Luftgekühlte Motoren prägen das Bild klassischer Motorräder. Heute dominiert die Flüssigkeitskühlung – nicht wegen Umweltauflagen, sondern aufgrund klarer technischer Vorteile. Warum der Abschied von der Kühlrippe unausweichlich scheint – und was wir dabei verlieren.
Flüssigkeitskühlung hat sich bei modernen Motorrädern technisch klar durchgesetzt, auch wenn luftgekühlte Motoren nostalgische Gefühle wecken. Diese standen einst für Charakter, Vielfalt und mechanische Ehrlichkeit, wurden aber zunehmend von einheitlich wirkenden, kompakteren Zweizylindern verdrängt. Der Wechsel zur Wasserkühlung ist nicht auf Umweltvorgaben zurückzuführen, sondern auf den Wunsch nach mehr Leistung, weniger Gewicht und besserer Fahrbarkeit.
Die Problematik einer reinen Luftkühlung
Die oft gehörte Aussage, dass mit Luftkühlung die aktuellen Abgas- und Geräuschgesetze nicht eingehalten werden können, stimmt so nicht. Grundsätzlich kann Luftkühlung ausreichend Wärme vom Motor abführen. Letztlich wird auch bei Wasserkühlung die Wärme über den Kühler an die Luft abgegeben. Durch die besondere Gestaltung mit großer, wärmeabgebender Oberfläche und die Positionierung des Wasserkühlers im Luftstrom ist die Wärmeabgabe hier allerdings besonders effektiv.
Bis etwa 100 kW pro Liter Hubraum reicht eine reine Luftkühlung in der Regel aus, um genügend Wärme abzuführen. Beispiele dafür sind die alten luftgekühlten Suzuki-Vierzylinder (GSX-Modelle) bis Mitte der 1980er-Jahre, aber eben auch die luftgekühlten 1200er-Boxer von BMW. Erst bei höherer Literleistung wird eine Wasserkühlung unverzichtbar.
Das zentrale Problem dabei ist aber nicht die Wärmeabfuhr insgesamt, sondern jene aus den temperaturkritischen Bereichen im Zylinderkopf. Der Bereich zwischen den Ventilen und der Zündkerze (Ventilsteg) ist die Zone mit der höchsten Bauteiltemperatur im Zylinderkopf. Hier kann das Aluminium Wandtemperaturen bis weit über 250 °C erreichen. Dabei gerät die Aluminiumlegierung an die Grenzen ihrer Materialfestigkeit.
Luftstrom gelangt nicht tief in den Zylinderkopf
Hinzu kommen große Temperaturunterschiede zwischen Einlass und Auslass, die sich im Takt des Ladungswechsels ständig verändern und so zu Wärmespannungen führen. Bei Luftkühlung kommt es in dieser Zone zu Problemen mit der Wärmeabfuhr, weil sie tief im Zylinderkopf liegt, wo der Luftstrom einfach nicht hingelangen kann. Und genau darin besteht das zentrale Problem einer reinen Luftkühlung. Aus diesem Grund bekamen die luftgekühlten BMW-Boxer eine zusätzliche Ölkühlung für diesen Bereich, wie auch schon frühere luftgekühlte Motoren mit hohen Literleistungen (Suzuki GSX-Baureihe) oder aktuell Harley-V2-Motoren, deren Auslassbereich je nach Modell mit Öl gekühlt sind. Damit wird die Wärme aus den kritischen Bereichen wirkungsvoll abgeführt, die Spitzentemperaturen werden gesenkt und die Temperaturverteilung insgesamt gleichmäßiger.
Bei den voll im Fahrtwind liegenden Zylindern der klassischen BMW-Boxer mit horizontaler Durchströmung des Zylinderkopfs sind die Kühlungsverhältnisse besonders günstig. Anders sieht es bei vertikal durchströmten Zylinderköpfen (BMW-Wasserboxer) aus, denn der Auslassbereich wird weniger gut angeströmt. Daher ist bei dieser Bauform (aus Leistungsgründen ist ein dohc-Zylinderkopf nötig) eine Wasserkühlung unabdingbar.
Enduro besser mit Wasser
Auch bei Einzylinder-Enduros hat sich die Wasserkühlung trotz des Gewichtsnachteils durchgesetzt, denn zum einen steigt hier die Literleistung immer weiter. Zum anderen ist bei Langsamfahrt und möglicherweise verdreckten Kühlrippen die ausreichende Wärmeabfuhr nicht garantiert, was sich auf Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit negativ auswirkt.
Beim Reihen-Vierzylinder stellt sich zusätzlich die Frage der Abmessungen. Durch die Kühlrippen sind die Zylinder-Außendurchmesser bei Luftkühlung größer. Das verhindert bei Reihenmotoren eine kompakte Bauweise, die Motoren werden also länger (oder breiter, je nach Sichtweise). Zwangsläufig werden sie damit nicht nur größer, sondern vor allem auch schwerer (größerer umbauter Raum) – für Supersportler also undenkbar. Vermutlich ist dieser Gewichtsnachteil in der Summe aller Effekte sogar größer als das Mehrgewicht einer Wasserkühlung. Hinzu kommt die beschriebene ungenügende Kühlung der inneren Zylinder beim Reihenmotor.
Luftkühlung und Abgasverhalten
Grundsätzlich muss das Abgasverhalten bei Luftkühlung nicht schlechter sein als bei Wasserkühlung, es gibt durchaus Vorteile: Die Zylinder erwärmen sich schneller, weshalb im günstigen Fall die HC-Rohemissionen sogar geringer ausfallen und der emissionsintensive Warmlauf kürzer. Nachteilig wirken sich hingegen das größere Kolbenlaufspiel und die größeren Unrundheiten und Verformungen der Zylinder aus. Das berührt Feinheiten wie das sogenannte Flammenerlöschen in den Spalten zwischen Kolben und Zylinder (Feuerstegbereich). Diese Spalten und die Kolbenlaufspiele sind bei luftgekühlten Motoren größer. Pauschalaussagen sind hier aber schwierig, es handelt sich um sehr spezielle Effekte, die man bei den einzelnen Motoren genauer untersuchen müsste. Daten hierzu liegen jedoch nicht vor.
Inwieweit sich das unterschiedliche Temperaturniveau und die ungleichmäßigeren Zylinder-Wandtemperaturen bei luftgekühlten Motoren negativ auf die Schadstoffe auswirken, lässt sich ebenfalls nicht pauschal beurteilen. Vermutlich sind diese Auswirkungen aber eher gering bis vernachlässigbar. Je strenger jedoch zukünftige Abgasgesetze werden, umso mehr fallen auch kleinste Effekte ins Gewicht. So gesehen arbeitet die Zeit unabwendbar gegen die Luftkühlung. Auf die anderen Schadstoffkomponenten (NOx und CO) dürfte die Art der Kühlung wenig Auswirkungen haben.
Luftkühlung und Geräuschproblematik
Auf das Ansaug- und Auspuffgeräusch hat die Art der Motorkühlung keinen Einfluss. Signifikante negative Effekte der Luftkühlung ergeben sich bei den mechanischen Geräuschen. Je strenger die Geräuschgrenzwerte werden und je höher das Drehzahlniveau, umso kritischer werden die mechanischen Geräusche. Bei der Geräuschmessung werden Summenpegel gemessen, die sich zusammensetzen aus den Mündungsgeräuschen von Airbox und Auspuff, den Fahrgeräuschen (Abrollgeräusch der Reifen) und den mechanischen Geräuschen, die das gesamte Motorrad (Motor, Getriebe, Radantrieb) abstrahlt. Beim Auspuff und der Airbox sind die Hersteller bezüglich Schalldämpfung schon nahe am Limit. Noch mehr Dämpfung würde die Leistung beschneiden. Daher rücken bei niedrigeren Geräuschlimits die mechanischen Geräusche zwangsläufig in den Vordergrund.
Hier ist die Luftkühlung eindeutig im Nachteil. Wegen der größeren Fläche der Kühlrippen erhöht sich die Geräuschabstrahlung. Luftgekühlte Motoren benötigen außerdem ein größeres Kolbenlaufspiel, damit steigt das mechanische Laufgeräusch der Kolben. Ein Wassermantel um den Motor wirkt geräuschdämpfend. Die gleichmäßigere Temperaturverteilung im Motor erlaubt bei der Wasserkühlung geringere Laufspiele. Je höher die Spiele in den Lagern sind, umso größer das Geräusch. Es sind also zusammengenommen viele Kleinigkeiten, die hier zum Nachteil der Luftkühlung führen.
Luftkühlung, Motormechanik, Verschleiß
Der luftgekühlte Motor weist auch hier Nachteile gegenüber der Wasserkühlung auf. Wegen der ungleichmäßigeren Temperaturverteilung und der generell höheren Temperatur kommt es zu größeren Laufspielen von Lagern, die wiederum nachteilig für den Verschleiß sind. Besonders das größere Kolbenlaufspiel wirkt sich tendenziell mit größerem Verschleiß aus. Wichtiger noch sind die größeren Unrundheiten des luftgekühlten Zylinders, die sich im Verschleißverhalten, der größeren Durchblasemenge und vor allem im höheren Ölverbrauch des Motors niederschlagen. Der Zylinderkopf wird deutlich wärmer und hat bei luftgekühlten Motoren eine sehr ungünstige Temperaturverteilung. Wärmespannungen können auf lange Sicht und bei hohen Laufzeiten unter Umständen sogar zu Rissen führen. Der Ventilsitzbereich wird höher beansprucht, ein größerer Sitzring- und Ventilverschleiß ist zu erwarten.
All das führt dazu, dass neben der schlechteren Wärmeabfuhr die Luftkühlung für absolute Hochleistungsmotoren nicht mehr geeignet ist. Aus den bereits angeführten Gründen (Mechanik, Verschleiß, Geräusch) können luftgekühlte Motoren leistungsmäßig nicht so ausgereizt werden wie wassergekühlte Motoren. Sie können auch nicht so hohe Literleistungen erreichen, weil der Einlassbereich ein höheres Temperaturniveau hat und sich somit das Gemisch mehr aufheizt (geringe Dichte, weniger Sauerstoff), wodurch die Zylinderfüllung kleiner wird. Damit sinkt die Leistung gegenüber gleich großen wassergekühlten Motoren.
Fazit
Die Flüssigkeitskühlung ist dem luftgekühlten Motor technisch in nahezu allen Disziplinen überlegen – vor allem bei Leistung, Geräuschverhalten und Haltbarkeit. Was bleibt, ist die Faszination für sichtbare Mechanik und die emotionale Bindung an vergangene Motorradgenerationen. Doch die Entwicklung ist eindeutig: Für moderne Anforderungen hat die Luftkühlung keine Zukunft mehr – zumindest nicht für Hochleistungsmotoren. © Motorrad-Online
