Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor führt hauptsächlich die Wärme ab, die vom heißen Gas an die Wände von Brennraum und Zylinder abgegeben wird, da der Kreisprozess nicht ideal verläuft. Im Vergleich zu Elektromotoren ist der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gering und erfordert eine entsprechend hohe Kühlleistung, da zu hohe Temperaturen den Motor beschädigen können, z. B. durch Abreißen des Schmierfilms (Kolbenfresser) oder durch das Verbrennen der Ventile. Bei Stirlingmotoren wird die abzuführende Prozesswärme über die Kühlung abgegeben.
Als primäres Kühlsystem werden Luft- und Wasserkühlung verwendet. Mit einem Ölkühler wird zusätzlich oft – meistens bei Luftkühlung – über das Schmiermittel gekühlt.
Luftkühlung mini|Luftführung beim VW Käfer(blau: Kaltluft, rot: Warmluft) mini|Luftgekühlter Motor, aufgeschnitten
Kennzeichnend sind die metallenen Lamellen um den Zylinder und den Zylinderkopf. Die im Verhältnis zur Luft deutlich größere Wärmeleitfähigkeit führt die Wärme ab, während die großen Oberflächen den Übergang zur umgebenden Luft begünstigen.
Verwendung Gleichwohl die ersten Automobile mit Verbrennungsmotor flüssigkeitsgekühlt waren, etablierten sich eine Zeit lang alternativ dazu auch Kraftfahrzeuge mit Luftkühlung. Eine dominierende Rolle nahm die Luftkühlung bei Automobilen jedoch zu keinem Zeitpunkt ein. Die letzten neu entwickelten Pkw mit luftgekühlten Motoren wurden um 1970 herausgebracht, lediglich Porsche setzte die Weiterentwicklung derartiger Pkw noch eine Zeit lang fort. Gegenwärtig wird Luftkühlung nur noch bei einigen Motorrädern angewendet. Hersteller wie Harley-Davidson, Buell, Ducati, Moto Guzzi oder BMW haben oder hatten zahlreiche Modelle mit Luftkühlung im Programm, allerdings sind im Zuge der Euro-4-Abgasnorm viele Hersteller zur Wasserkühlung übergegangen.
Personenkraftwagen mit Luftkühlung waren grundsätzlich mit einem Gebläse ausgestattet. Derartige Fahrzeuge wurden zuletzt noch in Gestalt des Porsche 911 mit 6-Zylinder-Boxermotor (bis 1998) und Tatra 700 mit 8-Zylinder-V-Motor (bis 1999) hergestellt. Weitere historische PKW mit luftgekühltem Motor sind unter anderem Tatra 77 und VW Käfer, sowie Citroën 2CV („Ente“), Trabant (außer Typ 1.1), Citroën GS und Honda 1300, wobei Letzterer das Konzept eines luftgekühlten Fronttrieblers mit doppelwandigen Zylindern und einer Literleistung von 74 PS/l auf die Spitze trieb.
Ein bekannter luftgekühlter Kleintransporter war der VW-Bus (VW T1/T2, im VW T3 bis 1982). Auch einige LKW wurden in der Vergangenheit mit luftgekühlten (Diesel-)Motoren ausgestattet, darunter Magirus-Deutz und Faun (mit Deutz-Motoren). Robur stellte luftgekühlte Lastwagen sowohl mit Diesel- als auch Ottomotor her. Tatra produziert Lkw mit luftgekühlten Motoren auf Kundenwunsch bis heute für extreme Einsatzgebiete.
Verbreitet ist die Luftkühlung gegenwärtig noch bei Stationär- und Industriemotoren, in Propellerflugzeugen und in RC-Cars mit Verbrennungsmotor sowie bei Kleinmotoren von Rasenmähern oder Motorsägen. Diese Motoren kommen häufig, wie auch einige Motorradmotoren, ohne Gebläse aus.
Vorteile Einfache und preiswerte Bauweise durch geringe Anzahl beteiligter Komponenten Schnelles Erreichen der Betriebstemperatur (bei Vorhandensein entsprechender Regulierungsvorrichtungen) Klimatisch unabhängig: Kein Einfrieren von Kühlflüssigkeit bei tiefen Außentemperaturen, kein Wasserbedarf in heißen und/oder wasserarmen Regionen Zuverlässiger Betrieb, weitgehend wartungsfrei Bei Militärflugzeugen geringere Beschussempfindlichkeit geringes Gewicht bei Verwendung kurzer Kühlrippen (z. B. Honda 1300)
Nachteile Große Geräuschemissionen aufgrund des fehlenden geräuschdämmenden Wassermantels. Eine Lösung des Problems erzielte Honda mit dem 1300 mit doppelwandigen Zylindern. Bei Sportwagen kann die Geräuschentwicklung auch ein gewünschter Effekt sein. Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und einem Festkörper ist um etwa Faktor 50 bis 100 niedriger als der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wasser und einem Festkörper. Daher starke Verrippung der Zylinderoberfläche und ggf. ein kräftiges Gebläse notwendig. Auch dieser Nachteil wurde beim Honda 1300 vermieden. Verteilung der Kühlluft nicht optimal möglich, Motorleistung dadurch begrenzt. Kühlgebläse, sofern vorhanden, arbeitet daher mit recht hohem Leistungsaufwand (bis zu 8 % der Motorleistung), der größer als der einer Wasserpumpe ist Erfassung der Motortemperatur ohne zusätzliche Sensoren schlecht möglich, dadurch Gefahr unbemerkter Überhitzung des Motors Größere Schwankungen der Betriebstemperatur abhängig von der Außentemperatur Größere Kolbenspiele erforderlich und somit anfälliger für Kolbenkippen Begrenzt wirksame und ungleichmäßige Beheizung der Fahrgastzelle Weitere Nachteile des luftgekühlten Viertaktmotors: Ggf. zusätzlicher Ölkühler mit Thermostat erforderlich; Bauteile wie Kanäle, Ventile (Ventilwinkel), Zündkerzen und Einspritzdüsen können konstruktiv nicht beliebig so angeordnet werden, wie es ein optimales innermotorisches Abgasverhalten erfordern würde, wodurch die Einhaltung von modernen Abgasvorschriften erschwert wird. Ebenso können thermisch hoch belastete Zonen wie der Bereich zwischen den Auslassventilsitzen und Zündkerzen bei mehrventiligen Anordnungen mit Flüssigkeitskühlung besser beherrscht werden, was ein höheres Verdichtungsverhältnis ohne Klopfgefahr zugunsten der Abgas- und Verbrauchswerte erlaubt. Luftgekühlte Zweitaktmotoren sind jedoch keine Alternative, da diese aus anderen Gründen ein schlechtes Abgasverhalten zeigen.
Bauteile Kühlgebläse Viele Motorradmotoren kommen ohne Gebläse aus (Fahrtwindkühlung). In anderen Anwendungsgebieten beschleunigt ein Kühlgebläse den Wärmeaustausch. Verbreitet sind Kühlgebläse bei stationären Motoren, zum Beispiel in Strom- oder Druckluftaggregaten, bei Fahrzeugen mit geringer Geschwindigkeit oder bei thermisch hoch belasteten Motoren. Das Lüfterrad sitzt oft direkt auf der Kurbelwelle. Wenn es über einen Keilriemen angetrieben wird, kann dieser reißen, wodurch die Kühlung unmittelbar ausfällt. Dann muss der Betrieb des Motors sofort unterbrochen werden.
Kühlluftführung Die Luft wird – meist mittels Leitblechen – direkt auf Zylinder und Zylinderköpfe gelenkt. Diese haben Kühlrippen, um die wärmeabgebende Oberfläche zu vergrößern.
Kühlluftregulierung Um auch bei niedriger Außentemperatur rasch die Betriebstemperatur zu erreichen, haben einige luftgekühlte Motoren thermostatgesteuerte Klappen, beispielsweise die entsprechenden Volkswagen-Motoren.
Ölkühler Bei vielen Typen wird zusätzlich das Motoröl gekühlt. Bei älteren Deutz-Motoren wird es durch ein spiralförmiges Rohrleitungssystem im „Windkanal“ des Kühlgebläses gepumpt.
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Flüssigkeitskühlung mini|Verschiedene Komponenten einer Flüssigkeitskühlung: Wärmeübertrager, elektrische Kühlmittelpumpen, Abschaltventil, Schläuche, Leitungen mini|Durchlaufkühlsystem eines Schiffsdieselmotors: 1. Einlassöffnung 2. Filter 3. Pumpe 4. Schiffsdieselmotor 5. Kupplung 6. Auslass mini|Kühlung eines Bootsmotors mit Seewasser Heutige Viertaktmotoren werden bis auf wenige Ausnahmen flüssigkeitsgekühlt, wobei in der Regel ein Gemisch aus Wasser und einem Frost- und Korrosionsschutzmittel als Kühlflüssigkeit dient. Daher hat sich im allgemeinen Sprachgebrauch der Begriff Wasserkühlung durchgesetzt.
Vorteile Wasser hat einen gleichmäßigen Wärmetransport und kann eine große Wärmemenge abführen. Der Kühlkreislauf wird mit geringem Überdruck betrieben, damit Kühlmitteltemperaturen bis etwa 115 °C möglich sind und Kavitation an Zylinderwänden verhindert wird. Das System wird dabei durch ein Überdruckventil geschützt. Die Flüssigkeitskühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile und damit den möglichen Verzug gering. Das wiederum erlaubt es, die Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren zu erhöhen. Für die Flüssigkeitskühlung wird weniger Leistung als für die Kühlgebläse der Luftkühlung benötigt. Die Heizung bei Fahrzeugen mit geschlossener Fahrgastzelle ist einfach durch einen Heizungswärmeübertrager möglich. Der Wassermantel wirkt geräuschdämmend.
Nachteile Der Motorblock und damit die notwendigen Gussformen sind aufwändiger herzustellen. Aufwändige und damit störanfälligere Bauweise: Kühler und Kühlmittelpumpe unterliegen Verschleiß, Kühlmittel muss regelmäßig ersetzt werden (kann vor allem in tropischen Gebieten ein Problem sein). Der Motor erreicht seine Betriebstemperatur nur langsam, vor allem bei der Thermosiphonkühlung. Höherer Systempreis, da mehr Komponenten als bei der Luftkühlung nötig sind. Geringere Zuverlässigkeit durch höhere Anzahl an Schläuchen, Leitungen und Komponenten Höheres Gewicht als bei der Fahrtwindkühlung
Kühlmittelkreislauf Ein Wasser- bzw. Kühlmittelkühler – früher oft aus Messing, heute meist aus Aluminium – ist meist an der Front des Fahrzeuges angebracht, wo ein Luftstrom das durchfließende Kühlmittel abkühlt. Von dort wird das Kühlmittel mit einer Kühlmittelpumpe über Schläuche durch den Motor gepumpt (Zylinderkopf und Motorblock). Thermisch stark beanspruchte Anbauteile des Motors wie Abgasturbolader, Generator oder der Abgasrückführkühler können in den Kühlmittelkreislauf mit eingebunden sein. In modernen Motoren werden häufig elektrische Kühlmittelpumpen (Leistung ~ 200 W) mit regelbarer Förderleistung eingesetzt. Sie haben eine wesentlich geringere Leistungsaufnahme als mechanisch angetriebene Pumpen und ermöglichen somit einen geringeren Kraftstoffverbrauch.
Ein anderes Wirkprinzip mit einfachem Aufbau hat die in der Vergangenheit verwendete Thermosiphonkühlung.
Bauteile Kühler Der Kühler hat die Aufgabe, das Kühlmittel abzukühlen, damit es erneut Wärme aus dem Motor aufnehmen kann. Beim PKW ist er in der Regel ein Wärmetauscher zwischen Kühlmittel und Luft. Bei Fahrzeugen mit Frontmotor ist er meist vor dem Motor zwischen den Scheinwerfern angebracht. Er kann aber auch anders angeordnet sein, beispielsweise hinter dem Motor (Wartburg-Pkw bis 1985). Bei Fahrzeugen mit Heckmotor befindet sich der Kühler meistens im Heck, seltener auch vorn zwischen den Scheinwerfern (Škoda 742). Kondensatoren von Klimaanlagen oder Ladeluftkühler werden vor dem Kühler eingebaut.
In der Regel ist eine Kühlermaske, die ein Kühlergitter (Kühlergrill) trägt, vor dem eigentlichen Kühler eingebaut und heutzutage in eine Frontschürze eingebettet. Sie soll nicht nur den eigentlichen Kühler vor Beschädigung schützen, sondern hat häufig einen großen gestalterischen Stellenwert im Automobildesign und Marken-Wiedererkennungswert. Mercedes-Benz und Rolls-Royce sind bekannt dafür, ihre Markenidentität durch traditionell stilisierte Kühlermasken zu prägen, auch wenn dem aerodynamische Erfordernisse immer stärker im Wege stehen. Umgekehrt fielen Automobile ohne erkennbare Kühlermaske häufig beim Publikum durch oder wurden mit abschätzigen Beinamen versehen, beispielsweise Nasenbär für den VW Typ 4 und VW Passat B3. Der luftgekühlte Trabant 601 erhielt ohne technischen Grund die Attrappe eines Kühlergrills, um den Repräsentationswünschen der Fahrzeughalter gerecht zu werden.