مکانیک خودرو تخصصی -بخش 16

مدار خنك كاری

برای خنك كاری قطعات موتور و جلوگيری از آسيب ديدن ، سوختن و ذوب شدن آنها، از سيستم خنك‌كاری استفاده می‌شود. در برخی موتورها، عمل خنك كاری مطابق شكل 1 بوسيله هواي محيط انجام مي‌شود. به اين نوع موتورها، موتورهای هوا خنك مي‌گويند. در این موتورها، تعداد زیادی پره(Fin) به سیلندر و سرسیلندر افزوده می‌شود تا سطح تبادل حرارتی موتور و هوای محیط را افزایش دهد و با عبور جریان هوا از بین این پره‌ها، خنک‌کاری موتور انجام شود.

1-پره‌های افزایش سطح تبادل حرارتی بین سیلندر و سرسیلندر با هوای محیط
شكل 1-خنک کاری موتور دو سیلندر V شکل بوسیله هوای محیط

مطابق شکل 2 که موتور هوا خنک 6 سیلندر خوابیده یا Boxer پورشه را نشان می‌دهد، برای ارتقای سیستم خنک‌کاری موتور از فن هوایی نیز استفاده می‌شود که بوسیله تسمه توان خود را از میل‌لنگ دریافت کرده و با ایجاد جریان هوا در بین پره‌های خنک‌کاری سیلندر و سرسیلندر، به خنک شدن موتور کمک شایانی می‌کند.

1-فن یا پنکه خنک‌کننده موتور
شکل 2-سیستم هوا خنک موتور خودرو مجهز به فن خنک‌کننده

به دلیل کنترل مطلوب‌تر دمای قطعات موتور، در عمده موتور خودروهای امروزی از روش خنک‌کاری با مایع خنک‌کننده استفاده می‌شود و به این نوع موتورها، موتورهای آب خنک می‌گویند. مایع خنک‌کننده موتور ترکیبی از مایع رادیاتور بعلاوه ضدیخ(اتیلن گلیکول) است که البته مایع ضدیخ، خواص ضد جوش، ضد کف، ضد اکسیداسیون و ضد خوردگی را دارا است. مایع رادیاتور نیز ترکیب از آب مقطر بعلاوه مواد ضدخوردگی است. با توجه به شکل 3 ملاحظه می‌شود که اگر 70 درصد حجمی ضدیخ با 30 درصد حجمی مایع خنک‌کننده با هم ترکیب شوند، پایین‌ترین نقطه انجماد و در حدود 50- درجه سانتیگراد را خواهد داشت و هر چقدر میزان ضدیخ کمتر یا بیشتر شود، دمای انجماد محلول رادیاتور نیز در دمای بالاتری ایجاد خواهد شد. لذا در شرایط آب و هوایی معتدل معمولا از نسبت حجمی 50 درصد ضدیخ و 50 درصد مایع رادیاتور استفاده می‌شود در حالی‌که در مناطق سردسیر می‌توان حجم ضدیخ را 70 درصد و حجم مایع رادیاتور را 30 درصد در نظر گرفت.

شکل 3-دمای انجماد محلول ضدیخ و مایع رادیاتور

1-ترموستات 2-واترپمپ 3-تسمه دینام 4-لوله آب گرم 5-پروانه 6-موتور پروانه خنک‌کن رادیاتور 7-لوله آب خنک 8-پیچ تخلیه رادیاتور 9-درب رادیاتور 10-رادیاتور 11-لوله اتصال رادیاتور به مخزن ذخیره 12-مخزن ذخیره

شكل 4-سيستم خنك كاری موتور با مايع خنك‌كننده

با توجه به شكل 4 پمپ آب يا واترپمپ (2)، نيروي خود را از ميل‌لنگ دريافت می‌کند و مايع خنك‌کننده با دمای کم را از قسمت پايين رادياتور دریافت کرده و به درون مجاري خنك‌كاری سيلندر و سرسيلندر هدايت مي‌كند. مايع خنك‌كننده پس از عبور از مجاري خنك‌كاري، حرارت قسمت‌هاي مختلف موتور را دريافت می‌کند و از قسمت بالای سرسيلندر به مخزن بالايي رادياتور (10) وارد مي‌شود. بين مخزن بالايی رادياتور و مخزن پاييني رادياتور، لوله‌های قرار گرفته است كه مايع خنك‌كننده داغ با عبور از اين لوله‌هاي عمودي، حرارت خود را به لوله‌هاي عمودی مي‌دهد. بين لوله‌هاي عمودي نيز پره‌هاي بسيار زيادي برای افزايش سطح انتقال حرارت تعبیه شده است كه باعث مي‌شود به راحتي حرارت مايع خنك كننده به لوله‌هاي عمودي و از طريق پره‌ها به هواي محيط منتقل شود و باعث خنک شدن مایع خنک‌کننده و در نتیجه قطعات موتور شود.
رادیاتور
شکل 5 دو نوع متداول رادیاتور جریان عمودی و جریان افقی را نشان می‌دهد.

1-درب رادیاتور 2-لوله ورود مایع خنک‌کننده گرم از موتور 3-جهت حرکت مایع داخل رادیاتور 4-رادیاتور روغن(در صورت مجهز بودن) 5-لوله‌های انتقال مایع خنک‌کننده 6-لوله خروج مایع خنک‌کننده خنک از رادیاتور 7-مجاری عبور هوا و پره‌های انتقال حرارت رادیاتور
شکل 5-رادیاتور جریان عمودی و افقی

مطابق شکل 5 مایع خنک‌کننده گرم(با دمای حدود 85 درجه سانتیگراد) که حرارت بخش‌های داغ موتور را دریافت کرده است وارد رادیاتور می‌شود و با توجه به نوع رادیاتور، جریان مایع خنک‌کننده به صورت عمودی یا افقی در داخل لوله‌های رادیاتور برقرار می‌شود و در همین حین هوا نیز از بین لوله‌های رادیاتور عبور می‌کند و باعث انتقال حرارت از مایع خنک‌کننده به هوای محیط می‌شود و مایع خنک‌کننده با دمای پایین‌تر(حدود 40 درجه سانتیگراد) از رادیاتور خارج شده و مجدد از طریق واترپمپ وارد موتور می‌شود.

شکل 6-یک نوع رادیاتور موتور خودرو

1-اینترکولر 2-کندانسور کولر 3-رادیاتور یا خنک‌کن روغن 4-رادیاتور موتور
شکل 7-رادیاتورهای نصب شده در جلوی خودرو

• اینترکولر(Intercooler): این رادیاتور وظیفه خنک کردن هوای خروجی از توربین توربوشارژر که به علت داغ بودن پره‌های توربین گرم شده است را بر عهده دارد تا هوای خنک وارد موتور شده و باعث افزایش راندمان حجمی شود.
• کندانسور کولر(Condenser): این رادیاتور وظیفه خنک کردن گاز خروجی از اواپراتور(Evaporator) کولر به کمپرسور کولر که تحت فشار قرار گرفته و بیشتر هم گرم شده را دارد. گاز تحت فشار و گرم که وارد این رادیاتور می‌شود خنک شده و به مایع تبدیل می‌شود تا در سیکل تبرید سیستم تهویه مطبوع خودرو مورد استفاده قرار گیرد.
• اویل‌کولر(Oil Cooler): این رادیاتور وظیفه خنک کردن روغن موتور را بر عهده دارد و از تبخیر بیش از حد روغن پیشگیری می‌شود و باعث کاهش تولید HC و کمبود روغن موتور شده و از این‌رو به آن خنک‌کن روغن یا اویل کولر گفته می‌شود.
• رادیاتور موتور: این رادیاتور که در واقع رادیاتور اصلی موتور است که وظیفه خنک کردن مایع خنک‌کننده داغ موتور را بر عهده دارد.
  درب رادیاتور

درب رادیاتور یک درپوش معمولی نیست و مطابق شکل 8 دارای دو سوپاپ است.

1-سوپاپ خلائی یا برگشت مایع خنک‌کننده 2-سوپاپ فشاری یا رفت مایع خنک‌کننده 3-واشر آب‌بندی 4-بدنه درب رادیاتور 5-فنر درب رادیاتور 6-زبانه درب رادیاتور
شکل 8-درب رادیاتور

درب رادیاتور باید دارای مکانیزمی باشد تا با انقباض و انبساط مایع خنک‌کننده قادر به حفظ شرایط مدار خنک‌کاری را داشته باشد ضمن اینکه از پاره شدن شیلنگ‌ها پیشگیری کند. با توجه به شكل 9 وقتي كه مايع خنك‌كننده رادياتور منبسط شود، سوپاپ درب رادياتور باز شده و مقداري از مايع خنك كننده را به درون مخزن ذخیره ارسال می‌کند تا از آسیب دیدن شیلنگ‌های لاستیکی و رادیاتور جلوگیری شود.

1-درب رادیاتور 1-سوپاپ فشاری درب رادیاتور 3-مخزن ذخیره
شکل 9-عملکرد درب رادیاتور هنگام انبساط مایع خنک‌کننده

هنگامي كه با توجه به شكل 10 مايع خنك كننده درون رادياتور منقبض شود، سوپاپ ديگري درون درب رادياتور باز می‌شود و مقداري از مايع خنك‌كننده درون مخزن ذخیره را به درون رادياتور مي‌كشد تا مدار خنک‌کننده همواره از مایع خنک‌کننده پر باشد.

1-سوپاپ خلائی درب رادیاتور
شکل 10-عملکرد درب رادیاتور هنگام انقباض مایع خنک‌کننده

بنابراين رعايت نكات ذيل ضروري است:
1-از درب رادياتور استاندارد استفاده كنيد.
2-در هنگام داغ بودن موتور درب رادياتور را باز نكنيد.
3-همواره سطح مايع خنك كننده درون مخزن ذخیره را بين خطوط حداقل و حداكثر درج شده بر روی مخزن ذخیره تنظيم کنید.

1-درب رادیاتور 2-مخزن ذخیره
شکل 11-مدار خنک‌کاری مدار باز

در سیستم خنک‌کاری مدار باز باید رادیاتور را از مایع خنک‌کننده پر کرد و مقدار مایع خنک‌کننده موجود در مخزن ذخیره هم باید بین خطوط F و L مطابق شکل 12 قرار گیرد.

شکل 12-مخزن ذخیره در سیستم خنک‌کاری مدار باز

چنانچه مطابق شکل 13 رادیاتور دارای درب نباشد یا سیستم خنک‌کاری فاقد مخزن انبساط باشد، به آن سیستم خنک‌کاری مدار بسته گفته می‌شود.

1-رادیاتور 2-مخزن انبساط رادیاتور
شکل 13-سیستم خنک‌کاری مدار بسته

در سیستم خنک‌کاری مدار بسته باید مایع خنک‌کننده درون مخزن انبساط رادیاتور بین خطوط F و L واقع شود و بخصوص در رادیاتورهای جریان افقی که ارتفاع رادیاتور پایین‌تر از ارتفاع موتور است، در هر باز تعویض مایع خنک‌کننده یا تعمیر قطعات سیستم خنک‌کننده باید نسبت به هواگیری مدار اقدام کرد. برای هواگیری سیستم خنک‌کاری مدار بسته باید مطابق شکل 14 پیچ هواگیری را شل کرد و افزودن مایع خنک‌کننده به مخزن انبساط را تا زمانی که مقدار آن بین خطوط F و L قرار گیرد و هیچ حبابی از پیچ هواگیری خارج نشود ادامه داد.

شکل 14-پیچ هواگیری در سیستم خنک‌کاری مدار بسته

واترپمپ

واترپمپ یا پمپ آب موتور مطابق شکل 15 یک پمپ گریز از مرکز است که مایع خنک‌کننده خنک‌شده رادیاتور را از بخش مرکزی دریافت می‌کند و به آن انرژی جنبشی ناشی از نیروی گریز از مرکز پره‌های پروانه واترپمپ می‌دهد و بدین ترتیب مایع خنک‌کننده خنک شده توسط رادیاتور از مرکز پروانه واترپمپ وارد و به سمت محیط بیرونی پروانه واترپمپ پرتاب شده و وارد موتور می‌شود تا عملیات خنک‌کاری موتور آغاز شود.

1-خروجی واترپمپ 2-بدنه 3-پروانه 4-ورودی واترپمپ
شکل 15-نحوه عملکرد واترپمپ

شکل 16 یک نوع واترپمپ را نشان می‌دهد.

1-پروانه 2-بدنه 3-چرخ‌تسمه
شکل 16-یک نوع واترپمپ

شکل 17 نحوه یاتاقان‌بندی و آب‌بندی محور واترپمپ را نشان می‌دهد.

1-پروانه 2-آب‌بند یا اصطلاحا فیبر و فنر 3-محور 4-بلبرینگ 5-چرخ‌تسمه 6-بدنه
شکل 17-نحوه یاتاقان‌بندی و آب‌بندی محور واترپمپ

شکل 18 نمای گسترده و قطعات یک نوع دیگر از واترپمپ را نشان می‌دهد.

1-فلانچ اتصال محور واترپمپ به پولی 2-بلبرینگ و رولبرینگ محور 3-مجرای تخلیه نشتی واترپمپ 4-آب‌بند محور یا اصطلاحا فیبر و فنر 5-پروانه 6-بدنه
شکل 18-نمای گسترده و قطعات یک نوع واترپمپ

ترموستات:

مطابق شکل 19 ترموستات کلیدی حرارتی است که برای كنترل دماي موتور و جلوگيري از آسیب دیدن قطعات موتور و همچنین افزايش بی‌رویه مصرف سوخت به خصوص در هوای سرد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این قطعه عمدتا در مسير خروج مايع خنك كننده گرم از سرسيلندر به مخزن بالايي رادياتور قرار می‌گیرد ولی بعضا در مسیر مایع خنک‌کننده، خروجی از رادیاتور به واترپمپ نیز قرار می‌گیرد. در اين صورت چنانچه دماd مايع خنك‌كننده، كمتر از دماي مجاز باشد (با توجه به نوع خودرو بين 70 تا 82 درجه سانتيگراد) فنر، دریچه ترموستات را در موقعیت بسته قرار می‌دهد و اجازة گردش مايع خنك‌كننده را نمي‌دهد. چنانچه دماي مايع خنك‌كننده به محدودة مجاز برسد، ژل انبساطی داخل کپسول حرارتی منبسط می‌شود و دریچه ترموستات را باز می‌کند و اجازة گردش مايع خنك‌كننده و خنك شدن موتور را مي‌دهد.

1-تکیه‌گاه پیستون 2-پیستون 3-فنر 4-دریچه 5-بدنه 6-کپسول حاوی ژل انبساطی WAX
شکل 19-ترموستات

شكل 20 وضعیت پایین بودن دمای مایع خنک‌کننده که باعث بسته ماندن ترموستات می‌شود را نشان می‌دهد.

1-سوپاپ عبوردهنده حباب هوا و بخار 2-پين يا ميله ثابت 3- دريچه يا سوپاپ ترموستات 4-واكس 5- لاستيك 6- مجراي كنارگذر برای ارسال مایع خنک‌کننده گرم به رادیاتور بخاری 7-مايع خنك‌كننده گرم از سرسيلندر
شكل 20-ترموستات در حالت بسته بودن

با توجه به شكل 20 ملاحظه مي‌گردد كه چنانچه دماي مايع خنك‌كننده كم باشد، ژل واكس منقبض شده و دريچة ترموستات بوسيله نيروي فنر بسته مي‌شود.
با توجه به شكل 21 هنگامي كه دماي مايع خنك‌كننده به حد مجاز برسد، ژل واكس منبسط شده و باعث انقباض لاستيك مي‌شود. از آنجايي كه پين يا ميله 2 ثابت است، بنابراين عكس العمل اين نيرو به دريچة ترموستات (3) اعمال شده و دريچة ترموستات باز مي‌شود و اجازة گردش مايع خنك‌كننده را مي‌دهد.

1-مایع خنک کننده خروجی به سمت مخزن بالایی رادیاتور 2-مایع خنک کننده از سرسیلندر
شكل 21-ترموستات در وضعيت باز

شکل 22 مدار کامل مدار خنک‌کاری موتور مجهز به رادیاتور جریان افقی به همراه مدار بخاری و خنک‌کن روغن را نشان می‌دهد. همانگونه که قابل ملاحظه است مقداري از مايع خنك كننده وارد رادياتور بخاري کابین خودرو شده و صرف گرم كردن کابین يا اتاق خودرو می‌شود. در اين حالت جريان مايع خنك كننده قبل از ترموستات وارد رادياتور بخاری شده و بعد از عبور از رادياتور بخاري به ورودي واتر پمپ مي‌رسد. به عبارتی رادياتور بخاری مايع خنك كننده را از بخش داغ موتور یعنی سرسیلندر دريافت كرده و به ورودي واتر پمپ ارسال می‌کند.
در این مدارترموستات در ورودي رادياتور نصب نشده است بلكه در خروجي رادياتور قرار گرفته است، توجه به اين نكته حائز اهميت است كه سيگنال باز يا بسته بودن ترموستات از مايع خنك كننده داغ خروجي از سرسيلندر توسط لوله كنارگذر (5) انجام مي شود. در خودروهای امروزی و بر اساس مصوبات استاندارد، باید میزان هیدروکربن‌های نسوخته یا HC ناشی از تبخیر روغن موتور کاهش یابد لذا باید توسط مایع خنک‌کننده موتور نسبت به خنک کردن روغن موتور اقدام کرد. لذا همانگونه که مشاهده می‌شود بخشی از مایع خنک‌کننده خروجی واترپمپ که دمای پایینی دارد وارد خنک‌کن روغن که در پایه فیلتر واقع شده است می‌شود و دمای روغن را گرفته و پس از اختلاط با مایع خنک‌کننده خروجی رادیاتور که خنک شده است وارد واترپمپ می‌شود و بدین ترتیب از تبخیر شدن روغن نیز پیشگیری می‌شود.

1-رادياتور بخارd 2-فن خنك‌كنندi رادياتور 3-رادياتور جريان افقي 4-مخزن انبساط رادياتور 5-لولة باي پس(By Pass) يا كنارگذر 6-سوپاپ باي پس 7-مجرا يا ريل عبور روغن به ياتاقان‌هاي ثابت 8-كارتل 9-اويل پمپ 10-فيلتر سیمي پمپ روغن 11-واتر پمپ 12-ترموستات 13-كولر روغن 14-فيلتر روغن
شكل 22-رادياتور جريان افقی با خنک‌کن روغن و مسير انتقال مايع خنك‌كننده به رادياتور بخاری کابین خودرو

شکل 23 نوعی اویل‌کولر یا خنک‌کن روغن که در پایه فیلتر نصب می‌شود را نشان می‌دهد.

شکل 23-اویل‌کولر یا خنک‌کن روغن که در پایه فیلتر روغن نصب می‌شود

فن خنک‌کننده رادیاتور

فن خنك‌كننده رادیاتور وظیفه ایجاد جریان هوا از لابلای مجاری هوای رادیاتور را بر عهده دارد تا عملیات انتقال حرارت مایع خنک‌کننده به هوای محیط انجام شود. بدین ترتیب هوا با دبي زياد از بين پره‌ها و لوله‌هاي عمودي رادياتور عبور می‌کند و عمل خنك‌كاري مايع خنك‌كننده را تسريع مي‌كند.
با توجه به شکل 24 فن خنک‌کننده رادیاتور در خودروهاي قديمي قدرت موردنیاز خود را از ميل‌لنگ دريافت كرده و هموار دوران مي‌كند از اينرو باعث افت توان موتور (به جهت اخذ توان از ميل‌لنگ در همة شرايط مانند هواي سرد و…) و همچنين ايجاد سر و صداي زياد در دورهاي بالا مي‌شود.

1-فن یا پنکه رادیاتور 2-واترپمپ 3-تسمه واترپمپ
شکل 24-فن رادیاتور که انرژی مورد نیاز خود را با استفاده از تسمه از میل‌لنگ دریافت می‌کند

در خودروهای امروزی برای از بین بردن عیوب فن مکانیکی، مطابق شکل 25 از فن‌هاي برقی استفاده می‌شود. در این حالت موتورهای فن‌های رادیاتور با توجه به دستور واحد كنترل فقط هنگام زياد شدن دماي خنك‌كننده موتور فعال شده و در بقیة حالات خاموش است از اینرو به خصوص در سرعت‌های بالا که دبی هوای عبوری به موتور زیاد می‌شود، موتور فن رادیاتور خاموش شده و صدای آن کاهش می‌یابد.

شکل 25-فن خنک‌کننده رادیاتور

1-فن خنک‌کننده رادیاتور 2-فن خنک‌کننده کندانسور

شکل 26-استفاده از فن‌های خنک‌کننده رادیاتور و کندانسور به صورت مجزا

سنسور دمای مایع خنک‌کننده موتور (Coolant Temperature Sensor ) یا فشنگی آب

این سنسور اطلاعات مربوط به دمای مایع خنک‌کننده موتور را به منظور موارد زیر اندازه‌گیری و به واحد کنترل ارسال می‌کند:

• نمایش اطلاعات مربوط به دمای مایع خنک‌کننده به راننده
• فعال و غیرفعال کردن فن‌های خنک‌کننده رادیاتور موتور
• تاثیر دمای موتور بر میزان غنی یا رقیق بودن مخلوط سوخت و هوای ورودی به موتور

شکل 27 سنسور دمای مایع خنک‌کننده موتور را نشان می‌دهد. این سنسور یک مقاومت متغیر با ضریب دمایی منفی یا NTC(Negative Temperature Coeficient) است که با افزایش دما، مقاومت آن کم و با کاهش دما، مقاومت آن افزایش می‌یابد. محل نصب این سنسور در سرسیلندر و معمولاً روی هوزینگ‌ ترموستات است.

شکل 27-سنسور دمای مایع خنک‌کننده موتور

در برخی خودروهای ممکن است بیش از یک سنسور دمای مایع خنک‌کننده برای محقق کردن اهداف فوق مورد استفاده قرار گیرد. شکل 28 محل نصب سنسورهای مایع خنک‌کننده موتور ملی روی هوزینگ ترموستات را نشان می‌دهد.

1-سنسور دمای مایع خنک‌کننده صفحه نشان‌دهندها 2-سنسور دمای مایع خنک‌کننده موتور و فن 3-پیچ هواگیری 4-هوزینگ ترموستات
شکل 28-محل نصب سنسور دمای مایع خنک‌کننده موتور

شکل 29 نحوه فعال‌سازی موتور فن رادیاتور با استفاده از سنسور دمای مایع خنک‌کننده که در خروجی آب خنک رادیاتور نصب شده است و بدون نیاز به واحد کنترل الکترونیکی(ECU) را نشان می‌دهد.

1-دینام یا آلترناتور 2-سوئیچ 3-باتری 4-رله موتور فن 5-موتور فن خنک‌کن رادیاتور 6-رادیاتور 7-مخزن ذخیره 8-سنسور دمای مایع خنک‌کننده 9-پیچ تخلیه رادیاتور
شکل 29-نحوه فعال کردن موتور فن رادیاتور

همانگونه که قابل ملاحظه است، با افزایش دمای مایع خنک‌کننده موتور، مقدار مقاومت سنسور دمای مایع خنک‌کننده کاهش می‌یابد و جریان عبوری از سیم‌پیچ رله(4) افزایش پیدا می‌کند. این موضوع باعث قدرتمند شدن میدان مغناطیسی ناشی از سیم‌پیچ رله می‌شود و با غلبه قدرت مغناطیسی سیم‌پیچ رله بر فنر پلاتین رله، پلاتین متحرک به پلاتین ثابت متصل می‌شود و جریان برق باتری به طور مستقیم به موتور فن رادیاتور ارسال می‌شود و موتور فن رادیاتور فعال می‌شود. با خنک شدن مایع خنک‌کننده موتور، مقدار مقاومت سنسور افزایش می‌یابد و بنابراین جریان عبوری از سیم‌پیچ رله کاهش پیدا می‌کند. با ضعیف شدن قدرت مغناطیسی سیم‌پبچ رله، نیروی فنر بر نیروی ناشی از میدان مغناطیسی سیم‌پیچ رله غلبه می‌کند و پلاتین‌ متحرک را از پلاتین ثابت جدا می‌کند و بنابراین جریان برق مثبت موتور فن رادیاتور قطع می‌شود.