Effiziente Kühlsysteme von Renault F1

Grundsätzlich entsteht die Notwendigkeit der Motorkühlung aus der systembedingten Ineffizienz aller Verbrennungsmotoren. Selbst die hoch optimierten modernen Formel 1-Triebwerke arbeiten mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad bei der Umsetzung der potenziellen Energie des Benzin-Luft-Gemischs in die kinetische Energie des Vortriebs. Das Verhältnis der beiden Größen nennen Techniker "thermische Effizienz". Diese liegt meist in der Region von 30 Prozent. Das bedeutet, dass bei einem typischen Formel 1-Motor mit knapp unter 650 kW (rund 850 PS) Leistung auf dem Prüfstand etwa 1500 kW (oder potenziel 2000 PS) Energie verloren gehen.

Wohin aber verschwindet diese immense Energiemenge? Ein kleiner Prozentsatz wird in den unnachahmlichen Sound der Grand Prix-Boliden umgesetzt. Die überwiegende Menge allerdings muss als Hitze aus allen möglichen Regionen abgeführt werden. Der Ölkreislauf zum Beispiel nimmt rund 120 kW auf, das Kühlmittel um die 160 kW. Die innere Reibung des Getriebes kostet etwa 15 kW Energie, und das Hydrauliksystem beansprucht weitere drei kW. Mehr als ein Drittel des Rests geht durch die aus den Auspuffrohren strömende Hitze verloren, und gut 15 Prozent verpuffen in Form unverbrannt ausgestoßenen Kraftstoffs.

Diese Energieverschwendung bringt erhebliche Probleme beim Temperaturhaushalt mit sich. Die Wärmetauscher an einem Rennwagen funktionieren sehr effizient. Doch ihr Wirkungsgrad hängt von der "Luftdurchfluss-Kapazität" ab, also der Masse an Frischluft, die über eine bestimmte Fläche durch den Kühler strömt. Dies wiederum hängt davon ab, welche Fließgeschwindigkeiten der Luft wir an den Kühlöffnungen erzeugen können. In der Regel beträgt die Eintrittsgeschwindigkeit an den Kühlöffnungen nur zehn bis 15 Prozent des Fahrzeugtempos. Das heißt, selbst wenn ein Auto mit 300 km/h unterwegs ist, strömt die Luft nur mit 30 bis 35 km/h ein. Erschwerend kommt hinzu, dass die Kühlkreisläufe für Wasser und Öl verschiedene Ansprüche stellen. Die Wassertemperatur korreliert mit der durchschnittlichen Leistungsabgabe während einer Runde, während beim Öl neben der Leistung auch die Motordrehzahl über die Temperatur bestimmt.

Wenn man bedenkt, wie komplex das Thema Kühlung ist, braucht man schon einen sehr guten Grund, sich überhaupt mit diesen widerstreitenden Anforderungen zu befassen. Dieser Grund heißt Aerodynamik. Grundsätzlich suchen wir nach der besten Balance zwischen Kühlung und geringem Luftwiderstand. Je mehr Luft wir durch die Kühler leiten, desto mehr leidet die aerodynamische Effizienz. Der Unterschied zwischen minimaler und maximaler Kühlung reduziert den Abtrieb um volle fünf Prozent. Das entspricht auf eine durchschnittliche Runde betrachtet einem Verlust von 0,4 Sekunden.

Der Luftfluss wir durch eine Reihe verschiedener Konfigurationen am Kühlerauslass kontrolliert. Beim R24 verfügen wir über 13 unterschiedliche Optionen, um für jede mögliche Situation gerüstet zu sein. Die jeweils passende Konfiguration wird festgelegt anhand der Lufttemperaturen und den so genannten "streckenspezifischen Faktoren" wie Vollgasanteil und den jeweiligen Temperaturlimits des Motors.

Üblicherweise fahren wir mit Öltemperaturen von mehr als 100°C. Das Kühlwasser erreicht in seinem Drucksystem bis zu 3,75 bar, so dass wir den Siedepunkt bis 120°C hinausschieben können. Höhere Temperaturen zu tolerieren, heißt, dass wir den Luftfluss durch die Kühler reduzieren können und aerodynamische Vorteile gewinnen. Wie immer gibt es aber auch hier eine Schattenseite: Pro 5°C mehr Wassertemperatur verzichten wir auf mehr als ein PS Leistung.

Die überragende Bedeutung der Aerodynamik in einem modernen Formel 1-Auto führt dazu, dass wir erheblichen Aufwand betreiben, um die Kühlung im Windkanal zu optimieren. Ein Beispiel für die Erfolge in diesem Bereich: Um die Temperaturen um 10°C zu senken, müssen wir heute 80 Prozent weniger Abstriche an der aerodynamischen Effizienz machen als noch vor vier Jahren.