سیستم خنک کاری

وظیفه،اجزا

موتورهای احتراق داخلی از زیرسیستم‌های زیادی تشکیل شده است یکی از  این زیرسیستم‌های مهم در موتور بخش خنک کاری موتور است. تعادل ترمودینامیکی موتورها در بازده مناسب و میزان مصرف اهمیت فراوانی دارد و از آن مهم‌تر یکی از عوامل مؤثر در کنترل سطح آلایندگی موتور کنترل ترمودینامیکی موتور است. یکی از مشکلات متداول در خودروها داغ کردن بیش از حد موتور است که با عبارت عام جوش‌آوردن موتور شناخته می‌شود در یک مقاله به نکات کاربردی مربوط به جوش آوردن موتور اشاره شده است. در این مقاله به معرفی اجزا سیستم خنک کاری موتور و وظایف و انواع هرکدام پرداخته خواهد شد.

وظیفه سیستم خنک کاری

شاید عموماً وظیفه سیستم خنک کاری را جلوگیری از داغ کردن بیش از حد موتور بدانند که نظر درستی است اما در کنار آن اگر دمای کاری موتور کمتر از حد استاندارد (دمای ترمودینامیکی تعریف شده) باشد. علاوه بر کاهش راندمان حرارتی موتور سبب افزایش آلاینده‌های تولیدی در موتور خواهد شد بنابراین باید گفت ایجاد تعادل حرارتی مناسب در موتور وظیفه اصلی سیستم خنک کنند موتور است. شکل وظایف اصلی سیستم خنک کاری موتور را نشان می‌دهد.

شکل 1- وظایف اصلی سیستم خنک‌کننده موتور

دوره آموزشی تعمیر انواع موتور خودروهای داخلی در دانشگاه صنعتی شریف

همانطور که در شکل 1 نیز اشاره شده است غیر از تعادل ترمودینامیکی موتور یکی از وظایف اصلی سیستم خنک‌کننده موتور تأمین گرمای لازم برای سیستم‌های جانبی خودرو است. معروف‌ترین سیستم جانبی در این ‌بخش حرارتی سیستم تهویه مطبوع یا به عبارت ساده‌تر بخاری خودرو است. ارتباط بین سیستم خنک کاری موتور و بخاری خودرو آن‌قدر نزدیک است که در بیشتر معرفی اجزا این سیستم بخاری را نیز جزئی از مجموعه خنک‌کننده موتور به شمار می‌برند. غیر از بخاری گاهی تجهیزاتی روی موتور نصب می‌شود که نیاز به حرارت برای عملکرد مناسب دارند و از مدار خنک کاری برای گرم گردن آنها استفاده می‌شود. به‌عنوان‌مثال گرم‌کردن مانیفولد هوا در زمان شروع به کار موتور یا گرم‌کردن رگولاتور گاز در خودروهای گازسوز در زمان شروع به کار یا عملکرد ساسات در برخی خودروهای قدیمی برای کنترل هوای ورودی به موتور را می‌توان نام برد.

اجزا سیستم خنک کاری موتور

سیستم خنک کارای دارای اجزا مختلفی است برخی از آنها به‌صورت خاص فقط در برخی خودروها وجود دارند. به‌صورت کلی اجزا سیستم خنک کاری موتور را می‌توان به دودسته تقسیم‌بندی کرد. شکل 2 این روش دسته‌بندی را نشان می‌دهد.

شکل 2- دسته‌بندی اجزا سیستم خنک‌کننده موتور

همانطور که ملاحظه می‌شود اجزا را می‌تواند به بخش مکانیکی و الکتریکی تقسیم کرد، بخش الکتریکی مدار شامل دسته سیم، کانکتورها، فن‌ها، سنسور دمای مایع خنک‌کننده و … است که به‌صورت مجزا به آن پرداخته می‌شود. (برای بررسی الکتریکی مدار فن پژو 405 می‌توانید به مقاله بررسی و تست رله فن رادیاتور مراجعه کنید). در این مقاله به اجزا مکانیکی این سیستم می‌پردازیم. شکل 3 اجزا عمومی سیستم خنک‌کننده موتور را نشان می‌دهد.

1-رادیاتور 2- واتر پمپ 3- شیلنگ پایینی رادیاتور 4- (اتاق احتراق) 5- مجاری آب داخل بلوکه سیلندر
6-شیلنگ‌های رادیاتور بخاری 7-رادیاتور بخاری 8-شیر کنترل رادیاتور بخاری 9-ترموستات
10- شیلنگ بالایی رادیاتور 11- در رادیاتور 12- مخزن ذخیره
شکل 3- اجزا عمومی مدار سیستم خنک‌کننده (مکانیکی)

مایع خنک‌کننده موتور در داخل تمامی مدار وجود دارد

رادیاتور (Radiator)

وظیفه کاهش دمای مایع خنک‌کننده موتور برعهده رادیاتور است. شکل 4 مجموعه رادیاتور را نشان می‌دهد.

شکل 4- دو نمونه رادیاتور

در شکل 4 ملاحظه می‌شود مکان لوله‌های ورودی و خروجی رادیاتور می‌تواند به‌صورت جانبی و یا بالا و پایین باشد. اما در هر دو مدل شیلنگ ورود به رادیاتور در قسمت بالا و شیلنگ خروج از رادیاتور به موتور در قسمت پایین‌تر رادیاتور قرار می‌گیرد. مایع خنک‌کننده از طریق شیلنگ بالایی به عبور مایع خنک‌کننده از لوله‌های داخل رادیاتور و عبور هوا از بین پره‌های آن سبب می‌شود دمای مایع خنک‌کننده موتور کاهش‌یافته و از مجرای خروجی رادیاتور وارد شیلنگ پایینی می‌شود. شکل 5 برش خورده رادیاتور از نوع عمودی را نشان می‌دهد.

1-مجاری آب 2- پره‌های خنک تبادل حرارت
شکل 5- برش خورده رادیاتور از نوع عمودی

شیلنگ‌های اتصال (Hose)

اجزا مختلف مدار خنک‌کننده موتور توسط شیلنگ‌ها یا لوله‌های به یکدیگر متصل می‌شوند. بخش‌هایی از مدار توسط لوله‌های فلزی متصل می‌شوند اما به دلیل احتمال ایجاد حالت اکسید شدن (زنگ‌زدگی) در اتصالات فلزی، تاحدامکان از شیلنگ لاستیکی برای این اتصالات استفاده می‌شود. برخی شیلنگ‌های مدار خنک‌کننده در بازار با نام جنت نیز شناخته می‌شوند. شکل 6 انواع متداول شیلنگ‌های مدار خنک‌کننده را نشان می‌دهد.

A: ساده B: با انعطاف‌پذیری بالا
شکل 6- دو نمونه از شیلنگ مدار خنک‌کننده موتور

در محل اتصال شیلنگ‌ها به بخش‌های مختلف توسط بست‌ها محکم می‌شوند. بست‌های متداول را می‌توانید در شکل 7 مشاهده کنید.

شکل 7-بست‌های متداول برای شیلنگ‌های مدار خنک‌کننده موتور

خودروهای امروزی غیر از اتصال از نوع بست از روش دیگری برای اتصال شیلنگ‌ها و لوله‌ها استفاده می‌کنند که با نام کلی کوییک کانکتور (quick connector) شناخته می‌شوند. شکل 8 نمونه‌ای از این اتصالات سریع را نشان می‌دهد.

شکل 8- نمونه‌ای از کوییک کانکتور اتصالات مدار خنک‌کننده موتور

از مزایای بزرگ استفاده از کوییک کانکتورها اطمینان بیشتر از آب‌بندی بودن اتصالات است. درحالی‌که در زمان استفاده از بست‌ها ها ممکن است محل قرارگرفتن بست روی شیلنگ صحیح نباشد و همین مورد سبب نشتی در مدار شود که به این موارد در بحث عیب‌یابی بیشتر پرداخته خواهد شد .

واتر پمپ (water pump)

پمپ آب یا همان واتر پمپ عضو مهم دیگری در مدار سیستم خنک‌کننده موتور به شمار می‌رود. وجود مایع خنک‌کننده در موتور به‌تنهایی کافی نیست باید قطعه‌ای وجود داشته باشد تا این مایع را بین موتور (جایی که گرم می‌شود) و رادیاتور (جایی که دمای آن کاهش می‌یابد) جابه‌جا کند. واتر پمپ‌ها معمولاً فشاری ایجاد نمی‌کند به‌عبارت‌دیگر فقط جابه‌جایی مایع خنک‌کننده را انجام می‌دهند. اگر به هر دلیلی مسیر خروجی آن مسدود شد نیز باعث افزایش ملموس فشار نخواهد شد. به این نوع پمپ‌ها، پمپ‌های دبی نیز می‌گویند. شکل 9 نمونه‌ای از واتر پمپ را نشان می‌دهد.

شکل 9- نمونه واتر پمپ

واتر پمپ‌ها در بیشتر خودروها به روش مکانیکی به گردش در می‌آیند. در موتورهای قدیمی‌تر با کمک تسمه تجهیزات جانبی (تسمه دینام) و در خودروهای امروزی توسط تسمه تایم به حرکت در می‌آیند. شکل 10 مسیر گردش مایع خنک‌کننده را در نوعی رادیاتور نشان می‌دهد.

1- ورود از رادیاتور 2- خروج به موتور (سرسیلندر یا بلوکه سیلندر) 3- پره
شکل 10 – مسیر حرکت مایع خنک‌کننده در واتر پمپ

در برخی خودروهای امروزی از واتر پمپ‌های الکتریکی استفاده شده است.

ترموستات (thermostat)

همانطور که در مقدمه نیز ذکر شد وظیفه سیستم خنک‌کننده موتور کنترل و متعادل نگه‌داشتن دمای موتور است. همانطور که افزایش بیش از حد دما برای موتور مضر است، کاهش بیش از حد دما نیز برای موتور ایجاد مشکل می‌کند. ترموستات دراین‌بین نقش مهمی در این تعادل دارد. در واقع ترموستات مانند یک در بین مجموعه موتور و رادیاتور قرارداد، تا زمانی که دمای موتور به حد تعادل تعیین شده نرسیده است، اجازه خروج مایع خنک‌کننده را از موتور نمی‌دهد و این مایع داخل موتور (و البته مدار بخاری) گردش می‌کند. به‌محض رسیدن به دمای نرمال ترموستات مسیر خروج به رادیاتور را بازکرده و در نتیجه با ورود مایع خنک‌کننده به رادیاتور، دمای موتور نیز در حد تعادل باقی می‌ماند. شکل 11 نومی ترموستات را نشان می‌دهد.

شکل 11 – نوعی ترموستات

ترموستات‌ها معمولاً به روش مکانیکی مسیر را کنترل می‌کنند. حرارت مایع خنک‌کننده موتور روی ترموستات اثر می‌گذارد و با گرم‌شدن بدنه ترموستات مسیر به سمت رادیاتور باز می‌شود. شکل 12 عملکرد ترموستات را به‌صورت ساده نشان می‌دهد.

شکل 12- عملکرد ترموستات مکانیکی

در رادیاتور (Radiator Cap)

یکی از اجزا به‌ظاهر ساده اما مهم در سیستم خنک‌کننده موتور در رادیاتور است. بالارفتن نقطه‌جوش در مایع خنک‌کننده یکی از راه‌های افزایش کارایی بالابردن نقطه‌جوش (و البته نقطه انجماد) است. ترکیب آب خالص و ضد یخ به‌عنوان مایع خنک‌کننده موتور یکی از راه‌های افزایش بالابردن نقطه‌جوش است. یکی دیگر از راه‌های افزایش نقطه‌جوش، بالابردن فشار در مدار خنک‌کننده است. در رادیاتور یا به قول برخی درب رادیاتور این وظیفه را بر عهده دارد. شکل 13 نمونه‌ای از در رادیاتورهای متداول را نشان می‌دهد.

شکل 13- در رادیاتور

در‌های رادیاتور دارای دو سوپاپ یک‌طرفه هستند که این سوپاپ‌ها طوری طراحی شدند که بین رادیاتور و مخزن انبساطی قرار دارند. هنگامی که فشار مایع خنک‌کننده موتور (در اثر افزایش دما) بیش از حد فشار مطلوب باشد یکی از سوپاپ‌ها باز شده و مایه خنک‌کننده به سمت مخزن انبساطی هدایت و در آنجا ذخیره می‌شود. هنگامی که دمای موتور کاهش می‌یابد (حجم مایع در گردش سیستم خنک‌کننده نیز کاهش می‌یابد) بنابراین لازم است بخشی از مایع خنک‌کننده که به مخزن انبساطی هدایت شده بود به رادیاتور برگردد. سوپاپ دوم در هنگام افت فشار در رادیاتور عمل کرده و مقدار موردنیاز مایع خنک‌کننده به مخزن باز می‌گردد.

مخزن انبساطی(Reservor Tank)

همانطور که در قسمت در رادیاتور اشاره شد مایعات در اثر افزایش دما، افزایش حجم پیدا می‌کنند که پس از کاهش دما مجدداً حجم مربوطه کاهش می‌یابد. این افزایش حجم تا حدی قابل‌کنترل است اما اگر حجم از حد خاصی افزایش پیدا کند، فشار در مدار افزایش نامناسبی خواهد داشت و در نتیجه امکان ایجاد نشتی در مدار فراهم می‌شود. برای کنترل این حالت در زمانی که مایع خنک‌کننده موتور افزایش حجم پیدا کرد و در صورت اجازه در رادیاتور این مایع به سمت مخزن انبساطی یا ذخیره هدایت شده و در زمان سرد شدن , همان مقدار به مدار باز می‌گردد. شکل 14 این مخزن و ارتباط آن با رادیاتور را نشان می‌دهد.

شکل 14- مخزن ذخیره (انبساطی) و محل نصب آن

آنچه در این مقاله آمد فقط معرفی اجزا عمومی سیستم خنک کاری موتور بود. باتوجه‌به اهمیت این مجموعه در کارکرد موتور هر یک از اجزا به در یک مقاله مجزا مورد بررسی قرار خواهد گرفت