Kühlerfrostschutz

1. Allgemeines

Verbrennungsmotoren haben unsere Welt als kompakte und mobile Antriebsaggregate in verschiedensten Maschinen erobert. Moderne Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen arbeiten mit einem vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Nur etwa 1/3 der im Kraftstoff gespeicherten Energie stehen als Antriebsleistung zur Verfügung. Die verbleibende Energie wird ungenutzt als Wärme an die Umgebung abgegeben. Dieser Anteil verteilt sich jeweils zur Hälfte auf die Abgase, während die andere Hälfte vorübergehend im Motor und dessen Komponenten (Zylinderbüchsen, Zylinderkopf, etc.) zwischengespeichert wird. Dieser im Motor gespeicherte Energieanteil ist mit ca. 14,3 MJ / kg verbrannter Kraftstoff zu beziffern. Da der Motor und seine Komponenten diese vergleichsweise hohe Wärmemenge nur sehr langsam an die Umgebung abgeben kann, ist eine zusätzliche Wärmeabfuhr in Form einer Kühlung des Motors zwingend erforderlich, damit dieser durch Überhitzung keinen Schaden nimmt.


2. Grundlagen und Definitionen

2.1 Kühlung
Unter Kühlung versteht man jeden Vorgang, der einem System oder Gegenstand, z. B. einem Verbrennungsmotor, Wärme bzw. thermische Energie entzieht. In der Technik bezeichnet Kühlung alle Maßnahmen, die dem Abführen der Verlustwärme technischer Komponenten an die jeweilige Umgebung dienen und so einen Temperaturausgleich herbeiführen. Man spricht dabei auch von einem Kühlsystem, welches aus verschiedenen Komponenten besteht (siehe Abschnitt 3: Technische Anwendung).

2.2 Thermodynamik
Die Abfuhr thermischer Energie, sowohl bei Feststoffen (z. B. Stahl, Aluminium) als auch bei Flüssigkeiten (z. B: Wasser, Öl), findet durch Wärmeübertragung statt und folgt einem Temperaturgradienten. Die dabei dominierenden Prozesse sind Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Bei Flüssigkeiten ist zusätzlich die Konvektion zu berücksichtigen.
Bei Gasen dominiert die Wärmekonvektion, während Wärmeleitfähigkeit und Wärmestrahlung eine untergeordnete Rolle zukommt.
Alle genannten Prozesse erfolgen spontan und folgen dabei den Grundgesetzen der Thermodynamik. Die wesentlichen Einflussfaktoren sind dabei je nach Wärmeträgermedium durch Wärmeleitungs-, Wärmeübergangskoeffizient, spezifische Wärmekapazität usw. bestimmt, da diese Kennwerte für jede Materialart charakteristisch sind.

2.3 Kühlleistung
Die Kühlleistung gibt die je Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge an. Die Kühlleistung hängt dabei von vielen Faktoren, wie z. B. dem Wärmeträgermedium, Dichte, Volumenstrom, Wärmeübergangszahl, Wärmeleitfähigkeit, Wärmetauscherfläche, spezifische Wärmekapazität usw. ab.


3. Technische Anwendung

Kühlsysteme werden nach dem jeweils verwendeten Primärwärmeträgermedium unterteilt. Man spricht also von einer Flüssigkeits- oder Luftkühlung.

3.1 Die Luftkühlung
Bei der Luftkühlung ist es notwendig, die Wärme abgebende Oberfläche des Aggregates (hier Verbrennungsmotoren) zu vergrößern, um einen möglichst großen Wärmeaustausch mit der Umgebung zu erreichen. Hierzu wird der Motor oftmals mit Kühlrippen ausgestattet. Grundlage hierfür ist der im Vergleich zu Wasser etwa 50 – 100 mal kleinere Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und Feststoff (Metall).
Der Wärmeabtransport kann dabei passiv (z. B. Fahrtwind) oder aktiv (z. B. durch Ventilation) ausgelegt sein, wobei innermotorisch (bauteilbezogen) die Wärme ausschließlich durch Wärmeleitung von heißen Zonen abgeführt wird. Die Luftkühlung ist ein preiswertes Verfahren, wobei deren Einsatz heute aufgrund gestiegener Emissionsgrenzwerte (Abgas und Lärm) nur noch begrenzt Anwendung, z. B. bei Klein- und Kleinstmotoren in Motorsägen, Motorräder und Flugzeugmotoren, findet.

3.2 Die Flüssigkeitskühlung
Als Flüssigkeitskühlung bezeichnet man ein System, bei dem eine Flüssigkeit als primär Wärme abführendes Medium zum Einsatz kommt. Hierzu wird der relevante Teil des Motors im übertragenen Sinne in einen Flüssigkeitstank gepackt. Die Abwärme, die üblicherweise im Motorblock und seinen Komponenten zwischengespeichert wird, wird nun zum größten Teil durch Wärmeleitung an die Flüssigkeit abgegeben und dort gespeichert.
Die Flüssigkeit kann dann mittels Konvektion (passiv) oder aktiv mit Hilfe einer Pumpe die gespeicherte Wärme zu einem entfernt liegenden Wärmetauscher transportieren. Vorteile der Flüssigkeitskühlung sind z. B. Geräuschdämmung, niedrigere Emissionswerte, höhere spezifische Motorleistungen sowie höhere Kühlleistung usw., wobei die Vorteile mit einem erhöhten technischen Aufwand, z. B. Herstellung, Platzbedarf, Regelung etc., verbunden sind.


4. Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise der Kühlflüssigkeit

Grundsätzlich ist jede beliebige Flüssigkeit geeignet, allerdings werden an zu kühlende Aggregate unterschiedlich hohe Ansprüche gestellt. Im motorischen Betrieb wären als wichtigste Eigenschaften Siedepunkt, Stockpunkt und Viskosität zu nennen, da diese die Pumpfähigkeit und damit auch den Wärmetransport stark beeinflussen. Als Flüssigkeit kommt, aufgrund der hohen Verfügbarkeit und des niedrigen Preises, oft Wasser zur Anwendung. Wasser als Kühlflüssigkeit birgt allerdings auch Risiken hinsichtlich sehr tiefer und sehr hoher Temperaturen, da dessen Anwendung als Kühlmittel durch den vergleichsweise hohen Gefrierpunkt (0 °C) und vergleichsweise niedrigen Siedepunkt (100 °C bei 1.013 mbar) begrenzt ist. Weiterhin steigt der Volumenbedarf beim Erreichen des Stockpunktes um etwa 15 % an, da sich Wasser beim Einfrieren ausdehnt (Anomalie). Wasser wirkt außerdem auf verschiedene Komponenten des Kühlkreislaufes korrosiv. Allerdings ist anzumerken, dass Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität (c (H2O) = 4,19 kJ / (kg * K)) besitzt. Zum Vergleich: Quecksilber hat eine spezifische Wärmekapazität von nur ca. 0,13 kJ / (kg * K). Somit kann Wasser, verglichen mit anderen Stoffen, große Wärmemengen speichern, ohne dass dabei dessen Temperatur merklich steigt. Letztlich lassen sich die Nachteile, die Wasser als Kühlmedium hat, durch geeignete Kühlmittelzusätze (Frostschutz) regeln, um so den hohen Ansprüchen moderner Verbrennungsmotoren zu genügen.

Beispiel für andere Kühl-„Flüssigkeiten“
  • Öl, in Hydraulikanlagen, aber auch in hoch belasteten Verbrennungsmotoren zur Kolbenkühlung.
  • Natrium (ein Metall) bei Temperaturen >100 °C und < 800 °C


5. Inhaltsstoffe und Additive

Als Basisflüssigkeit und Additive zur Herstellung von Kühlmittelzusätzen steht eine Vielzahl unterschiedlicher in der Regel chemischer Stoffe zur Verfügung, deren wichtigste Eigenschaften und Funktion im Folgenden näher beschrieben wird.

5.1 Basisflüssigkeit und deren Eigenschaften
Als Basisflüssigkeit bedient man sich in der Regel kurzkettiger mehrwertiger Alkohole. Die wichtigsten Vertreter sind Glykol und Propylenglykol, wobei Propylenglykol eine eher untergeordnete Rolle einnimmt. Glykol ist unter den verschiedensten Synonymen bekannt.

Die folgenden Beispiel-Synonyme für Glykol stehen dabei immer für den gleichen Stoff:
  • MEG ( Mono-Ethylen-Glykol oft auch Mono-Äthylen-Glykol)
  • Ethandiol, Äthandiol
  • Ethan- (1,2)-diol, Äthan (1,2)-diol
  • 1,2 Ethandiol, 1,2 Äthandiol
  • Ethylenglykol, Äthylenglykol

Unverdünntes Glykol bietet nur unzureichenden Frostschutz, da dessen Gefrierpunkt nur bei etwa -16 °C liegt. Paradoxerweise sinkt der Gefrierpunkt durch Zugabe von Wasser stark ab, sodass die Frostsicherheit mit Hilfe einer Glykol-Wasser Mischung bis etwa -55 °C sichergestellt werden kann. Weiterhin vermindert die reine Basisflüssigkeit den Wärmetransport, da die spezifische Wärmekapazität des Glykols mit c (Glykol) = 2,4 kJ / (kg *K) nur etwa halb so groß ist wie die des Wassers. Analoges gilt auch für unterschiedliche Glykol- Wasser-Mischungen. Die Motorenentwickler müssen dies bei der Auslegung des Kühlkreislaufes berücksichtigen.

Physiologie / Sicherheit im Umgang mit Kühlfrostschutz (KFS):
Glykol ist gesundheitsschädlich! Moderne Glykol basierende KFS enthalten zum Schutz vor unabsichtlicher Einnahme einen Bitterstoff (Bitrex®).

Vorteile des Glykols:
  • Hoher Siedepunkt (> 160 °C)
  • Unbegrenzt wassermischbar
  • Gute Dichtungsverträglichkeit
  • Gutes Lösevermögen für Additive

5.2 Additive
Als Additive bezeichnet man alle anderen im Kühlerfrostschutz enthaltenen Stoffe, die nicht Basisflüssigkeit oder Wasser sind. Diese dienen fast ausschließlich der Erfüllung aller an den KFS gestellten Ansprüche, die nicht Frostschutz sind. (siehe Kapitel 6 ff):

Korrosionsschutzinhibitoren
bilden entweder auf den jeweiligen Werkstoffen eine „Schutzschicht“ aus oder nehmen selbst an RedOx- Vorgängen im Kühlmedium teil und schützen auf diesem Wege Bauteile vor deren Zerstörung.

pH-Wert Stabilisatoren (pH-Puffer)
stabilisieren den pH-Wert des Kühlmittels im leicht alkalischen Bereich. Sie neutralisieren Säuren, die während des Betriebsintervalles entstehen können.

Komplexbildner
binden / lösen mineralische Ablagerungen und halten diese in der Schwebe.

Detergentien / Tenside
sorgen für eine gute Benetzung der Wärme austauschenden Flächen im Kühlkreislauf und stellen dadurch eine optimale Wärmeabgabe an das Kühlmedium sicher.

Amine
sind organische Derivate des Ammoniaks und sind aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften für KFS multifunktionell einsetzbar. Sie dienen einerseits als Korrosionsschutz andererseits als Säure-Puffer und Komplexbildner. Leider stehen Amine im Verdacht karzinogen zu wirken, weshalb man seit langer Zeit schon auf deren Einsatz für moderne KFS verzichtet.

Phosphate
Als Phosphate bezeichnet man u. a. die Salze der Ortho-Phosphorsäure. Sie können mit Schwermetallen Verbindungen eingehen, was großtechnisch als Korrosionsschutz genutzt wird. Moderne KFS verzichten jedoch auf den Einsatz von Phosphaten.

SCA – Supplemental Coolant Additive
wird vielfach von amerikanischen Herstellern zur Ergänzung des Kühlerfrostschutzmittels zwingend vorgeschrieben.

5.3 Additivtechnologien
Am Markt sind Kühlerfrostschutzmittel unterschiedlicher Additivtechnologien verfügbar. Aus marketingstrategischen Gründen aber auch zur besseren Unterscheidung sind diese oftmals farblich gekennzeichnet. Für einige Technologien gilt ein Vermischungsverbot.


KFS Typ   
Hauptcharakteristika
Traditionelle KFS Silikathaltig
„Hybrid“ KFS Enthält etwas Silikat und organische Säuren, phosphat- und nitritfrei.
OAT KFS Basiert auf organischen Säuren (OAT), silikat- und phosphatfrei.
SOAT KFS 
Enthält etwas Silikat und organische Säuren.
Diesel Coolant Enthält nitritbasische Inhibitoren. 



6. Aufgaben – Eigenschaften

Primäraufgabe des Kühlerzusatzmittels ist natürlich der Gefrierschutz / Frostschutz. Darüber hinaus muss ein moderner Kühlerfrostschutz eine ganze Reihe weiterer Eigenschaften erfüllen.

Dies wären z. B.:
  • Hohe spezifische Wärmekapazität
  • Kompatibel mit Dichtungswerkstoffen
  • Schutz vor Korrosion
  • Schutz vor Kavitation
  • Schutz vor Überhitzung
  • Schutz vor Kesselsteinbildung / Ablagerungen
  • Hohe Siedetemperatur

6.1 Gefrierschutz / Frostschutz
Unter dem Gefrierschutz / Frostschutz versteht man den Mittelwert der Temperaturen zwischen der sogenannten Eisflockenbildung und dem Stockpunkt (Erstarrungstemperatur) der Flüssigkeit. Der Kühlerfrostschutz ist dabei noch flüssig und fließfähig.

6.2 Werkstoffkompatibilität
Die Pumpe des Kühlmittelkreislaufes befördert ca. 150 l Kühlmittel pro Minute durch das Kühlsystem eines normalen PKW Motors. Hierbei kommt das Kühlmittel mit sehr vielen verschiedenen Werkstoffen (z. B. Elastomere [Gummi, Plastik], Metalle, usw.) in Kontakt. Beschädigungen dieser Werkstoffe führen unweigerlich zu einem Kühlmittelverlust und in schwerwiegenden Fällen zu einem Ausfall des Aggregates. Kühlflüssigkeiten müssen deshalb mit dem im Kühlkreislauf befindlichen Werkstoffen kompatibel sein, um das Schrumpfen, Aufquellen oder auch das Abtragen dieser Werkstoffe zu verhindern.

6.3 Ablagerungen
Leitungswasser enthält je nach Region unterschiedlich viele Mineralstoffe in gelöster Form, welche sich bei Erhitzung des Wassers umwandeln und dabei unlöslich werden können. Die Folge hiervon ist die Bildung von Ablagerungen, u. a. als Kesselstein bekannt. Kesselstein behindert merklich den Wärmeaustausch und kann zur Überhitzung des Motors führen. Der durch Kesselstein behinderte Wärmeaustausch stört das Gleichgewicht zwischen zu- und abgeführter thermischer Energie. Aus dieser Diskrepanz lässt sich eine Erhöhung der mittleren Temperatur des Kühlmediums bis zum Sieden ableiten.

6.4 Korrosion
Unter Korrosion (lat. corodere = zernagen) versteht man die chemische Reaktion eines Werkstoffes mit dessen Umgebung, z. B. Wasser oder Sauerstoff. Korrosion führt immer zu einer messbaren Veränderung eines Werkstoffes. Diese kann dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigen und den Totalausfall des gesamten Systems zur Folge haben. Deshalb muss Korrosion bzw. die Korrosion auslösenden Prozesse unbedingt verhindert werden. Dies gelingt z. B. mit Hilfe von Korrosionsschutzinhibitoren.

6.5 Kavitation
Dieser Begriff leitet sich vom lateinischen cavus = hohl ab. Hierunter versteht man die Hohlraumbildung in flüssigen Medien. Kavitation ist in „unechte“ und „echte“ Kavitation zu unterscheiden. In beiden Fällen entstehen Gas-bzw. Dampfblasen, durch deren Implosion Bauteile des Flüssigkeits-führenden Systems beschädigt werden. Man spricht hier auch von Lochfraß. Die bei der Gasblasenimplosion erzeugten Micro-Jets mit lokal beschleunigter Flüssigkeit können mehr als 200 m / s erreichen. Die echte Kavitation lässt sich durch das Beimischen eines Siedepunkt-erhöhenden / Dampfdruck-senkenden Stoffes wirksam unterdrücken. Glykol ist hierfür gut geeignet.

  • Echte Kavitation wird durch isobare bzw. isotherme (iso (griech.) = gleich) Zustandsänderungen am Kühlsystem ausgelöst.
  • Unechte Kavitation: Auslöser ist die Abhängigkeit der Gaslöslichkeit in Flüssigkeiten von der Temperatur. Mit steigender Temperatur nimmt die Gaslöslichkeit in Flüssigkeiten ab. An den heißen Stellen bilden sich Gasblasen des gelösten Gases.


7. Normen – Spezifikationen

In Europa existieren einige allgemeine Normen für Kühlerfrostschutzmittel und deren Eigenschaften. Viele Fahrzeug- und Motorenhersteller-Spezifikationen referenzieren bzw. basieren auf gültigen ASTM oder SAE Normen und sind z. T. auf die jeweiligen Bedürfnisse des Aggregate-Herstellers angepasst.


8. Anwendung und Gebrauch

Kühlmittel
Das Kühlmittel wird aus Wasser und einem geeigneten Kühlmittelkonzentrat hergestellt, wobei im Handel auch fertig gemischte Kühlmittel (Ready-to-use) erhältlich sind. Eine Mischtabelle für die jeweils optimale Mischung kann der entsprechenden Produktinformation entnommen werden.

Wasserqualität
Sauberes, klares Leitungswasser reicht qualitativ in den meisten Fällen aus, wobei das Wasser nicht zu hart sein und nicht zu viele Mineralien enthalten soll. Der örtliche Wasserversorger informiert gerne über die Wasserqualität. Zu hartes Leitungswasser kann mit handelsüblichem destilliertem Wasser abgemischt werden. Auch destilliertes Wasser kann zur Anmischung der Kühlflüssigkeit eingesetzt werden. Die Beachtung der Wasserhärte etc. entfällt dabei.

Überprüfung der Frostschutzsicherheit
Zur Überprüfung der Frostschutzsicherheit sind im Fachhandel verschiedene Messgeräte verfügbar. Am besten geeignet ist die Dichtespindel. Diese ist hinreichend genau zur Bestimmung der Frostschutzsicherheit geeignet. Alternativ kann auch das Handrefraktometer eingesetzt werden.