Strömung des Wassers für den Abtransport der Wärme zu beachten, sondern AUCH die Luftströmung durch den Kühler:

 

Der Wärmetransport über den Wasserkreislauf war ja nur die erste Stufe des Kühlsystems - in jedem Fall müssen die bereits erwähnten 18 kW Abwärme, die jetzt im Kühler angekommen sind, nun an die durchströmende Luft abgegeben werden.

 

Zur Sicherheit ist mit einem Zuschlag zu rechnen, da der Motorwirkungsgrad unter ungünstigen Betriebsverhältnissen (zu hohe Betriebstemperatur, falscher Gang und damit ungünstige Drehzahl) schlechter und die Abwärme dabei höher sein könnte.

 

Außerdem führt der Wärmeleitungswiderstand des Kupfers sowie möglicher Ablagerungen (Kalk, Kupferoxid und Rostanlagerungen innen auf dem Kupfer) und der Wärmeübergangswiderstand an den Grenzflächen zu einer Behinderung des Wärmeflusses, sodass der Kühler als Wärmetauscher einen Wirkungsgrad aufweist, der kleiner als 100% ist.

 

Bei Bedingungen der Standardatmosphäre kann davon ausgegangen werden, dass die Lufttemperatur bei Eintritt in den Kühler 15°C beträgt, während die Luft den Kühler auf der Rückseite mit einer Temperatur von bis zu 95°C verlässt. Der Kühler wird aber vom Wasser von oben nach unten durchströmt: je weiter das Kühlwasser absinkt, desto mehr wird es abgekühlt, und am unteren Ende wird die Kühlluft etwas weniger erwärmt als noch ganz oben, weshalb die Kühlleistung insgesamt geringer ist.

 

Der theoretisch errechnete Massenstrom muss daher mit einem Zuschlag versehen werden: dieser soll mit ca. 15% bis 20% angenommen werden.

 

Der erforderliche Luftstrom beträgt:

 

m = Q / (dT c)  |  in Zahlen: 18.000 W / ((85-15)K 0,280 W/kg K) = 920 kg/h. Das entsprechende Volumen beträgt dann 920 kg/h ∙ 1,225 m³/kg = 1.127 m³/h.

 

Dieses Volumen wäre wegen des bereits erwähnten Zuschlags (15...20%) auf ca. 1.300 m³/h zu erhöhen. Das heißt: es müssen 1.300 Kubikmeter Luft irgendwie durch den Kühler!

 

Dessen Wärmetauscher hat einen Durchlassquerschnitt von ca. 0,36 x 0,30 m, also nur ca. 0,1 m². Da die Form der Kühlermaske mit ihren Rippen den freien Lufteintritt zusätzlich behindert, wird die Durchströmung gebremst. Diese Minderung der Strömungsgeschwindigkeit soll hier mit 10% geschätzt werden (Korrekturfaktor 0,9).

 

Das Bauvolumen und der Querschnitt der Kühlerwabenstruktur mit den Lamellen muss noch abgezogen werden und verkleinert den effektiven Durchlassquerschnitt im Kühler zusätzlich, sodass der Luftdurchsatz nochmals kleiner ist. Dies soll hier mit einem Abzug von 20% berücksichtigt werden (Korrekturfaktor 0,8).

 

Diese Korrekturen werden in Form einer Querschnittsverringerung berücksichtigt:

 

0,1 m² ∙ 0,9 ∙ 0,8 = 0,072 m².

 

Ein Volumen von 1.300 m³/h bedeutet bei 0,072 m² Querschnittsfläche eine „Luftsäule“ von 1.300m³ / 0,072m² = 18.000 m. Dies entspricht einer mindestens erforderlichen Strömungs- bzw. Fahrgeschwindigkeit von 18 km/h. Für einen stabilen Wärmehaushalt ist bei voller Motorleistung und Standardatmosphäre (15°C / 1.013 hPa) daher eine Geschwindigkeit von mindestens 18...20 km/h notwendig.

Die Mindestgeschwindigkeit zur ausreichenden Kühlung gilt aber nur für die Standard-Normatmosphäre, d.h. 15°C Außentemperatur und 1.013 hPa Luftdruck bzw. Meereshöhe.

 

Für höhere Temperaturen (TA) gelten höhere Geschwindigkeiten:

TA

TKühlwasser

Luftmasse

Luftvolumen

Geschwindigkeit

10°C

85°C

1.029 kg/h

1.283 m³/h

18 km/h

15°C

85°C

1.118 kg/h

1.370 m³/h

19 km/h

20°C 85°C 1.224 kg/h 1.474 m³/h 21 km/h
25°C 85°C 1.353 kg/h 1.602 m³/h 22 km/h
30°C 85°C 1.513 kg/h 1.761 m³/h 24 km/h
35°C 85°C 1.714 kg/h 1.965 m³/h 27 km/h

Die Fahrpraxis zeigt aber, dass in Wahrheit deutlich höhere Geschwindigkeiten nötig sind, unter 40 km/h wird es bei sommerlichen Temperaturen und Vollgas am Berg brenzlig - die Geschwindigkeiten in der Tabelle oben müssen daher zur Sicherheit mal 1½ genommen werden (gilt für eine Frostschutzmischung mit 30% Glysantin®G48).

 Fazit:  da der DKW keinen serienmäßigen Kühlerventilator hat, sollte eine bestimmte  Mindestgeschwindigkeit unter Last nicht für längere Zeit unterschritten werden (an Steigungen geht das natürlich nicht anders). Anderenfalls wird die Kühlwassertemperatur mehr oder weniger rasch ansteigen und kann den Siedepunkt erreichen.

 

  Hinweis:  die Mindestgeschwindigkeit ist stark von der Außentemperatur abhängig und schwankt von ca. 18 km/h bis ca. 31 km/h (bei 40°C Außentemperatur), hier ist aber ein Sicherheitszuschlag auf 27 bis 46 km/h nötig (und die schafft der DKW am Berg nicht).

 

  Achtung:  die vorangegangenen theoretischen Berechnungen gelten nur für den optimalen Zustand aller Bestandteile und für klares Wasser (ohne Frostschutz!!!). Altersbedingte Zustandsänderungen (z.B. Kalkablagerungen, lokale Versopfungen) können zu teilweise drastischen Verschlechterungen führen. In der Praxis ist fast das Doppelte als nötig beobachtet worden (mit 30% Etylenglykol)! Das Befahren von Steigungen mit voller Beladung kann schnell zum Überkochen führen.

 

  Lösung:  Der Einbau eines zusätzlichen, elektrisch angetriebenen Lüfters, der allerdings die Optik im Motorraum stört, kann eine Hilfe sein.

 

Elektrolüfter nachrüsten.

 

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                letzte Aktualisierung: 29.08.2017...                                                         YouTube Video vom 44. internationalen AUVC-Treffen in Tienhoven  2017          seit seit 20.08. neue Seite in englischer Sprache (Einstiegsseite), seit 13.08. neue Seiten in englischer Sprache (Seite "2017", "Garitz 2017" und "Tienhoven 2017")                
 

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