مقاله شماره 1

                                                سیستم خنک کاری اتومبیل

مهدی ملکی طهرانی

همانطور که میدانیم سیستم خنککاری اتومبیل یکی از اجزای ضروری یک موتور احتراق داخلی میباشد. به همین دلیل در طی 3 مقاله، سیستم خنککاری یک موتور احتراق داخلی و نکات مربوط به آن توضیح داده خواهد شد. در این مقاله به اهمیت استفاده از سیستم خنک­کاری در یک موتور احتراق داخلی می پردازیم و به سئوالاتی که در این رابطه به ذهن می آید جواب میدهیم. در ابتدا به یک توضیح بسیار خلاصه از سیستم خنککاری اتومبیل می پردازیم. سیستم خنککاری در یک موتور احتراق داخلی از یک سیکل بسته که آب و ضد یخ در آن سیکل بین اطراف بدنه موتور اتومبیل و رادیاتور اتومبیل گردش میکند، تشکیل شده است. در این سیکل ، آب و ضد یخ توسط واتر پمپ به گردش در آمده و گرما را از بدنه موتور اتومبیل گرفته و در رادیاتور این انرژی گرمایی توسط مجموعه فن و رایاتوربه هوای محیط داده میشود. استفاده از رادیاتور در اتومبیل مانع بالا رفتن دمای بدنه اتومبیل از حدود 200 درجه سانتیگراد میشود. اجزای سیستم خنککاری اتومبیل و طرز کار هر یک از آنها به صورت مفصل در مقالات بعدی توضیح داده خواهند شد و در این مقاله به ضرورت استفاده از رادیاتور و سئوالاتی که در این رابطه به ذهن می آید میپردازیم . بعلاوه مشابه همین سیکل در زمستان برای بخاری اتومبیل استفاده میشود و در زمستان بخشی از گرمای گرفته شده از بدنه موتور اتومبیل به هوای داخل اتومبیل و بخشی از آن دررایاتوربه هوای محیط داده میشود. در شکل زیر شماتیک کلی سیستم خنککاری اتومبیل نشان داده شده است و در وسط است شکل بدنه موتور اتومبیل واقع شده است که گرما را توسط رادیاتور که در سمت چپ شکل واقع شده به هوای محیط و توسط بخاری که در سمت راست شکل واقع شده به هوای داخل اتومبیل هدایت میکند.
radiator
اولین سئوالی که در مورد سیستم خنککاری اتومبیل به ذهن میرسد این است که چه نسبتی از انرژی حاصل از سوختن بنزین توسط سیستم خنککاری به محیط اطراف داده می شود و حتی میتوان این سئوال را کلیتر پرسید و در مورد اینکه چه نسبت از انرژی حاصل از سوختن بنزین در اتومبیل به صورت مفید مصرف میشود و بقیه انرژی چگونه مصرف میشود؟ میدانیم که بر طبق قانون دوم ترمودینامیک در یک چرخه ترمودینامیکی مانند موتور احتراق داخلی همه انرژی گرمایی داده شده نمیتواند به کارمفید تبدیل شود. بنابراین در موتور احتراق داخلی همه انرژی گرمایی که از سوختن بنزین به دست میآید به کار مفید و نیروی محرکه ماشین تبدیل نمیشود، بلکه در موتور احتراق داخلی بخشی از انرژی سوختن بنزین توسط گازهای خروجی از اگزوز که دمای بالا دارند گرفته میشود و بخش دیگر به وسیله سیستم خنککاری اتومبیل گرفته شده و به محیط داده میشود و بخش دیگری از انرژی سوختن بنزین صرف غلبه بر اصطکاک موجود در خود موتور می شود. برای بهتر مشخص شدن این مطلب به در صد تقریبی هر بخش از کل انرژی گرمایی که از سوختن بنزین به دست میآید، میپردازیم. در موتورهای احتراق داخلی مقدار محدودی از انرژی حاصل از سوختن بنزین به صورت مفید و برای قوای محرکه موتور استفاده می‌شود و این نسبت در مورد اتومبیلهای نسل جدید در بهترین حالت تقریبا حدود 30 درصد کل انرژی حاصل از سوختن بنزین میباشد. ۳۰ درصد از انرژی حاصل از سوختن بنزین به ­واسطه سیستم خنککاری ، ۳۰ درصد به­وسیله خروج گازهای داغ و ۱۰ درصد باقیمانده توسط اصطکاک و عوامل دیگر به­هدر می‌رود.البته میزان حقیقی و دقیق انرژی تبدیل­شده به کار مفید در پروسه احتراق موتور به مشخصه‌های فیزیکی اجزای موتور و شرایط کاری بستگی دارد، ولی تقریب داده شده برای متوسط ماشینهای نسل جدید صحیح میباشد. پس همانطور که مشاهده کردید میزان انرژی که توسط رادیاتور به محیط اطراف داده می شود قابل ملاحظه میباشد، و برابر میزان انرژی مفید مصرفی قوای محرکه میباشد. بعلاوه ممکن است از خواندن عدد 30 درصد تعجب کرده و یا این عدد را برای اتومبیلهای نسل قدیمتر بدانید، ولی این عدد مربوط به اتومبیلهای تولید شده در امروز است و اتومبیلهای نسل قدیم راندمان 25 درصد داشتند. البته شایان ذکر است که کارخانجات مهم دنیا به تازگی موفق به افزایش راندمان در موتورهای جدید شده اند، ولی این افزایش حدود 3 درصد است. همچنین ممکن است سئوالی به ذهن شما خطور کند و بگویید که اتومبیلی خاص مصرف بنزین بسیار کمی دارد و بنابراین باید راندمان اتومبیل آن بالا و یا حتی بیشتر از 33 درصد باشد. ولی توجه داشته باشید که مصرف بنزین تابع عوامل زیادی میباشد که مهمترین آنها حجم موتور، وزن اتومبیل، شتاب اتومبیل و ماکزیمم سرعت میباشد. بنابراین مصرف کم بنزین، دلیلی قطعی بر راندمان بالاتر نمی شود. همچنین توجه کنید که در بعضی از اتومبیل ها از سوپر شارژینگ استفاده می شود که در آن از انرژی بالای گازهای گرم خروجی استفاده می شود. حال سئوالی که سریعا به فکر خطور میکند این است که چرا از سیستم خنککاری استفاده میشود که بخش قابل ملاحظه ای از انرژی حاصل از سوختن بنزین را به خود اختصاص میدهد. برای جواب دادن به این سئوال به اهمیت و لزوم استفاده سیستم خنککاری یک موتور احتراق داخلی میپردازیم. دما در طول مدت احتراق مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق موتور بسیار بالا می‌رود و به بیش از ۲2۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد. بنابراین اگر خنککاری صورت نگیرد، پس از مدتی دمای بدنه موتور بسیار بالا میرود. این دمای بالا مشکلات بزرگی به وجود می آورد. اولین مشکل اساسی در مورد روغن است. در دماهای بالاتر از 260 درجه سانتیگراد روغن تجزیه میشود و خاصیت روغن کاری را از دست میدهد. همچنین دماهای بالاتر از 230 درجه سانتیگراد باعث کاهش ضخامت فیلم روغن می­شود و خواص روغن به­شدت افت می‌کند که این مسئله موجب افزایش استهلاک قطعات و ازدیاد دمای آنها خواهد شد. بنابراین باید خنک‌کاری به اندازه‌ای صورت پذیرد که دما بیش از حدود ۲۳۰ درجه سانتیگراد نشود. دومین مشکل مهم در متالوژی مواد استفاده شده در بدنه موتور احتراق داخلی میباشد. همان‌طور که گفته شد، دما در طول احتراق در سیلندر موتورهای درون­سوز به بیش از ۲2۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد. بنابراین اگر خنککاری صورت نگیرد، پس از مدتی دمای بدنه موتور بسیار بالا میرود. این دما بیش از نقطه ذوب مواد مورد استفاده در ساختار بدنه موتوراست. البته شایان ذکر است که حتی رسیدن به دماهای نزدیک دمای ذوب از لحاظ متالوژی مشکل ساز میباشد. به صورت حدودی میتوان گفت که رسیدن به دمای 1200 درجه سانتیگراد از این لحاظ برای موتور مشکل ساز خواهد شد که همانطور که مشاهده میکنید این قید از قید روغن با 230 درجه سانتیگراد اهمیت کمتری دارد. بنابراین با بالارفتن دما به موتور خسارت وارد می‌شود و باید دمای کار موتور در محدوده­ای خاص حفظ شود. بنابراین برايجلوگيريازافزايشبيشازحددمايموتور،كه ممكن است به صدمه ديدن پيستون،سيلندر،رينگ و ديگر قطعات موتور منجر شود، ازسيستم خنك كننده استفاده مي شود. مشکل سوم در مورد انبساط و انقباض اجزای بدنه موتورمانند پيستون،سيلندر، سرسیلندرو رينگ میباشد. هر یک از اجزای موتور مواد متفاوت و اشکال متفاوت و ضرایب انبساط متفاوت دارند و در اثر بالا رفتن دمای از محدوده خاص در بدنه موتور این انبساط و انقباض پس از آن بر اثر سرد شدن موتور مشکل ساز خواهد شد. به صورت حدودی میتوان گفت که رسیدن به دمای 400 درجه سانتیگراد از این لحاظ برای موتور مشکل ساز خواهد شد که همانطور که مشاهده میکنید این قید از قید روغن با 230 درجه سانتیگراد اهمیت کمتری دارد. بنابراین وجود سیستم خنککاری و انتقال بخشی از انرژی بدست آمده توسط سوخت به هوا توسط رادیاتور واجب و ضروری است. در شکل زیر عکس یک رادیاتور نشان داده شده است.
radiator
بنابراین سیستم خنک­کاری به­منظور پیشگیری از بالا رفتن دمای موتور به­کار می‌رود و وجود آن ضروری است و در یک نمونه سیستم خنک­کاری آبی موتور این دما در محدوده 200قرار دارد. البته توجه شود که در اینجا صحبت از دمای متوسط در داخل بدنه موتور احتراق داخلی میشود و مسلما دما درسطوح داخلی سیلندر بیشتر و دما در سطوحی که با آب در تماس هستند 100 درجه سانتیگراد میباشد.
به طور خلاصه سیستم خنک­کاری در موتور دو علت اساسی دارد:
1-نگه داشتن دمای اجزای بدنه موتور احتراق داخلی در محدوده دمایی که روغنکاری مؤثر در آن ممکن باشد که البته این علت حساستر است .
۲-نگه داشتن دمای اجزای مختلف موتور احتراق داخلی در یک محدوده خاص به­طوری که به سلامت قطعات موتور صدمه نزند.
حال که همانطور که توضیح داده شد استفاده از سیستم خنککاری در موتور واجب است، سئوال دومی که به ذهن خطور میکند این است که آیا استفاده از سیستم خنککاری به دلیل به هدر دادن بخشی از انرژی حاصله از سوختن بنزین منجر به کاهش قابل توجه راندمان اتومبیل نمیشود؟ و یا به عبارت دیگر اگر فرض کنیم که امکان داشت که دمای بدنه موتور بالا برود و مشکلی پیش نیاید، راندمان کار موتور بهبود قابل ملاحظه پیدا میکرد؟ جواب این سئوال خیر است. برای جواب دادن به این سئوال فرض کنید که موتور اتومبیل به هیچ سیستم خنک­کاری نیاز ندارد و دمای آن میتواند تا700 درجه سانتیگراد بالا برود. ممکن است در نگاه اول شما خوشحال شده و بگویید، اگر چنین شود راندمان مفید اتومبیل به صورت قابل ملاحظه افزایش می یابد و یا به عبارت دیگر 30% از انرژی سوختن بنزین که توسط سیستم خنککاری به محیط اطراف داده میشد، به راندمان مفید اضافه میشود. ولی اگر کمی دقت کنید متوجه می شوید که وقتی دمای بدنه موتور به 1000 درجه سانتیگراد برسد، انتقال حرارت با هوای اطراف موتور انجام میدهد. باز نیز ممکن است اشتباه کنید و بگویید ضریب انتقال حرارت برای هوا به صورت قابل ملاحظه کمتر از سیال آب میباشد. بله درست است که وقتی آب اطراف موتور جریان دارد ضریب انتقال حرارت بیشتری دارد، ولی انتقال حرارت متناسب با اختلاف دما نیز میباشد و اگر در حالت سیستم خنک­کاری با آب و ضد یخ اختلاف دمای بدنه موتور و آب و ضد یخ 100 درجه سانتیگراد باشد، ولی در صورت طراحی نکردن سیستم انتقال حرارت مناسب اختلاف دمای بدنه موتورو هوای محیط حدود 650 درجه سانتیگراد است و بنابراین انتقال حرارت مشابه ولی کمتر انجام خواهد شد. به عبارت دیگر اگر موتور را به وسیله آب خنک نکنیم، خود موتور در دمای بالاتر به وسیله هوا خنک میشود و انتقال حرارت مشابه دارد. همچنین در صورت خنک نکردن بدنه موتور احتراق داخلی، گازهای خروجی نسبت انرژی بیشتری از انرژی حاصل از سوختن بنزین را به خود اختصاص میدهند. بنابراین اگر رادیاتور را به وسیله سیستم خنک کاری خنک نکنیم، راندمان موتور افزایش قابل ملاحظه پیدا نمیکند، ولی دمای کاری بدنه موتور به صورت قابل ملاحظه بیشتر میباشد.