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Der Kühlkreislauf umschließt alle thermisch belasteten Bereiche des Motors. Die im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlflüssigkeit führt die bei der Verbrennung im Motor entstehende Wärme ab und sorgt für ein gleichbleibendes Temperaturniveau des Motors. Um nach dem Start möglichst schnell seine Betriebstemperatur zu erhalten, muss die Kühlleistung in der Warmlaufphase des Motors möglichst gering bleiben. Dazu reicht ein kleiner Kühlkreislauf.
Der große Kühlkreislauf ist erst nach Erreichen der Betriebstemperatur erforderlich.
Die Steuerung der beiden Kreisläufe übernimmt ein Thermostat, der bei 80 bis 90 °C vom kleinen auf den großen Kreislauf umschaltet. Wichtig ist, dass der Kühlkreislauf so ausgelegt ist, dass er diese gleichbleibende Temperatur auch bei Spitzenbelastungen und extremen Außentemperaturen sicherstellt.
Als Kühlmittel dient heute eine komplexe Mischung aus Wasser und verschiedenen Additiven, die nicht nur den Gefrierpunkt der Kühlflüssigkeit herabsetzen, sondern auch den Siedepunkt auf 120 °Celsius erhöhen. Beigefügte Inhibitoren haben die Aufgabe, die verschiedenen von der Kühlflüssigkeit umströmten Metalle, z. B. Aluminiumzylinderköpfe, vor Korrosion zu schützen.
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