آشنایی با سیستم خنک‌کاری و گرمایش موتورReviewed by فاتحان ثریا on Aug 6Rating: 5.0آشنایی با سیستم خنک‌کاری و گرمایش موتورآشنایی با سیستم خنک‌کاری و گرمایش موتور

آشنایی با سیستم خنک‌کاری و گرمایش موتور

فاتحان ثریا

سیستم خنک‌کاری

با وجود اینکه اصلاحات فراوانی در موتورهای بنزینی انجام شده، هنوزهم ازنظر تبدیل انرژی بازدهی چندانی ندارند. قسمت عمده‌ی انرژی موجود در بنزین، یعنی حدود ۷۰درصد آن، به گرما تبدیل می‌شود و کنترل و دفع این گرما و حرارت، برعهده‌ی سیستم خنک‌کننده است. برای درک بهتر، مثلا سیستم خنک‌کننده‌ی خودروی درحال‌حرکت در بزرگ‌راه به اندازه‌ای حرارت دفع می‌کند. که می‌توان با آن دو خانه با متراژ متوسط را گرم کرد وظیفه‌ی اصلی سیستم خنک‌کننده، جلوگیری از افزایش بیش‌‌ازحد دمای موتور است. که این کار را با انتقال حرارت به هوای محیط اطراف انجام می‌دهد.با وجوداین، سیستم خنک‌کننده چند وظیفه‌ی مهم دیگر نیز دارد.

پیشرانه‌ی خودرو در دماهای نسبتا زیاد بهترین عملکرد را دارد. هنگامی‌که موتور سرد است، قطعات آن زودتر فرسوده می‌شوند و موتور بازدهی کمتر و آلایندگی بیشتری دارد. بنابراین، وظیفه‌ی مهم دیگر سیستم خنک‌کننده این است که اجازه دهد پیشرانه در سریع‌ترین زمان ممکن گرم شود و سپس، آن را در دمایی ثابت نگه دارد.

میزان دفع حرارت سیستم خنک‌کننده‌ی خودرو درحال‌حرکت در بزرگ‌راه می‌تواند دو خانه با متراژ متوسط را گرم کند!

 

اصول پایه‌ی کارکرد سیستم خنک‌کننده

داخل پیشرانه‌ی خودروها سوخت پیوسته درحال‌احتراق است. مقدار زیادی از حرارت ناشی از احتراق مستقیم از سیستم اگزوز خارج می‌شود.

اما مقداری از آن جذب موتور می‌شود و دمای مجموعه را افزایش می‌دهد. پیشرانه وقتی بهترین کارکرد را دارد که دمای سیال خنک‌کننده‌ی آن حدود ۹۳ درجه‌ سانتی‌گراد باشد.در این دما:

  • محفظه‌ی احتراق به‌اندازه‌ی کافی داغ است تا سوخت را کاملا تبخیر کند و احتراق بهتری صورت گیرد و گازهای آلاینده کاهش یابند.
  • روغنی که برای روان‌کاری موتور استفاده می‌شود، گران‌روی کمتری دارد و رقیق‌تر است. بنابراین، قطعات موتور آزادانه‌تر حرکت می‌کنند و هنگام به‌گردش‌درآوردن قطعات موتور نیروی کمتری هدر می‌رود.
  • فرسایش قطعات فلزی کمتر است.

دو نوع سیستم خنک‌کننده در خودروها یافت می‌شود: آب‌ خنک و هوا خنک.

۱. سیستم خنک‌کننده‌ی آب‌خنک: 

سیستم خنک‌کننده در خودروهای آب‌خنک، سیال خنک‌کننده را داخل لوله‌ها و مجراهای درون موتور به‌گردش در می‌آورد. وقتی سیال درون پیشرانه‌ی داغ گردش می‌کند، حرارت را جذب و موتور را خنک می‌کند. وقتی سیال از موتور خارج شد، از درون مبدلی حرارتی یا رادیاتور عبور می‌کند که حرارت سیال را به جریان هوایی انتقال می‌دهد که از لابه‌لای پره‌های آن عبور می‌کند. در این سیستم، دمای موتور با دقت بسیاری کنترل می‌شود.

یکی از آسیب‌های نسبتا رایج در این سیستم‌ها، مسدودشدن فضای بین پره‌های رادیاتور و اختلال در سیستم خنک‌کاری است.

این انسداد معمولا ازطریق برخورد حشرات و ماندن آن‌ها لابه‌لای پره‌های رادیاتور و ضربه و فشار به‌وجود می‌آید. به‌همین‌دلیل، توصیه می‌شود به‌صورت دوره‌ای و بسته به شرایط محیطی و جوّی، رادیاتور از این نظر وارسی شود.

۲. سیستم خنک‌کننده‌ی هواخنک:

 بعضی از خودروهای قدیمی و بسیار اندکی از نمونه‌های جدید، از سیستم خنک‌کننده‌ی هواخنک برای کنترل دمای پیشرانه بهره می‌برند. در این سیستم به‌‌جای ‌گردش سیال درون موتور، سرتاسر قسمت خارجی بلوک موتور را پره‌های آلومینیومی (فین) احاطه کرده‌اند که حرارت را از سیلندرها دفع می‌کنند.

جریان هوا به‌وسیله‌ی یک فن قوی از میان این پره‌ها عبور می‌کند و این انتقال حرارت به هوا باعث خنک‌شدن موتور می‌شود. به‌دلیل اینکه اکثر خودروها از نوع آب‌خنک هستند، در این مقاله بیشتر به این نوع از سیستم خنک‌کننده می‌پردازیم.

در سیستم هواخنک، از‌آنجایی‌که امکان کنترل دمای موتور با دقت زیاد امکان‌پذیر نیست؛ درنتیجه، آلاینده‌های بیشتری تولید می‌شوند. همچنین، به‌دلیل آنکه دیگر دیواره‌ای شامل لوله‌های سیال پیشرانه را دربرنمی‌گیرد، سروصدای موتور بیشتر است. مهم‌ترین دلیل استقبال خودروسازان از موتورهای آب‌خنک، قوانین محیط‌زیستی ناظر بر آلودگی هوا و صوتی هستند. بدون درنظرگرفتن این ملاحظات، موتورهای هواخنک هم ارزان‌تر هستند و هم کمتر به نگه‌داری نیاز دارند.

مسیرها و مجاری عبور سیال

سیستم خنک‌کننده خودرو از تعداد زیادی شیکنگ و مجرای عبور آب تشکیل شده است. پمپ آب، سیال را داخل بلوک سیلندر می‌فرستد و در آنجا، سیال وارد مجراهای موجود در اطراف سیلندرها می‌شود. سپس، وارد مجراهای سرسیلندر می‌شود و موتور را ترک می‌کند. ترموستات در قسمتی قرار دارد که سیال موتور را ترک می‌کند. اگر ترموستات بسته باشد، مجاری اطراف ترموستات سیال را مستقیم به‌سمت پمپ آب بر‌می‌گردانند.

اگر ترموستات باز باشد، سیال ابتدا وارد رادیاتور می‌شود و بعدازآن، به‌سمت پمپ آب بازمی‌گردد. مسیری جداگانه برای سیستم گرمایش یا بخاری خودرو نیز وجود دارد. سیال از سرسیلندر وارد این مسیر می‌شود و پس از عبور از رادیاتور بخاری، دوباره به‌سمت پمپ آب برمی‌گردد.

سیال خنک‌کننده

خودروها در محدوده‌ی دمای محیطی وسیعی (زیر صفر تا بالاتر از پنجاه درجه) کار می‌کنند. بنابراین، هر سیالی که برای خنک‌کردن موتور استفاده می‌شود، دمای انجماد بسیار پایین و دمای جوش بالا و ظرفیت حفظ میزان زیادی حرارت (ظرفیت گرمایی فراوانی) باید داشته باشد.

آب یکی از بهترین سیالات برای حفظ حرارت است؛ اما در دمای صفر درجه منجمد می‌شود که درمقایسه‌با دماهای زیر صفر در وضعیت کاری موتور دمای زیادی است؛

بنابراین، برای استفاده در این سیستم مناسب نیست. سیالی که اکثر خودروها از آن استفاده می‌کنند، ترکیبی از آب و اتیلن گلیکول با فرمول C2H6O2  است که ضدیخ نیز نامیده می‌شود. با افزودن اتیلن گلیکول به آب، دمای جوش و انجماد آن تا حد زیادی بهبود می‌یابد.

مشخصات دمای انجماد دمای جوش
آب خالص ۰ ۱۰۰
ترکیب ۵۰-۵۰ آب و اتیلن گلیکول ۳۷- ۱۰۶
ترکیب ۳۰-۷۰ آب و اتیلن گلیکول ۵۵- ۱۱۳

گاهی اوقات ممکن است دمای سیال به ۱۲۱ تا ۱۳۵ درجه‌ی سانتی‌گراد برسد. حتی با اضافه‌کردن اتیلن گلیکول، این دماها باعث جوشیدن سیال می‌شود؛ ازاین‌رو، برای افزایش نقطه‌ی جوش سیال باید کار دیگری نیز انجام داد.

برای اینکه نقطه‌ی جوش سیال بیش‌ازاین افزایش پیدا کند، در سیستم خنک‌کننده از فشار استفاده می‌کنند. درست همان‌طورکه دمای جوش آب در زودپز بالاتر است، اگر سیستم خنک‌کننده را زیرفشار قرار دهید، دمای جوش سیال نیز بالاتر می‌رود. سیستم خنک‌کننده اکثر خودروها با حداکثر فشار ۱۰۳.۴ کیلوپاسکال کار می‌کند. ضدیخ مواد افزودنی مقاوم دربرابر زنگ‌زدگی و خورندگی را نیز دربردارد.

پمپ آب (واترپمپ)

پمپ آب، پمپی گریزازمرکز ساده‌ای است که تسمه‌ی متصل به میل‌لنگ آن را به‌گردش در‌می‌آورد. این پمپ بلافاصله پس از روشن‌شدن خودرو، شروع به فعالیت می‌کند.

پمپ آب (واترپمپ)

پمپ آب هنگام چرخش با استفاده از نیروی گریزازمرکز سیال را به خارج از پره‌های خود هدایت می‌کند. قسمت ورودی سیال به پمپ، نزدیک مرکز آن است تا سیالی که از رادیاتور به پمپ بازمی‌گردد، به پره‌های آن برخورد کند. پره‌های پمپ سیال را به‌سمت خارج از آن پرتاب می‌کنند تا وارد پیشرانه شود.

مجاری سیال خنک‌کننده

داخل بلوک موتور و سرسیلندر مجاری زیادی با ریخته‌گری یا ماشین‌کاری ایجاد شده تا سیال در آن‌ها جریان پیدا کند. این مجاری جریان سیال را به گرم‌ترین قسمت‌های موتور هدایت می‌کنند. دمای محفظه‌ی احتراق موتور ممکن است به ۲۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد برسد؛ بنابراین، خنک‌کردن قسمت اطراف سیلندرها بسیار مهم است.

قسمت‌های اطراف سوپاپ‌های دود، بسیار حیاتی هستند و تقریبا تمام فضای داخل سرسیلندر در اطراف سوپاپ‌ها با سیال پر می‌شوند که جزو ساختار سرسیلندر نیستند. اگر موتور به‌مدت طولانی بدون خنک‌شدن کار کند، ممکن است اصطلاحا قفل شود.

در این وضعیت، پیستون به‌حدی داغ شده که به دیواره‌ی سیلندر جوش می‌خورد. معمولا این حالت به‌معنای نابودی کامل موتور است.

همان‌طور که در شکل زیر می‌بینید دیواره‌های سیلندر نسبتا نازک هستند و قسمت عمده بلوک موتور خالی است.

راهی جالب برای کاهش فشار به سیستم خنک‌کننده، کاهش مقدار حرارتی است که از محفظه‌ی احتراق به قطعات فلزی موتور منتقل می‌شود. در بعضی از موتورها، با پوشاندن داخل قسمت فوقانی سرسیلندر با لایه‌ای نازک از سرامیک این کار را انجام می‌دهند. سرامیک رسانایی گرمایی ضعیفی دارد؛ بنابراین، حرارت کمتری به فلزات منتقل و حرارت بیشتری از اگزوز دفع می‌شود.

رادیاتور

رادیاتور نوعی مبدل حرارتی محسوب می‌شود و طوری طراحی شده تا حرارت را از سیال داغی که درون آن جریان دارد، به جریان هوایی انتقال دهد که ازطریق فن از میان پره‌های آن عبور می‌کند. اکثر خودروهای جدید از رادیاتورهای آلومینیومی استفاده می‌کنند. این رادیاتورها با جوش‌دادن پره‌های آلومینیومی نازک به لوله‌های آلومینیومی صاف و مسطح ساخته می‌شوند.

سیال از قسمت ورودی وارد رادیاتور شده و پس از عبور از تعداد زیادی لوله که موازی با یکدیگر نصب شده‌اند، از رادیاتور خارج می‌شود. پره‌ها حرارت را از لوله‌ها به جریان هوایی انتقال می‌دهند که از رادیاتور عبور می‌کند.

گاهی اوقات داخل لوله‌های رادیاتور نوعی پره‌های خمیده به‌نامآشفته‌ساز جریان قرار داده می‌شود که آشفتگی جریان سیال درون لوله‌ها را افزایش می‌دهد. اگر سیال خیلی آرام از لوله‌ها عبور می‌کرد، فقط بخشی از سیال مستقیما خنک می‌شود که در تماس با لوله‌ها است. مقدار حرارتی که از سیال درحال‌جریان به لوله‌ها منتقل می‌شود به اختلاف دمای میان لوله و سیالی بستگی دارد که در تماس با آن است. بنابراین، اگر سیالی که در تماس با لوله است، سریع خنک شود، حرارت کمتری منتقل خواهد شد. با ایجاد آشفتگی جریان درون لوله، کل سیال باهم ترکیب می‌شود و دمای قسمتی از سیال را بالا نگه می‌دارد که با لوله‌ها تماس دارد تا بتوان حرارت بیشتری به لوله‌ها منتقل کرد و از کل سیال درون لوله به‌خوبی استفاده شود.

درِ رادیاتور

درواقع، درِ رادیاتور نقطه‌ی جوش سیال را تا ۲۵ درجه‌ی سانتی‌گراد افزایش می‌دهد؛ همان‌طورکه زودپز دمای جوش آب را افزایش می‌دهد. درِ رادیاتور سوپاپ تخلیه‌ی فشار است و فشار قابل‌تحمل آن در خودروها معمولا ۱۵ پاوند بر اینچ مربع است. وقتی آب زیرفشار باشد، نقطه‌ی جوش آن افزایش می‌یابد.

هنگامی‌که دمای سیال درون سیستم خنک‌کننده افزایش می‌یابد، حجم آن بیشتر و به ایجاد فشار در سیستم منجر می‌شود. درِ رادیاتور، تنها مکانی است که این فشار می‌تواند از آن خارج شود؛ بنابراین، نحوه‌ی تنظیم میزان سفتی فنر درِ رادیاتور حداکثر فشار قابل‌تحمل در سیستم خنک‌کننده را تعیین می‌کند. وقتی فشار به ۱۵ پاوند بر اینچ مربع می‌رسد، سوپاپ درِ رادیاتور بازمی‌شود و سیال می‌تواند از سیستم خارج شود. سیالی که در این حالت از سیستم خارج می‌شود، وارد لوله منبع انبساط شده و داخل منبع انبساط می‌ریزد. این ساختار هوا را از سیستم خنک‌کننده خارج می‌کند. هنگامی‌که رادیاتور دوباره خنک می‌شود، در سیستم خنک‌کننده خلأ ایجاد خواهد شد. در اثر این خلأ، سوپاپ فنری دیگری بازمی‌شود و سیال را از کف منبع انبساط به داخل رادیاتور می‌کشد. این سیال جایگزین نمونه‌ای می‌شود که قبلا دراثر فشار از سیستم خارج شده بود.

ترموستات

وظیفه‌ی اصلی ترموستات اجازه‌ی افزایش سریع دمای پیشرانه در شروع کار و ثابت نگه‌داشتن دمای کاری است. ترموستات با تنظیم مقدار آبی که وارد رادیاتور می‌شود، این کار را انجام می‌دهد. در دماهای پایین، دریچه‌ی خروجی ترموستات به‌سمت رادیاتور کاملا مسدود است و کل سیالی که در گردش است، دوباره داخل موتور برمی‌گردد.

وقتی دمای سیال به ۸۲ تا ۹۱ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد، ترموستات شروع به بازشدن می‌کند و به سیال اجازه می‌دهد درون رادیاتور جریان پیدا کند. وقتی دمای سیال به ۹۳ تا ۱۰۳ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد، ترموستات کاملا بازمی‌شود.

اگر فرصت آزمایش ترموستات را داشته باشید، خواهید دید بخش جذابی از خودرو است. می‌توانید ترموستات را درون ظرفی قرار دهید که آب داخل آن روی اجاق درحال‌جوشیدن است. با افزایش دمای سوپاپ، ترموستات حدود ۲.۵ سانتی‌متر بازمی‌شود.

عملکرد ترموستات به سیلندر کوچکی بازمی‌گردد که درون بخش میانی آن قرار گرفته است. داخل این سیلندر با موم پر شده که در دمای حدود ۸۲ درجه‌ی سانتی‌گراد به‌تدریج آب می‌شود. ترموستات‌های مختلف در دماهای متفاوتی بازمی‌شوند؛ ولی ۸۲ درجه دمای رایج آن است. میله‌ای که به سوپاپ ترموستات متصل است، با فشار داخل موم قرار گرفته است. وقتی موم آب می‌شود، حجم آن به‌اندازه‌ی چشمگیری افزایش می‌یابد و میله را از درون سیلندر خارج و سوپاپ ترموستات را بازمی‌کند. دلیل انبساط زیاد موم این است که علاوه‌بر انبساط ناشی از حرارت از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود.

ذکر این نکته لازم می‌نماید که از همین روش برای بازشدن خودکار دریچه‌های تهویه‌ی گلخانه‌ها و پنجره‌های سقفی نیز استفاده می‌کنند که روبه‌آسمان بازمی‌شوند. البته در این دستگاه‌ها، موم در دمای پایین‌تری آب می‌شود.

فن‌ خنک‌کننده

فن خنک‌کننده نیز مانند ترموستات باید در کنترل باشد تا دمای ثابت کارکرد موتور حفظ شود. عملکرد این فن‌ها را کلید حرارتی یا کامپیوتر خودرو کنترل می‌کند و هنگامی روشن می‌شوند که دمای سیال از مقدار تعیین‌شده بیشتر شود. هنگامی‌ فن‌ها خاموش می‌شوند که دمای سیال از مقدار تعیین‌شده پایین‌تر رفت.

پیش‌تر و در خودروهای قدیمی دیفرانسیل‌عقب که پیشرانه به‌صورت طولی قرار گرفته، معمولا فن‌ها ازطریق اتصال به موتور با تسمه به‌گردش درمی‌آمدند. این فن‌ها کلاچ هیدرولیکی با کنترل حرارتی دارند. این کلاچ در مرکز فن در قسمتی واقع شده که جریان هوا از رادیاتور عبور می‌کند. عملکرد این کلاچ هیدرولیکی بسیار شبیه انتقال گشتاور به روش کوپلینگ سیال در خودروهای چهارچرخ‌محرک است.

سیستم گرمایش (بخاری) خودرو

شاید این توصیه را شنیده باشید که اگر دمای موتور خودروتان بیش‌ازحد افزایش یافت، تمام شیشه‌ها را پایین بیاورید و فن بخاری را در حالت دور تند روشن کنید. دلیل این توصیه آن است که سیستم گرمایش خودرو درواقع سیستم خنک‌کننده‌ی ثانویه‌ای است که بازتاب سیستم خنک‌کننده‌ی اصلی است و وظیفه‌ی انتقال حرارت پیشرانه به درون کابین را برعهده دارد.

رادیاتور بخاری داخل داشبورد خودرو نصب شده است. گردش فن بخاری باعث عبور جریان هوا از رادیاتور بخاری می‌شود و هوای داغ را وارد کابین سرنشینان می‌کند. سیال داغ از سرسیلندر وارد رادیاتور بخاری می‌شود و پس‌ازآن، دوباره به پمپ آب برمی‌گردد. بنابراین، فارغ از اینکه ترموستات بسته یا باز باشد، بخاری به کار خود ادامه می‌دهد.

درنتیجه، هنگامی که دکمه A/C خاموش باشد و از بخاری خودرو استفاده می‌کنید، با خیال راحت می‌توانید کمی پنجره را پایین بدهید و از تضاد هوای سرد و گرم لذت ببرید؛ چون این انرژی به‌هرشکل به‌هدر خواهد رفت.

برای اطلاعات بیشتر درمورد عملکرد موتور خودرو به مقالات زیر مراجعه کنید:

آشنایی با نحوه کار موتور و معرفی اجزای آن

آشنایی با سیستم‌های تغذیه و سوخت رسانی موتور

 آشنایی با سیستم روان‌کاری موتور

آَشنایی با سیستم برق موتور



مطالعه این مقاله در وب سایت منبع

  این مطلب را پسندیدم

پاسخ دهید