پرویز كلهر

كارشناس مهندسی و كنترل كیفیت شركت رادیاتور ایران

بر اثر احتراق در موتورهای احتراق داخلی گرمای زیادی تولید می‌شود كه حتی می‌تواند فلزات مجموعه سیلندر و پیستون را ذوب كند .

سیستم خنك­كاری به­منظور پیشگیری از بالا رفتن دمای موتور به­كار می‌رود. این سیستم  برای مراقبت در برابر عملكرد مؤثر در تمام سرعت‌های موتور و كنترل شرایط مختلف مورد استفاده است. دما در طول مدت احتراق ِ مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق موتور بسیار بالا می‌رود و به بیش از 2000 درجه می‌رسد. میزان قابل توجهی از این حرارت توسط دیواره‌های سیلندر و پیستون‌ها جذب می‌شود بنابراین باید خنك‌كاری به اندازه‌ای صورت پذیرد كه دما بیش از حدود 230 درجه نشود.

دماهای بالاتر باعث كاهش ضخامت فیلم روغن می­شود و خواص روغن به­شدت افت می‌كند كه این مسئله موجب افزایش استهلاك قطعات و ازدیاد دمای آنها خواهد شد.

در موتورهای احتراق داخلی مقدار محدودی از انرژی سوخت برای قوای محركه موتور استفاده می‌شود. تقریبا حدود 28درصد انرژی سوخت به كار مفید تبدیل می‌شود. 30 درصد به­واسطه خنك­كاری، 32 درصد به­وسیله خروج گازهای داغ و 10 درصد باقیمانده توسط اصطكاك و عوامل دیگر به­هدر می‌رود. میزان حقیقی و دقیق انرژی تبدیل­شده به كار مفید در پروسه احتراق موتور به مشخصه‌های فیزیكی اجزای موتور بستگی دارد.

همان‌طور كه گفته شد، دما در طول احتراق در سیلندر موتورهای درون­سوز به بیش از   2000 درجه می‌رسد. این دما بیش از نقطه ذوب مواد مورد استفاده در ساختار موتور است بنابراین با بالارفتن دما به موتور خسارت وارد می‌شود و باید دمای كار موتور در محدوده­ای خاص حفظ شود. در یك نمونه سیستم خنك­كاری آبی موتور این دما در محدوده 95-75 قرار دارد كه برای خنك­كاری هوایی این میزان كمی بیشتر است.

خنك­كاری در موتور دو علت دارد:

1-  نگه داشتن دمای اجزای موتور در دمایی كه روغنكاری مؤثر در آن ممكن باشد.

2- نگه داشتن دمای اجزای مختلف موتور در یك محدوده خاص به­طوری كه به سلامت قطعات موتور صدمه نزند.

نحوه عملكـرد موتور در انتخاب و طراحی سیستم خنك­كاری تأثیر می‌گذارد و این كاملا به نوع گازهای احتراق و اجزای موتور وابسته است. وقتی موتور سرد است، كارایی پایینی دارد بنابراین سیستم خنك­كاری معمولا شامل وسایلی است كه زمینه فعالیت خنك­كـاری نرمـال را بـرای حفظ گرمـای مناسب موتور مهیـا می‌كننـد. ­هنگام راه­اندازی موتور دمای قطعات داخلی آن، به­سرعت افزایش می‌یابد؛ پس وقتی موتور به دمای ­بهره­برداری می‌رسد باید سیستم خنك­كاری فعالیتش را آغاز کند.

شكل 1-1 نمایه سیستم خنك­كاری موتور برای حداقل کردن حجم و وزن رادیاتور است كه در وسایل نقلیه از اهداف مهم تلقی می‌شود. باید درجه حرارت متوسط آبی كه از رادیاتور عبور می‌كند حتی­الامکان 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 می­شود و فشار داخل رادیاتور به­شدت 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 عكس جریان به دو دلیل مناسب نیست: اولا هوا به روغن و ذرات آغشته به روغن كه به هر حال روی بدنه موتور وجود دارد آلوده می‌شود و این ناخالصی‌ها روی منافذ رادیاتور رسوب می­کند و از راندمان آن می‌كاهد و ثانیا بر اثر تماس با بدنه گرم موتور درجه حرارت آن بالا می­رود و موجب كاهش قدرت­ خنک­کنندگی رادیاتور می‌شود.

برای درك نیاز موتور به سیستم خنك­كاری، اثرات افزایش یا كاهش دمای كاركرد موتور در ذیل آمده است:

اثرات افزایش دمای كاركرد موتور

1- بهره­برداری در دماهای بالا، بارهای زیاد با سرعت بالا بدون عملیات خنك­كاری باعث اكسیداسیون روغن روغنكاری می‌شود. در این شرایط ممكن است با بالا رفتن دما، لعاب و رسوب شكل گیرد؛ به­طوری كه رینگ پیستون نتواند كار خود را انجام دهد؛ ضمن این كه خراش خوردن رینگ نیز  باعث اختلال عملكرد آن می‌شود. به همین ترتیب اكسیداسیون روغن می‌تواند باعث خوردگی و سایش بعضی از انواع یاتاقان‌ها شود.

2- اگر دمای كاركـرد خیلـی زیاد شـود، نقاطی از پیستون‌ها و قسمت‌هایی از میل­لنگ كه در یاتاقان می‌چرخند، منبسط می‌شوند که این موضوع باعث خروج آنها از لقی مجاز می­شود و این تغییرات صدمات جدی در یاتاقان‌ها و رینگ‌ها به­بار می­آورد.

3- سطوح داخل محفظه احتراق از قبیل پای سوپاپ خروجی و شمع ممكن است آن­قدر گرم شود كه جرقه زودتر اتفاق بیفتد؛ این شرایط جرقه پیش­رس نامیده می‌شود كه اگر برای مدتی ادامه یابد، خسارت عمده به موتور می‌زند.

4- اگر مخلوط تازه وارد شده به سیلندر خیلی گرم شود، چگالی آن كاهش خواهد یافت و در نتیجه قدرت آن كاسته می‌شود؛ به­خصوص در موتورهای بنزینی.

5- با افزایش دمای مخلوط هوا و سوخت در محفظه احتراق و منیفولد ورودی، اصطكاك مكانیكی افزایش می­یابد و از قدرت خروجی موتور می‌كاهد.

اثرات كاهش دمای كاركرد موتور

1- افزایش خنك‌كاری باعث کاهش راندمان حرارتی، همچنین مانع تبخیر مناسب سوخت می‌شود كه موجب رقیق شدن روغن می‌گردد.

2- تبخیر نامناسب سوخت ، فیلم روغن بر روی دیواره‌های سیلندر را از بین می‌برد و باعث افزایش فرسایش سطح داخلی سیلندر می‌شود.

3- به طور كلی خنك­كاری بیش از حد باعث كاهش قدرت، ضرر اقتصادی مصرف بیشتر سوخت و كاهش طول عمر قطعات موتور می­شود.

ملاحظات طراحی رادیاتور

 طراحی رادیاتور باید براساس درجه حرارت هوا در گرمترین منطقه­ای كه وسیله ممكن است در آن كار كند، صورت گیرد. در آب و هوای سردتر مقدار آب در گردش رادیاتور به وسیله ترموستات تنظیم می‌شود؛ به نحوی كه فقط سنجش از قدرت خنك­كنندگی رادیاتور مورد استفاده قرار گیرد. افزایش دمایی بین 8 تا 12 درجه برای هوای جاری در رادیاتور منظور می‌شود. افزایش دمای بیشتر متداول نیست؛ به­خصوص كه در هوای گرم موجب تبخیر بنزین در پمپ بنزین و لوله‌های رابط در موتور بنزینی می‌شود و از رسیدن سوخت به موتور جلوگیری به­عمل می‌آید.

به منظور پیشگیری از سروصدای زیاد و مصرف بیش از اندازه توان موتور به وسیله پروانه، افت فشار سمت هوا كمتر از kpa 1 منظور می‌شود. توان مصرفی پروانه باید به قدری باشد كه در دور كم موتور و قدرت زیاد بتواند هوای كافی از رادیاتور عبور دهد. برای این كه حجم رادیاتور كوچك باشد معمولا از لوله‌های تخت پره­دار استفاده می‌شود. هرچه تعداد پره بر واحد طول لوله بیشتر باشد، مبدل جمع و جورتر خواهد بود اما گرفتگی سوراخ پره‌ها با ذرات معلق موجود در هوا و حشرات سبب می‌شود كه تعداد پره­ها بین 400 و 600 پره در هر متر باشد.

رادیاتور و نحوه انتقال حرارت از سیال گرم به هوا

رادیاتور دستگاهی است در سیستم خنك­كننده موتور كه حجم زیادی از آب این سیستم را در تماس نزدیك با هوا نگه می­دارد تا انتقال حرارت از آب به هوا به­خوبی و به­سـرعت امكـان­پذیر باشـد. همچنین می‌توان گفت رادیاتور وسیله­ای است كه برای نگهداری مقدار زیادی آب در مجاورت حجم بزرگی از هوا به­كار می‌رود؛ به طوری كه حرارت بتواند از آب به رادیاتور و از رادیاتور به هوا منتقل شود.

اجزای رادیاتور از مخزن بالایی و مخزن پایینی و هسته (شبكه) رادیاتور تشكیل شده كه خود شبكه از لوله‌ها و پره‌ها به­وجود آمده است. همچنین به مخزن بالایی یك گلویی كه به لوله هوا ارتباط دارد، متصل است.

شكل 1-2 شماتیكی از اجزای رادیاتور

سیال خنك­كننده توسط پمپ به جداره‌های سیلندر جریان می‌یابد. در صورت بالا رفتن درجه حرارت سیال ترموستات مسیر را باز می‌كند و سیال گرم از طریق لوله ورودی رادیاتور كه در مخزن ورودی آن تعبیه شده است، وارد رادیاتور می­شود و پس از خنك شدن به مخزن خروجی جریان می­یابد و پس از خروج توسط لوله خروجی رادیاتور، سیكل خود را ادامه می‌دهد.

انتقال حرارت در رادیاتور خودرو به این صورت است كه آب گرم در طول مسیر حركت در رادیاتور، گرمای خود را به لوله‌ها منتقل می­کند و این گرما از محل اتصال لوله و پره، به پره‌ها منتقل می­شود و سپس گرمای انتقال­یافته به پره‌ها نیز توسط جریان هوای اجباری از آنها دفع می‌شود.

انواع رادیاتور

شبكه رادیاتورها شامل دو نوع فین تیوب و كروگیت است:

1-رادیاتور فین تیوب (fin-Tube) : در این نوع رادیاتور امتداد لوله‌ها عمود بر راستای پره‌هاست و لوله‌ها از داخل پره‌ها عبور می‌كنند.

شكل 1-3 شماتیكی از قسمتی از یك شبكه فین تیوب

2-رادیاتورهای كروگیت (crougate): در این نوع رادیاتورها لوله‌ها از داخل پره‌ها عبور نمی‌كنند بلكه پره‌ها به صورت موجدارند و لوله‌ها در امتداد پره‌ها روی نوك فین قرار داده می‌شوند.

شكل 1-4 شماتیكی از قسمتی از شبكه كروگیت

در حالت كلی مونتاژ رادیاتورهای كروگیت راحت­تر و سریع­تر از نوع فین تیوب است و امكان اتوماسیون آن وجود دارد ولی رادیاتورهای فین تیوب به دلیل درگیر شدن لوله و پره با یكدیگر، استحكام مكانیكی بیشتری دارند. رادیاتورها  از لحاظ جنس به دو نوع
آلومینیمی و مسی و برنجی تقسیم می­شوند كه تكنولوژی ساخت هر یك می‌تواند Soldering  و Brazing باشد.