TRiki - Kühlsystem TR4

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Kamphausen
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TRiki - Kühlsystem TR4

#1

Beitrag von Kamphausen » 20.12.2015, 08:19

Kühlsystem TR4

Der nachstehende Aufsatz stellt eine Annäherung an Kühlung und dessen Regelung beim TR4 dar. Er beruht auf der Notwendigkeit, die Ausführungen des deutschsprachigen WHB inhaltlich für Gelegenheitsschrauber nachvollziehbar zu gestalten.

Alle Angaben beziehen sich auf meinen TR4, der noch mit dem TR3-Kühler (mit „Hals“) ausgerüstet wurde. Anlage und Netz befinden sich in gutem Zustand.

Warnhinweis: Beim Öffnen des heißen Kühlers besteht Verbrennungsgefahr! Ein dickes Tuch in mehreren Lagen über den Deckel legen und diesen bis zum ersten Rasten langsam aufdrehen. Jetzt baut sich der Druck ab, das Wasser kann zu kochen beginnen! Erst danach den Deckel ganz aufschrauben und abnehmen!

Die Kühlvorrichtung besitzt die Aufgabe, die Verbrennungswärme des Motors aufzunehmen und abzuführen. Für einen ständigen Kreislauf sorgt die Wasserpumpe. Der Motor soll nach dem Start so rasch wie möglich seine Betriebstemperatur erreichen. Diese wird mit Hilfe eines Thermostaten weitestgehend konstant eingeregelt wobei eine Überhitzung auszuschließen ist. Motore, die zu kalt betrieben werden, unterliegen hohem Verschleiß durch Reibung (der bekannte Kaltstart am Wintermorgen). Überhitzung dagegen führt unweigerlich zu Motorschäden (um nur einige mögliche zu nennen: Verzug des Zylinderkopfes, Kolbenklemmer, Beschädigung der Kopfdichtung).

Nach dem Start ist lediglich der so genannte „kleine“ Kreislauf aktiv. Er besteht beim TR4 aus dem Abzweig links am Thermostatgehäuse und der Schlauchverbindung zur Vorkammer des Wasserpumpengehäuses. Diese Schlauchverbindung wird in der deutschsprachigen Literatur als „by-pass hose“ oder auch „Umleitschlauch“ bezeichnet. So lange die Betriebstemperatur nicht erreicht ist, der Thermostat also geschlossen ist, zirkuliert das Wasser ausschließlich in diesem Kreislauf. Erst nach Öffnungsbeginn des Thermostaten wird das heiße Wasser in den Kühler entlassen, in den so genannten „großen“ Kreislauf und erst dann und nur hier findet der eigentliche Abkühlungsprozeß statt.

Überdruck

Bei Betriebstemperatur herrscht in der Kühlanlage ein Überdruck. Dieser Zustand ist durchaus wünschenswert. Unter Druck gesetztes Wasser kann zum einen mehr Wärme aufnehmen, zum anderen wird der Siedepunkt auf über 100° angehoben, d.h. Wasser beginnt später zu kochen.

Überdruck darf nur bis zu einer bestimmten Grenze ansteigen, wenn Schäden am Kühlernetz, der Wasserpumpenwellendichtung, den Schlauchverbindungen und letztendlich auch an der Kopfdichtung ausgeschlossen werden sollen. Geregelt wird der Druck mit einem geeigneten und voll funktionsfähigen Kühlerdeckel. In dem Deckel befinden sich zwei Ventile. Eins öffnet bei einem konstruktiv definierten Überdruck, das andere bei sich durch das Abkühlen des Wassers einstellenden Unterdrucks.

Für das (betriebswarme?) Kühlsystem und den Deckel gibt das WHB einen Prüfdruck von 4 lbs/inch², entsprechend ca. 0,3 bar, vor. Dieser Druck wird bereits bei einer Wassertemperatur von knapp 70° erreicht. Zum Vergleich: moderne Kühlsystem arbeiten bei Betriebstemperatur mit bis zu 1,5 bar Überdruck und 0,05 bis 0,1 bar Unterdruck. Ein möglichst hoher Überdruck im System des TR ist jedoch nicht anzustreben und auch nicht notwendig. Die Kühlanlage ist sehr großzügig dimensioniert, die Gefahr des Kochens ist, die Umrüstung auf einen leistungsfähigen Lüfter vorausgesetzt, bestenfalls in Extremsituationen gegeben. Der Motor ist eine Vorkriegskonstruktion, er soll nicht an modernen Maßstäben gemessen werden.

Der an meinem TR zur Zeit verwendete Deckel ist mit 15lbs, also ca. 1 bar gekennzeichnet. Demnächst wird ein mir zugeflogener Deckel mit 4 lbs/inch² eingesetzt, auch, um mögliche Auswirkungen auf die Haltbarkeit der Wellendichtung der Wasserpumpe festzustellen. Die zuletzt verwendeten Repros haben alle nach kurzer Einsatzzeit zu tropfen begonnen.

Unabhängig davon, das System funktioniert nur dann zufrieden stellend, wenn der Deckel funktioniert und keine Lecks vorhanden sind. Deckel sollen zuverlässig abdichten, daher sind Dichtung und dessen Sitz am Stutzen gelegentlich zu begutachten. Lecks im System sind gefährlich, besonders dann, wenn sie unbemerkt bleiben. Es empfiehlt sich, bei betriebswarmem Motor gelegentlich nach Lecks zu forschen (Wasserpumpe, Ablaßhähne, Schlauchverbindungen, Kühler). Festgestellte Lecks sollen umgehend beseitigt werden.

Thermostat

Wie oben bereits ausgeführt, generell bestimmt der Thermostat darüber, ob das Wasser dem großen Kühlkreislauf zugeführt werden soll oder nicht. Die Thermostate der 4-Zylindermotore weisen eine Besonderheit aus. Sie besitzen einen „Kragen“ der parallel zur Öffnung des Thermostaten den Zufluß zum kleinen Kreislauf nach und nach schließt. D.h., solange der Motor die Betriebstemeperatur nicht erreicht hat, ist dieser Kreislauf voll und danach teilweise geöffnet. Dem Motor wird also vortemperiertes Wasser zugeführt. Die Betriebstemperatur wird so schneller erreicht, später gehalten und es entstehen keine unerwünschten Spannungen in Block und ZK, die bei schneller Zufuhr kalten Wassers unweigerlich auftreten würden.

Beim Einsatz moderner Thermostate ohne diesen Kragen, fließt nach Erreichen der Betriebstemepratur heißes Wasser weiterhin direkt in die Vorkammer der Pumpe. Dieser Effekt ist unerwünscht, weil der Zufluß ungeregelt und damit unkontrolliert erfolgt.

Viele TR-Eigner behelfen sich erfolgreich damit, beim Einsatz moderner Thermostate den Zufluß über den „Umleitschlauch“ in die Vorkammer der Pumpe durch eine Scheibe mit einem 5mm Loch zu begrenzen. Das funktioniert durchaus zufrieden stellend, ist aber letztendlich ein Kompromiß, weil eben keine kontrollierte Regelung stattfindet. Da die anzustrebende Eintrittstemperatur des Wasser in den Block m.W. überhaupt nicht definiert, muß hier ggfs. experimentiert werden.

Es hat den Anschein, als habe bei der Planung des Kühlsystems die vorhandene Erfahrung eine größere Rolle gespielt als auf wissenschaftlicher Basis ermittelte Daten. Das Fehlen dieser Daten in der Fachliteratur und die Angabe viel zu niedriger Öffnungstemepraturen für Thermostate in unseren Breiten sind ein weiteres Indiz für diese These. Meiner Einschätzung nach wird der Motor im Normalbetrieb eher unterkühlt gefahren. Offensichtlich hat man sich hinreichender Reserven nach oben versichern wollen. Die Regelung der TR4-Kühlung war bereits bei Markteinführung Anfang der 60er Jahre technisch veraltet. Diese Aussage ist nicht negativ zu verstehen, die Kundschaft besaß keinen Grund zur Klage und den Buchhalter wirds erfreut haben.

Das WHB empfiehlt einen Thermostaten mit Öffnungsbeginn von 74°, eine andere Quelle einen mit 70° und voller Öffnung bei 85°. Gab es tatsächlich einmal Thermostate mit einem Regelbereich von 15°? Heutige sind in der Regel ca. 5° nach Nenntemperatur voll geöffnet. Die optimale Betriebstemperatur ist im WHB nicht definiert. Als Erfahrungswert für TR-ähnliche Konstruktionen wird im allgemeinen 80 bis 85° bei Verlassen des ZK angenommen. Die Mittenstellung des TR-Originalinstruments untermauert diese Annahme. Sie liegt bei 180° F, was ca.82° C entspricht. Diese Temperatur wird mit 70/74°-Thermostaten im Normalbetrieb nicht oder selten, und dann nur kurzfristig, erreicht, der Motor läuft meinem Eindruck nach deutlich zu kühl.

Der Einsatz eines 80 bzw. 82°-Thermostaten ist daher sinnvoll. Einer mit 84° wird wohl das beste Ergebnisse erreichen. Wohlgemerkt, Thermostate mit „Kragen“! Wer mit Thermostaten experimentiert, soll nicht nur auf die Betriebstemperatur achten, sondern ebenso auf die Temperatur, die sich nach dem Abstellen des Motors im ZK bildet! Zumindest theoretisch besteht hier ein Risiko der Überhitzung. Es entzieht sich meiner Kenntnis und Erfahrung, welche Temperaturen dem Kopf noch zuträglich sind und welche nicht mehr. Es wird die Meinung vertreten, der Kopf hätte es gern kühl, andere sind der Auffassung, Temperaturen von über 110° seien unproblematisch.

Wer seinen TR auch im Winter fährt, wird nicht umhin kommen, die Kühlwirkung der Anlage zu begrenzen und einen Teil der Kühlerfläche mit einer Pappe zu verschießen.

Thermostate versehe ich mit einer 3mm-Bohrung. Der Einbau erfolgt mit der Bohrung nach oben. So wird zuverlässig verhindert, dass sich vor dem Thermostaten (z.b. nach Neubefüllung) eine Luftblase festsetzt, die das Öffnen verhindert.

Temperaturanzeige

Das Instrument reagiert äußerst träge. Die Anzeigegenauigkeit ist zweifelhaft. In meinem TR befindet sich bspw. ein (nachgerüstetes?) Instrument, dessen Normalbereich mit 70° C gekennzeichnet ist, bei tatsächlich anliegenden 70° jedoch unter 60 anzeigt. Es empfiehlt sich daher, Messungen am eigenen System vorzunehmen und mit den angezeigten Werten zu vergleichen. Es ist möglich, moderne und funktionssichere Instrumente mit dem Ziffernblatt des Originals zu versehen oder aber das Innenleben in das alte Gehäuse zu implizieren. Bei Messungen von außen, bspw. am T-Gehäuse, wird „nur“ die Temperatur des Gehäuses ermittelt. Die gefundenen Werte müssen also mit etwas „Feeling“ interpretiert werden.

Anschluß des Originalinstruments an den 10-V-Spannungswandler. Bei nachgerüsteten Instrumenten ist zu prüfen, ob diese nicht mit 12V betrieben werden.

In meinem TR habe ich ein elektronisches Meßgerät nachgerüstet, das zuverlässig Auskunft über die Temperatur des Kühlwassers am Ausgang des ZK erteilt. Eine Notwendigkeit besteht dafür nicht, sofern sich das Kühlsystem in gutem Zustand befindet. Mein TR war in dieser Hinsicht fürchterlich verbastelt und ich war neugierig genug, in Erfahrung bringen zu wollen, was da eigentlich im Detail abgeht. Für Interessierte habe ich unten 2 Bilder eingestellt. (PT100- Fühler und GTH 2448, beides von Conrad)

Wasserpumpe

Es handelt sich um eine sog. Schleuderpumpe, die im Normalbetrieb hinreichend gute Zirkulation sicherstellt. Die angeschrägten Schaufelblätter einiger Repros wirken sich meiner Erfahrung nach nicht auf die Leistungsfähigkeit aus. Neue Repros sollen nach Einbau eine Fettfüllung erhalten. Es wird an allem gespart.

Die mir bekannten (Stand 06/10) im Handel befindlichen Pumpen weisen erhebliche Qualitätsmängel auf. Faktisch sind sie Schrott. Ausnahmen mögen die Regel bestätigen, bekannt sind mir keine. Es empfieht sich daher, immer (!) eine Ersatzpumpe dabei zu haben

Kühler

Der Kühler soll frei von Kesselstein, Schlamm und anderen Verunreinigungen sein. Wer will, kann von Zeit zu Zeit mal durchspülen. Sauberes Wasser verhindert auch Fehlfunktionen des Thermostaten durch Ablagerungen und Rostpartikel. Netze mit ausgeprägter Kesselsteinbildung sollen getauscht werden. Sie sind Quelle ständigen Ärgers. Die Anschaffung von (mir bekannten) Reprokühlern empfiehlt sich wegen minderwertiger Qualität nicht. Die Kosten zwischen Überholung und Neuanschaffung unterscheiden sich nicht großartig.

Verbogene Lamellen sollen so gut wie möglich wieder gerichtet werden. Der Kühler soll zum Saisonende von Insekten und Ufos gereinigt werden. Dazu verwendet man einen Wasserschlauch bei geringem Wasserdruck. Die Reinigung erfolgt von hinten, also von der Motorseite her. Der Einsatz von speziellen Mittelchen, bspw. Insektenreinigern ist nicht erforderlich. Optische Korrekturen am Lack können mit einem hoch temperaturgeständigen Lack aus der Sprühdose vorgenommen werde. Für Ganzlackierungen ist jedoch ein spezieller Kühlerlack zu verwenden. Er wird ohne Grundierung aufgebracht.

Als Kühlwasser fülle ich entmineralisiertes Wasser aus dem Baumarkt ein. Es enthält keine festen Stoffe, wie z.B. Kalk, die kesselsteinbildend wirken könnten.

Im Notfall, weit ab jeglicher Zivilation, z.B. dann, wenn der Thermostat ausgebaut und Wasser nachgefüllt werden muß, eignet sich zur Freude der Umstehenden auch sauteures Pellegrino, ob mit oder ohne Kohlensäure spielt keine Rolle. Sekt, habe ich selbst noch nicht ausprobiert, soll aber ohne Kopfschmerzen zu verursachen, ebenfalls geeignet sein. Not macht erfinderisch.

Luftleitpappe

sollte nirgendwo fehlen. Sie steigert bei schneller Fahrt den Luftdurchsatz durch den Kühler und damit die Wirkung erheblich. Zusatznutzen: Motor und Motorraum bleiben sauberer.

Lüfter

Das System ist auf den originalen vierblättrigen Metalllüfter ausgelegt. Bei mir hat bereits einer der Vorbesitzer diesen durch das immer wieder genannte BMW-Teil 1 259 664 mit deutlich besserer Leistung ersetzt. Die Umrüstung ist empfehlenwert. Bei dieser Gelegenheit wird der Kopf des Bolzen, der die Verlängerung hält, auf 28 mm metrisch nachbearbeitet. Die mir bekannten Neuanfertigungen von Kunststofflüftern müssen an der Aufnahme nachbearbeitet werden. Sie sind als Rohlinge zu begreifen. Darüber hinaus ist die Befestigungsvorrichtung sehr filigran gestaltet worden. Ob sie jahrelangen Belastungen standhält, sei dahingestellt. Daran sollten auch diejenigen denken, die zum Einstellen des Ventilspiels den Motor mit eingeschraubten Kerzen von Hand mit dem Lüfterrad drehen.

Die Umrüstung auf Elektrolüfter ist selbst zu entscheiden. Er soll in jedem Fall temperaturgesteuert sein. Die Steuerungseinrichtung soll sinnvollerweise hinter dem Kühler angebracht werden. Hier hat sich nämlich bereits entschieden, mit welcher Temperatur das Wasser dem Motor zugeführt wird und ob weiter oben Kühlungsbedarf besteht. Es macht meiner Meinung nach wenig Sinn, den Lüfter so anzusteuern, dass er nach Abschalten des Motors noch einige Minuten weiter läuft. Ich bezweifele, daß das herunter gekühlte Wasser den ZK mit reiner Schwerkraft jemals erreicht und auch durch fließt, lasse mich aber gerne eines Besseren belehren.

Wer der Effektivität des Kühlsystems unter harten Bedingungen (Stau nach Autobahnfahrt, Paßfahrten, Stop an Go bei hochsommerlichen Außentemperaturen) nicht vertraut, installiert einen elektrischen Zusatzlüfter vor dem Kühler, also blasende Ausführung. Es reicht aus, diesen vom Innenraum zuschalten zu können.

Alles in allem lässt sich feststellen, ein intaktes Kühlsystem gibt wenig Anlaß zu Verbesserungen. Es ist großzügig dimensioniert, funktionssicher und mechanisch zuverlässig. Einziger Knackpunkt ist der Thermostat, der in der benötigten Ausführung als Repro m.W. (noch) nicht lieferbar ist.

Frostschutz

Ist notwendig, da das Kühlwasser auch im Winter in der Anlage verbleibt. Persönlich verwende ich das einfache „Gut und Günstig“. High-Tech-Produkte sind teuer, u.a. weil sie für moderne Leichtmetallmotore ausgelegt sind, die eines hochwertigen Korrosionsschutzes bedürfen. Die Mischungsverhältnisse sollen eingehalten werden. Ein Frostschutzanteil von über 60% soll die Wirkung wieder mindern und die Kühlwirkung verschlechtern. May be. Die Einhaltung der gewünschten Frostfestigkeit wird am Ende der Saison mit einer Spindel geprüft und ggfs. angepasst.

Störungen

Temperatur zu niedrig

- Temp.Geber am T-Gehäuse defekt oder falscher Widerstandwert

- elektrische Verbindung zum Instrument schadhaft

- Instrument schadhaft

- Thermostat schließt nicht

- Niedrige Außentemperatur

Temperatur zu hoch

- Temp.Geber am T-Gehäuse defekt

- elektrische Verbindung zum Instrument schadhaft

- Instrument schadhaft

- Spannungswandler defekt. Gleichzeitig wird die Tankfüllung zu hoch angezeigt. Prüfen: Spannung am Ausgang Spannungswandler messen. Hier müssen spätestens nach 30 sec. ca. 10 V anliegen. Wenn nichts angezeigt wird, hast du vergessen, die Zündung anzuschalten… Auch Fehler in der Elektrik (sog. Schleifen) können zu falschen Anzeigen führen. Verdächtig und in der Regel auch die Ursache sind hier unorthodox nachgerüstete Kabel.

- Thermostat ist defekt und öffnet nicht

- Luftblase vor dem Thermostaten verhindert das Öffnen

- Thermostat falsch eingebaut

- Kühlwasserstand zu niedrig

- größeres Leck in der Anlage (!)

- Kühler zugesetzt

- Kühlerverschlußdeckel defekt

- Extreme Betriebsbedingungen

Notlösung, wenn nicht wirklich sofort angehalten werden kann: Heizungskreislauf öffnen!

Wasserverlust

- Wer regelmäßig nach dem Kühlwasserstand schaut, wird feststellen, dass sich der Wasserstand im Hals bei einem bestimmten Stand stabil einpegelt. Überschüssiges Wasser ist abgeblasen worden.

- Im Kühlkreislauf „verdunstet“ kein Wasser! Festgestellter Wassermangel ist also immer (!) auf Lecks zurückzuführen. Besonders gemein sind undicht gewordene Kopfdichtungen, Risse in Kopf und Block und eine fehlerhafte untere Abdichtung der Laufbuchsen.

- Wenn von außen keine Lecks feststellbar sind, ist zu prüfen, ob sich der Ölstand auf wundersame Weise erhöht hat, sich gelb/weißliche Ablagerungen am Messstab und/oder Öleinfülldeckel befinden, ein Ölfilm auf dem Wasser schwimmt oder aber sich Wassertropfen am Meßstab befinden (sehen aus wie kleine Luftbläschen). Die Beurteilung ist schwierig, es kann sich auch um Kondenswasser nach langer Standzeit handeln. Bei Wasser im Öl drohen Lagerschäden. Dringt über eine defekte Kopfdichtung Wasser in den Brennraum kann es zu einem sog. Wasserschlag kommen. Da sich Wasser nicht komprimieren läßt, wirkt die Kraft des nach oben bewegten Kolbens auf das Pleuel und der Schaft verbiegt sich.

Ersatzteile

Es wird empfohlen, auf Reisen folgende Ersatzteile mitzunehmen: Keilriemen, WaPu mit montierter Riemenscheibe, Thermostat, entsprechende Dichtungssätze, eine Flasche mit Wasser.

Temperaturregelung an meinem TR4

Der Zustand der gesamten Anlage ist gut, das Kühlernetz neuwertig. Nach einigen Experimenten in der Saison 2009 hat sich folgende Zusammenstellung bewährt:

- Thermostat: Behr 84° mit „kleinem“ Durchlaß, hab leider die Nr. nicht mehr. Es handelt sich aber um ein gängiges VW/Ford-Teil mit einem Durchmesser von ca. 54 mm.

- Entlüftungsbohrung 4 mm, verhindert Luftblase vor dem Thermostaten und sorgt gleichermaßen für leichten permanenten Durchfluß.

- Bypass auf 5 mm eingeengt.

- Kühlerdeckel 4 lbs/inch² = ca. 0,3 bar

Auch bei hochsommerlichen Außentemperaturen liegt die Wassertemperatur konstant bei 82/83°, im langsamen Stadtverkehr steigt sie bis auf 86° und nach dem Abstellen auf max. 105°.

Ein vorhandener elektrischer Zusatzlüfter wurde nicht benötigt….

Literaturempfehlung

- Volvo Werkstatthandbuch für B18, B20 und B30-Motore

- Jetzt helfe ich mir selbst, Band 154 für Golf 1,4 bis 2,0 ltr

- Restaurierungsanleitung TR4 - TR6 von Schrader

- WHB

Dieser Artikel wurde in 08/09 von voltri angelegt. Korrekturen, Erweiterungen und Ergänzungen sind ausdrücklich erwünscht.
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Thermostat, Wasserpumpe

Bilder aus dem Owner's Workshop Manual by Haynes 1971
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voltri hat diesen Artikel angelegt.
Gruß Peter

Mir reichts, ich geh schaukeln!
Garageninhalt.....

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