Testastretta – wohltemperiert

Das war vielleicht eine Zangengeburt! Fünf Jahre lang (inkl. «Reifezeit») hatte ich an dem Problem rumgedoktert, und endlich kann ich den Durchbruch vermelden. Und sogar was für einen! 😎 Hier gilt wie selten: Was lange währt, wird endlich(!) gut!!!

Monster 1200S umgebaut auf einen echten(!) Thermostaten

Ich bin immer noch völlig begeistert, auch wenn ich sonst nicht zum Überschwang neige. Komme gerade von einer Testfahrt bei optimalen Bedingungen zurück (Morgensonne, Lufttemperatur zwischen 0° und +2°, trockene und salzfreie Straßen) und bin mir nun meiner Sache sicher genug, meine Ergebnisse dem Publikum zu präsentieren. Aber der Reihe nach:

Was war das Problem?

Wassergekühlte Ducati Motorräder auf Basis des Testastretta-Motors leiden alle mehr oder weniger an dem Problem des lieblos konstruierten, regelrecht primitiven Kühlkreislaufs. Und das sind nicht wenige Modellreihen, nämlich mindestens die folgenden: 848, 1098, 1198, Multistrada, Diavel, Streetfighter, Monster 1200. Das Bauteil, welches in allen oben genannten Modellreihen verbaut ist, dort immer die gleiche Ersatzteilnummer aufweist und welches unter Bikern gerne als «Thermostat» bezeichnet wird, entpuppt sich bei näherer Betrachtung (und nach Zerlegung) als schnöder Thermoschalter, so auch korrekt in den Ersatzteilkatalogen bezeichnet. Das Ding kann nur den Durchfluss sperren, oder je nach Temperatur der Kühlflüssigkeit mehr oder weniger weit freigeben. Reicht das denn nicht?

Um diese Frage zu beantworten, muss man sich von der Betrachtung dieses einzelnen Bauteils lösen und das gesamte Kühlsystem betrachten.

Das Kühlsystem

Im laufenden Motor fällt als unvermeidliches Nebenprodukt der Verbrennungsvorgänge Wärme an, welche abgeführt werden muss. Bei flüssigkeitsgekühlten Motoren umspült das Kühlmedium die Regionen, in denen diese Wärme ursprünglich anfällt: Zylinder und Zylinderköpfe. Das dabei erwärmte Kühlmedium muss nun physisch dorthin transportiert werden, wo es die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeben kann: den Kühler. Dazu bedarf es eines Kühlmittelkreislaufs und einer entsprechenden Zirkulation, wofür die Wasserpumpe sorgt.

Wenn man sich das im Detail anschaut:

Die Wasserpumpe

Bei der Wasserpumpe handelt es sich um eine Kreiselpumpe, in der die Flüssigkeit zentral auf ein Pumpenrad (mit einzelnen Flügeln, welche einzelne Kammern voneinander abtrennen) auftrifft. Durch die Rotation des Flügelrads wird die Flüssigkeit von den Flügeln mitgenommen, in Rotation versetzt und durch die resultierende Fliehkraft nach aussen geschleudert. Durch den Transport auf einen größeren Umfangsradius erfährt die Flüssigkeit eine Beschleunigung und einen Zuwachs an kinetischer Energie, welcher durch Form von Flügelrad und umlaufenden Kanälen in eine Druckerhöhung umgewandelt wird. Diese Druckerhöhung sorgt letztlich dafür, daß sich die Flüssigkeit auch entgegen Strömungswiderständen (Wandreibung in Schläuchen, Kanälen, Drosselquerschnitten etc.) in Bewegung setzt und eine Zirkulation in Gang kommt. Das ist ja beim Menschen letztlich nicht anders 😉

Wir merken uns an dieser Stelle, daß die Druckerhöhung in einer Kreiselpumpe eine Funktion von deren Drehzahl ist, also: kleine Drehzahl = geringe Druckerhöhung, hohe Drehzahl = große Druckerhöhung. Wenn ich mich nicht irre, ist der Zusammenhang sogar quadratisch, d.h.: halbe Drehzahl führt nur zu einem Viertel der Druckerhöhung.

  • Die Fördermenge ändert sich linear mit der Drehzahl.
  • Die Förderhöhe (= Druckerhöhung) ändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl.
  • Der Leistungsbedarf ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl.

Siehe auch hier.

Der Kühler

Beim umgangssprachlich «Kühler» genannten Bauteil handelt es sich technisch gesehen um einen Wärmetauscher. Hierin wird über eine große Oberfläche die Wärme von einem durchströmenden Medium an ein anderes durchströmendes Medium übertragen, bzw. abgegeben. Dabei wird Wärme immer nur vom wärmeren an das kältere Medium übertragen. Im Falle unserer Bikes ist das Kühlwasser i.d.R. wärmer als die umgebende Luft, daher wird das Kühlwasser abgekühlt und die (in Fahrtrichtung hinter uns befindliche) Luft wurde aufgewärmt.

Der Kühler macht dies aber nicht einfach «nur so», weil er «da» ist. Sondern er benötigt für seine Funktion sowohl eine Durchströmung mit Kühlwasser, als auch eine Anströmung mit Luft, z.B. Fahrtwind. Fehlt mindestens eines von beiden, z.B. im Stand/Leerlauf, leistet der Kühler garnichts und es findet kein Wärmeaustausch statt. Das kann sicher jeder bestätigen, der sich schon einmal im Hochsommer mit einer wassergekühlten Ducati im Stop&Go Verkehr befunden hat.

Der Thermoschalter

Wozu benötigt man einen Thermoschalter oder Thermostaten? Letztlich soll er helfen, den Motor schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, damit die Kaltlaufphase mit all ihren Nachteilen (z.B. schlechte Abgaswerte, hoher Verbrauch, dickflüssiges Öl und schlechte Schmierung) möglichst kurz ausfällt. Während der Warmlaufphase wird die Wärme im Motor benötigt, und soll nicht an die Umwelt abgegeben werden. Ein geschlossener Thermoschalter kann genau das: die Zirkulation des Kühlwassers trotz Laufs der Wasserpumpe unterbinden. Das fängt also gut an.

Zurück zum Kühlsystem

Nun staut sich im Leerlauf/Kaltlauf des Motors das Kühlwasser unter der zarten Drückerhöhung (Leerlauf!) durch die Wasserpumpe vor dem geschlossenen Thermoschalter. Eine winzige Kerbe im Teller des Thermoschalter-Ventils sorgt für einen minimalen Leckstrom und einen quälend langsamen (Latenz!) Wasseraustausch im Thermoschalter, bis es im Gehäuse des Thermoschalters warm genug wird und dieser beginnt sich zu öffnen. Das erhitzte Kühlwasser tritt, speziell bei winterlichen Temperaturen um den Gefrierpunkt in den Kühler ein und schiebt sehr gut durchgekühlten Kühlerinhalt mit einer Temperatur nahe dem Nullpunkt zur Wasserpumpe. Dieses Eiswasser benötigt einen vollen Durchlauf durch den Motor, während dessen es sich nicht ausreichend aufwärmt um bei der nächsten Passage des Thermoschalters diesen geöffnet zu halten. Der Thermoschalter schliesst in der Folge, und das Spiel beginnt erneut. Daraus resultiert eine auf «ewig» verlängerte Warmlaufphase des Motors bei winterlichen Aussentemperaturen.

Die Lösung

Ich habe den serienmäßigen Thermoschalter ausgetauscht durch einen echten Thermostaten, welcher zwischen zwei unterschiedlichen Pfaden für das Kühlwasser stufenlos hin und her schwenken kann:

  • ein kleiner Kühlkreislauf, in dem das Kühlwasser nur innerhalb des Motors umgewälzt wird
  • ein großer Kühlwasserkreislauf, in dem der volle Kühlwasserstrom den Kühler durchströmt.

Details zur Funktionsweise kann man diesem Video der Fa. Mahle entnehmen.

Ein solches Thermostat hatte ich noch gebraucht in meinem Fundus. Es stammt von einer Aprilia Tuono V4 und ich hatte es im Zuge meiner in 2016 noch ergebnislosen Beschäftigung mit der Thematik einmal gekauft und bis heute aufbewahrt.

Für den Einbau in meine Monster habe ich es wie folgt adaptiert:

Der ursprüngliche Thermoschalter weist zwei Eingänge und einen Ausgang auf. Die Eingänge für den Heisswasser-Rücklauf vom stehenden Zylinder (hinterer Stutzen, sowie vom liegenden Zylinder (seitlicher Stutzen), sowie den kombinierten Ausgang (mit größerem Durchmesser) zur Verbindung mit dem Kühler-Eingang (oben). Da ich den Thermoschalter ersetzt habe, musste ich die beiden Teil-Rückläufe anderweitig zusammenfassen. Dafür hatte ich ebenfalls noch ein Eigenbau-T-Stück auf Lager:

Zusammenfassung der Rückläufe von stehendem und liegendem Zylinder mittels T-Stück

Die beiden Teile habe ich ebenfalls mit J-B Weld verklebt.

Die Montage

Ein wenig hatte ich gezögert, bevor ich den originalen Schlauch zwischen Kühler und Wasserpumpe (Teil 16) zerschnitt um das modifizierte Thermostatgehäuse einzufügen. Aber für die Wissenschaft muss man manchmal Opfer bringen. Ausserdem kostet dieser Schlauch als Original-Ersatzteil lediglich €27,- – das hielt ich dann doch für einen vertretbaren Einsatz falls es nichts geworden wäre.

Im Originalzustand sind geblieben:

  • Wasserpumpe und Zuleitungen zu den Zylindern
  • Rücklaufschlauch vom stehenden Zylinder (Teil 12)
  • Rücklaufschlauch vom liegenden Zylinder (Teil 5)

Ersetzt habe ich:

  • Thermoschalter (Teil 13) durch Eigenbau-T-Stück
  • Verbindungsschlauch vom neuen Thermostatgehäuse zum Kühler (Teil 17), für den ich einen Ersatz aus einem Reststück Schlauch improvisiert habe.

Modifiziert habe ich

  • Verbindungsschlauch zwischen Kühler und Wasserpumpe (Teil 16). Hier habe ich ein Stück von ca. 3 cm herausgeschnitten zur Aufnahme der neuen Thermostat-Querverbindung

Neu eingefügt habe ich

  • ein angepasstes Thermostat von einer Aprilia Tuono, wie abgebildet.

Hier noch einmal der «Cast» im Detail:

Technik die begeistert =8-) Ducati Monster 1200S mit Aprilia Tuono gekreuzt

Die einzelnen Schläuche, von 12:00 aus im Uhrzeigersinn gesehen:

  1. Rückleitung vom liegenden Zylinder
  2. Rückleitung vom stehenden Zylinder
  3. Verbindung zwischen Thermostat (neu) und Wasserpumpe
  4. Rückleitung vom Kühler zum Thermostaten (neu)
  5. Zuführung zum Kühler

Das Ergebnis

Zunächst einmal die Minimalforderung:

  • der Kühlkreislauf ist (bisher) dicht
  • die Verklebungen haben sich auch unter Druck und Temperaturen von 103°C (Anspringen des Lüfters) bisher nicht aufgelöst

Die folgenden Angaben beziehen sich auf vollständig offene, d.h. nicht abgedeckte Wasser-und Ölkühler und eine Lufttemperatur zwischen 0° und 2°C

Der Warmlauf erfolgt signifikant schneller. Ich wohne in einer 30er Zone, und muss bei jeder Ausfahrt immer erst ca. 1.5 km durch das Wohngebiet fahren, bis ich auf eine Verbindungsstrasse stoße auf der ich 50 fahren darf. Ich habe mir angewöhnt zu beobachten, ab welchem Punkt auf der Strecke die Wassertemperatur von «LOW» erstmalig auf 40°C wechselt. Das ändert sich natürlich je nach Witterung.

Heute, bei 0° Lufttemperatur, erfolgte dieser Wechsel bei etwa 2/3 der Strecke, die ich sonst bei 20° Lufttemperatur beobachtet hatte. Das ist schon einmal super!

Dann Einbiegen auf die 50er Strecke: hier ist das Bike im Winter auch gerne wieder auf «LOW» zurückgefallen, wegen des stärkeren Fahrtwinds und der höheren Drehzahlen (=> Pumpenleistung). Heute hingegen: Temperatur steigt weiter an. Auch das: Top!

Die nächste Marke: was passiert bei Erreichen von 60°, der Schaltschwelle des originalen Thermoschalters? Auch diese imaginäre Hürde wird anstandslos überschritten. Hinweis an dieser Stelle: ich kenne nicht die Regelkennlinie des Aprilia-Thermostaten.

Inzwischen habe ich die Ausfallstrasse erreicht, knapp 70° zeigt das Display meiner Monster. Ab jetzt ist Tempo 80 angesagt (ich wohne in der Schweiz). Höher als 74° steigt die Temperatur nicht an. Begeisterung stellt sich ein, bei immer noch 0° Aussentemperatur.

Nun noch kurz auf die Schnellstrasse (Tempo 100): nach 10 km mit etwa 110 km/h schwankt die Temperatur nur zwischen 74° und 76°. Also zurück in die Stadt. Beim geforderten Abbremsen auf 80 km/h steigt die Temperatur kurz auf 78°, bevor sie sich dann wieder bei 74° einpendelt.

Auf dem Heimweg zurück durch die 30er Zone blieb es ebenfalls bei 76°C. Keinmal wurden während meiner Testfahrt 80° überschritten, und nach Erreichen der Betriebstemperatur wurde keinmal 70°C unterschritten.

Also bis hierher alles Super und exakt so, wie ich es eigentlich schon immer haben wollte.

Ein vorläufiges Fazit

Unter all meinen Basteleien an Töffs die ich in über vierzig Jahren unternommen habe, ist die hier beschriebene diejenige mit dem dramatischsten und positivsten Effekt. Echt der Hammer!

Natürlich bin ich weiterhin wachsam, ob die Verklebungen auf die Dauer auch bei höheren Temperaturen stabil bleiben. Das muss ich engmaschig weiter beobachten, vor allem während des bevorstehenden Sommers.

Der Einbau ist bisher nicht komplett spannungsfrei. Speziell die Schlauchleitung zum Kühler musste ich ziemlich «würgen» – da muss ich mir einen besser passenden Schlauch suchen.

Mir ist auch klar, daß meine Monster durch den Umbau nicht unbedingt «schöner» geworden ist. Aber ich finde auch nicht, daß ich sie signifikant verunstaltet habe. Bisher betrachte ich das Ganze als proof-of-concept, den Nachweis, daß es sich lohnt, diesen Umbau einmal richtig anzugehen. Auf jeden Fall werde ich kurzfristig das Gemisch von unterschiedlichen Schlauchschellen auf einheitlich schwarz umstellen. Wegen der absolut überzeugenden technischen Verbesserung hatte es der Ingenieur in mir leicht, den ganz leicht schwankenden Ästheten in mir auf seine Seite zu ziehen 😉

4 Gedanken zu „Testastretta – wohltemperiert“

  1. Äusserst interessant – dieses Projekt scheint ein richtiger Erfolg zu werden.
    Spannend sind nun sicher auch die Überlegungen zu den Auswirkungen, wenn das Kühlwasser nun rascher Betriebstemperatur erreicht.
    – Hat das Auswirkungen auf die Betriebstemperatur und damit auf die «Lebensdauer» des Öl’s?
    Ich vermute: Ja.
    – Wie verhält sich der Treibstoffverbrauch?
    Ich vermute: Kann geringer ausfallen, ist das messbar?

    1. Die «Lebensdauer» des Motoröls wird wesentlich durch das Temperaturprofil bestimmt, welches es «erfährt». Bei hohen Temperaturen oxidiert (d.h.: altert) es schneller. Von daher ist das schnellere Erreichen der Betriebstemperatur des Motors also für das Öl marginal schlechter, für den Motor aber besser. Nicht umsonst wird allgemein empfohlen, den Motor «warm» zu fahren, bevor man ihn hoch belastet. Zudem ist Öl ein Verschleißmaterial, welches vergleichsweise preiswert und regelmäßig ausgetauscht wird. Im Gegensatz zu einem Motor, den man eher selten, und dann auch nur zu sehr hohen Kosten austauscht. In der Summe halte ich den Effekt meiner Änderung für deutlich positiv. Und dann darf man ja auch nicht außer Acht lassen, daß ich nun zwar das Kühlwasser schneller in seinen Soll-Temperaturbereich bringe und halte, das arme Öl aber weiterhin ungeregelt der Eiseskälte ausgesetzt ist. Von einem zeitgemäßen Wärmemanagement wie z.B. in den Panigale-Baureihen ist meine Monster also immer noch meilenweit entfernt.

      Der Kraftstoffverbrauch ist während der Warmlaufphase erhöht. Insofern würde man unter Laborbedingungen (ceteris paribus) durch das schnellere Erreichen der Betriebstemperatur eine Verbrauchssenkung messen können. Und zwar einen bei steigendem Kurzstreckenanteil zunehmenden Effekt. Trotzdem dürfte dies wegen der hohen Varianz der Fahrstile selbst beim gleichen Fahrer (von eher «chillig cruisend» bis «zügig heizend») in der Praxis nicht erkennbar sein.

      1. Ein Mitglied des Superbike-Forums hatte mich gebeten, meine obige Bemerkung vom «zeitgemäßen Wärmemanagement der Panigale Baureihen» näher auszuführen. Meine Antwort darauf deckt sich zu etwa 80% mit meinen Ausführungen hier auf meinem Blog, und die zusätzlichen 20% rechtfertigen m.M.n. keinen zusätzlichen Blog-Beitrag. Wer sich für den Rest interessiert findet ihn hier.

  2. Chris, my dear

    hervorragende Arbeit, sehr akkurat dargestellt … und was die Optik angeht, hast Du die Lösung ja bereits parat: das Ganze in Schwarz gehalten und schon fällt es nicht mehr auf – abgesehen davon: die Werkslösung wird auch im Originalzustand nie einen Schönheitspreis gewinnen ;o)

    Beste Grüße aus der norddeutschen Tiefebene
    Klaus

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