سيستم خنك‌كاري موتور خودرو

موتورهاي بنزيني گرچه تا حدزيادي بهبود يافته‌ و اصلاح شده‌اند، اما هنوز بازده بالايي براي تبديل انرژي شيميايي به توان مكانيكي ندارند. بيشترين ميزان انرژي موجود در بنزين (شايد 70درصد) به گرما تبديل مي‌شود و مهم‌ترين وظيفه سيستم خنك‌كاري خودرو، مراقبت و استفاده صحيح از گرماي ايجاد شده است.
در واقع، نخستين وظيفه سيستم خنك‌كاري خودرو، جلوگيري از گرم‌شدن بيش از حد مجاز خودرو ازطريق انتقال گرما به هواي بيرون خودرو است. موتور خودرو، بهترين عملكرد را در دماي مناسب و بهينه بالاي خود دارد. وقتي موتور سرد است، عملكرد اجزاي آن با نقصان مواجه مي‌شود و بازده موتور كمتر و در نتيجه آلودگي ايجاد شده بيشتر مي‌شود. بنابراين، ديگر وظيفه مهم سيستم خنك‌كاري خودرو اين است كه به موتور اجازه دهد با سرعت ممكن به دماي بالاي بهينه و مناسب برسد و گرم شود، سپس موتور را در دمايي ثابت نگه دارد. درون موتور خودرو، سوخت به طور دائم مي‌سوزد و عمل احتراق انجام مي‌شود. گرماي حاصل از احتراق، به ميزان زيادي از طريق اگزوز خارج مي‌شود، اما مقداري از گرماي ايجاد شده به داخل موتور رسوخ كرده و باعث افزايش دما و در نهايت گرم شدن موتور مي‌شود.
موتور، زماني خوب كار مي‌كند كه دماي مايع سردكننده، حدود 93درجه سانتي‌گراد يا حدود 200 درجه فارنهايت باشد. در اين دما:
- محفظه احتراق به اندازه كافي گرم مي‌شود تا احتراقي بهتر و آلودگي كمترحاصل شود.
- لزجت روغن موتور كمتر و در نتيجه عملكرد اجزاي آن روانتر و درنهايت ميزان اتلاف توان موتور كمتر مي‌شود.
- فرسايش قطعات و اجزاي فلزي كمتر مي‌شود.

خنک¬کاری در موتور دو علت دارد:

۱) نگه داشتن دمای اجزای موتور در دمایی که روغنکاری مؤثر در آن ممکن باشد.
۲) نگه داشتن دمای اجزای مختلف موتور در یک محدوده خاص به¬طوری که به سلامت قطعات موتور صدمه نزند.
نحوه عملکـرد موتور در انتخاب و طراحی سیستم خنک¬کاری تأثیر می‌گذارد و این کاملا به نوع گازهای احتراق و اجزای موتور وابسته است. وقتی موتور سرد است، کارایی پایینی دارد بنابراین سیستم خنک¬کاری معمولا شامل وسایلی است که زمینه فعالیت خنک¬کـاری نرمـال را بـرای حفظ گرمـای مناسب موتور مهیـا می‌کننـد.
¬هنگام راه¬اندازی موتور دمای قطعات داخلی آن، به¬سرعت افزایش می‌یابد؛ پس وقتی موتور به دمای ¬بهره¬برداری می‌رسد باید سیستم خنک¬کاری فعالیتش را آغاز کند.
نمایه سیستم خنک¬کاری موتور برای حداقل کردن حجم و وزن رادیاتور است که در وسایل نقلیه از اهداف مهم تلقی می‌شود. باید درجه حرارت متوسط آبی که از رادیاتور عبور می‌کند حتی¬الامکان بالا نگه داشته شود تا اختلاف آن با درجه حرارت متوسط زیاد باشد.
البته این درجه حرارت نباید از نقطه جوش آب در فشار اتمسفر تجاوز کند زیرا در آن صورت قسمتی از آب تبخیر می¬شود و فشار داخل رادیاتور به¬شدت افزایش می‌یابد. گرچه با طراحی درپوش مناسب برای رادیاتور آب داخل تحت فشار است تا دیرتر به نقطه جوش برسد، هوا نیز باید پس از عبور از رادیاتور به اطراف بدنه موتور جریان یابد.
جهت عکس جریان به دو دلیل مناسب نیست: اولا هوا به روغن و ذرات آغشته به روغن که به هر حال روی بدنه موتور وجود دارد آلوده می‌شود و این ناخالصی‌ها روی منافذ رادیاتور رسوب می¬کند و از راندمان آن می‌کاهد و ثانیا بر اثر تماس با بدنه گرم موتور درجه حرارت آن بالا می¬رود و موجب کاهش قدرت¬ خنک کنندگی رادیاتور می‌شود.

دو نوع سيستم خنك‌كاري در خودرو وجود دارد كه عبارتند از:

1. سيستم خنك‌كاري با مايع (Liquid-Cooled System)
2. سيستم خنك‌كاري با هوا (Air-Cooled System)

سيستم خنك‌كاري با مايع

در اين سيستم، براي خنك كردن موتور از لوله‌ها و مسيرهاي تعبيه شده در موتور استفاده شده و مايع موردنظر دراين مسيرها گردش و جريان دارد. براثر جريان مايع در طول مسير، گرماي موتور جذب ‌شده و موتور خنك مي‌شود. بعد از اينكه مايع، گرماي موتور را جذب كرد و از موتور خارج شد، به رادياتور يا مبدل انتقال حرارت وارد شده و بر اثر دميدن هوا توسط فن و انتقال گرما به هواي اطراف خنك مي‌شود.

سيستم خنك‌كاري با هوا

برخي خودروهاي قديمي و تعداد زيادي از خودروهاي مدرن امروزي، مجهز به سيستم خنك‌كاري با هوا هستند. بدنه وبلوك موتور با پره‌هاي آلومينيمي پوشيده شده است تا گرماي سيلندر را به هواي اطراف منتقل كند. فني بسيار قوي نيز تعبيه شده كه هوا را با سرعت و فشار زياد به سطح اين پره‌ها مي‌دمد ودرنهايت گرما را به هواي اطراف منتقل مي‌كند.
سيستم لوله‌كشي يا مسيرها و مجراهاي تعبيه شده در سيستم خنك‌كاري
در سيستم خنك‌كاري خودرو، مجراها (مسيرهاي عبور مايع) و به اصطلاح سيستم لوله‌كشي متعددي وجود دارد. با استارت خودرو، پمپ فعال شده و مايع را به بلوك موتور ارسال مي‌كند و از تمامي مسيرهاي تعبيه شده مي‌گذرد و وارد سيلندر مي‌شود.
ترموستات نيز در محل خروجي مايع از موتور واقع شده است. اگر ترموستات بسته باشد، مايع از طريق مجراهاي تعبيه شده مستقيماً به مسير اوليه پمپ باز مي‌شود. البته مداري جداگانه‌ نيز براي سيستم گرمايش خودرو وجود دارد، به‌طوري كه در اين چرخه، مايع از سرسيلندر عبور كرده و پس از گرم شدن، دوباره به مسير اوليه پمپ باز مي‌‏گردد.

در خودروهاي داراي گيربكس (سيستم انتقال قدرت) اتوماتيك، مسيري جداگانه‌ نيز براي خنك‌كاري گيربكس وجود دارد. در اين مكانيزم، روغن گيربكس عمل خنك‌كاري را انجام مي‌دهد.

مايع خنك‌كاري

خودروها در گستره‌اي وسيع از دما‌هاي مختلف كار مي‌كنند و به همين دليل، مايع خنك‌كاري موجود در موتور آنها، دماهاي مختلفي را شامل مي‌شود.

مايع خنك‌كاري مناسب بايد دماي نقطه جوش بالا، دماي نقطه انجماد پايين و ظرفيت گرمايي بالايي داشته باشد.
آب، يكي از مايع‌هاي متداول است كه ظرفيت حرارتي بالايي دارد، اما فاقد نقطه انجماد پايين بوده و به همين دليل، آب خالص براي خنك‌كاري موتور و استفاده در خودرو، مايعي مناسب نيست.
مايع خنك‌كاري مناسب و مورداستفاده در خودرو كه بيشترين كاربرد را دارد، مخلوطي از آب و اتيلن گليكول (C2H6O2) يا همان ضديخ است. افزودن اتيلن گليكول به آب، باعث بهبود وضعيت نقاط جوش و انجماد مي‌شود. دماي مايع خنك‌كننده گاهي به 121-135 سانتي‌گراد نيز مي‌رسد. بيان اين نكته ضروري است كه ضديخ، شامل تركيباتي است كه مقاومت در برابر خوردگي را افزايش مي‌دهد و اين امر يكي از مزاياي استفاده از ضديخ در خودرو تلقي مي‌شود.

واترپمپ

اين قطعه، پمپ دوراني گريز از مركز ساده‌اي است كه به وسيله تسمه متصل به ميل‌لنگ موتور، دوران مي‌كند. هنگامي كه خودرو روشن است و موتور كار مي‌كند، واترپمپ مايع خنك‌كننده را در مدار خنك‌كاري به حركت در مي‌آورد.

حركت دوراني پمپ و در نتيجه نيروي گريز از مركز ايجاد شده، باعث حركت مايع خنك‌كننده و جريان آن درمدار سيستم خنك‌كاري مي‌شود. مجراي ورودي واترپمپ در نزديك مركز آن قرار دارد. پره‌هاي پمپ، مايع خنك‌كننده را به بيرون هدايت مي‌كنند. به طور كلي واترپمپ، مايع را ابتدا از موتور و سرسيلندر عبور داده و سپس به رادياتور هدايت مي‌كند.

موتور

در شكل زير مشاهده مي‌كنيد كه بلوك موتور و سرسيلندر، شامل تعداد زيادي سوراخ و مجراي عبور مايع است (سطوح ماشينكاري شده با دقت بالا) كه مايع خنك‌كننده از آنها عبور مي‌كند. اين مجراها، مايع خنك‌كننده را به نقاط بحراني بلوك موتور و سرسيلندر كه نواحي بسيار گرمي هستند، هدايت مي‌كنند.

دماي محفظه احتراق موتور ممكن است به حدود 2500 درجه سانتي‌گراد برسد. به همين دليل، خنك‌كردن نواحي اطراف محفظه احتراق، امري بسيار مهم است. موتور خودرو نبايد مدت زيادي بدون آب يا مايع خنك‌كننده كار كند زيرا دما تا اندازه‌اي بالا مي‌رود كه باعث ذوب و جوش خوردن و چسبيدن پيستون به سيلندر مي‌شود و اين به معني تخريب موتور است.

امروزه تحقيقات و پژوهش‌هاي مهندسين خودرو، معطوف به كاهش نياز به سيستم خنك‌كاري موتور در حركت است. به‌نحوي كه مي‌توان از سرايت گرماي بسيار بالاي ايجاد شده در محفظه احتراق به بلوك سيلندر و قطعات فلزي موتور، جلوگيري كرد. اين كار به وسيله ايجاد نوعي پوشش در سطوح داخلي بالاي سرسيلندر انجام مي‌شود كه عموماً لايه‌اي نازك از سراميك است. سراميك، هدايت‌كننده بسيار ضعيف گرماست و در نتيجه، گرماي كمتري را به قطعات فلزي انتقال مي‌دهد.

رادياتور

اين قطعه، نوعي مبدل حرارتي است كه براي انتقال گرماي مايع خنك‌كننده به هوا (با دميدن فن به آن) طراحي شده است. در بيشتر خودروهاي مدرن، از رادياتورهاي آلومينيمي استفاده مي‌شود كه از سطوح و رديف‌هاي به هم لحيم شده و جوش خورده لوله‌ها و پره‌هاي آلومينيمي ساخته شده است. مايع ضمن عبور از لوله‌ها و در تقابل با هواي اطراف گرماي خود را از دست داده و خنك مي‌شود.

مقدار انتقال حرارت از مايع خنك‌كننده به لوله‌ها و پره‌ها، به ميزان اختلاف دماي بين سطوح تماس آنها بستگي دارد. در برخي مواقع، با به‌كارگيري و نصب نوعي Fin درون لوله‌هاي رادياتور كه آن را Turbolator مي‌نامند، آشفتگي و تلاطم جريان مايع را درون لوله‌ها افزايش مي‌دهند. اين كار باعث افزايش سرعت جريان و انتقال حرارت بهتر و سريع‌تر مي‌شود. درواقع، با ايجاد اغتشاش و تلاطم در جريان درون لوله‌هاي رادياتور، ظرفيت انتقال گرما را بهبود مي‌بخشيم.

در يا سرپوش رادياتور

درب رادياتور، در عمل باعث افزايش دماي نقطه جوش مايع خنك‌كننده به ميزان تقريبي 25 درجه سانتي‌گراد مي‌شود. وقتي‌كه مايع در طول مسير سيستم خنك‌كاري، گرم مي‌شود عملا منبسط شده و فشار آن بالا مي‌رود. درب رادياتور تنها محلي است كه افزايش فشار ايجاد شده، مي‌تواند از آن خارج شود. بنابراين، فنر درب رادياتور را به نحوي طراحي مي‌كنند كه كاركردي متناسب با حداكثر فشار ايجاد شده داشته باشد.

ترموستات

وظيفه اصلي ترموستات اين است كه به موتور اجازه دهد به سرعت گرم شده و سپس، موتور را در دمايي ثابت نگه مي‌دارد. اين كار با تنظيم مقدار آب عبوري به رادياتور انجام مي‌شود. در دماهاي پايين،‌ ترموستات مسير خروجي به سمت رادياتور را مي‌بندد. هنگامي‌كه دماي مايع خنك‌كننده افزايش مي‌يابد و به حدود 82-91 درجه سانتي‌گراد مي‌رسد، ترموستات يك‌بار باز و بسته مي‌شود و اجازه مي‌دهد كه مايع وارد رادياتور شود. هنگامي كه دماي مايع خنك‌كننده به حدود 92-103 درجه سانتي‌گراد مي‌رسد، ترموستات همواره باز مي‌ماند.

فن

اين قطعه نيز همانند ترموستات، وظيفه ثابت نگه داشتن و كنترل دماي موتور را برعهده دارد. فن‌ها عموماً توسط حسگرهاي دمايي يا كامپيوتر موتور كنترل مي‌شوند. آنها هنگامي فعال مي‌شوند كه دماي مايع خنك‌كننده از دماي مناسب از قبل تعيين‌شده (Set Point) بيشتر شود و زماني كه دماي مايع خنك‌كننده كاهش يابد و به زير دماي Set Point برسد، خاموش مي‌شوند.

خودروهاي ديفرانسيل جلو يا داراي چرخ محرك جلو، ‌ فن الكتريكي دارند و فن خودروهاي داراي چرخ محرك عقب، به‌وسيله مكانيزمي متصل به خروجي موتور مي‌چرخد.
فن‌ها را مي‌توان به دو نوع جريان محوري و گريزاز مركز تقسيم كرد كه طبقه‌بندي كلي آن به جهت جريان هوا بستگي دارد. در مدل جريان محوري، ‌هوا به موازات محور دوراني و در همان امتداد محورهاي دوراني به خارج دميده مي‌شود، اما در مدل گريز از مركز، هوا به موازات محور وارد و در جهت عمود بر محور دوراني فن وزيده مي‌شود.

بخاري يا سيستم گرمايش خودرو

سيستم گرمايش خودرو يا بخاري،‌ درعمل مشابه سيستم خنك‌كاري بوده و چرخه خاص خود را دارد. در اين سيستم، به جاي رادياتور موتور، رادياتوري كوچك و فن بخاري در داخل داشبورد قرار دارد.
اين سيستم، داراي مسير لوله‌كشي خاص خود بوده كه در شكل زير قابل مشاهده است.

منابع:
1-www.helium.com
2-www.radiator.info
3-www.radiator.com
4-www.auto.howstuffwoks.com
5-http://www.ajcar.blogfa.com
6-http://www.cloob.com
7-انجمن مهندسان مكانیك مینیاتور
8- پرویز کلهرکارشناس مهندسی و کنترل کیفیت شرکت رادیاتور ایران
9=ماهنامه اندیشه گستر سایپا
10- http://www.articles.ir
/الف