آموزش رادياتور و حرارت موتور

[amirreza_kn 358]

بر اثر احتراق در موتورهاي احتراق داخلي گرماي زيادي توليد مي‌شود که حتي مي‌تواند فلزات مجموعه سيلندر و پيستون را ذوب کند .

سيستم خنک کاري به منظور پيشگيري از بالا رفتن دماي موتور به کار مي‌رود. اين سيستم براي مراقبت در برابر عملکرد مؤثر در تمام سرعت‌هاي موتور و کنترل شرايط مختلف مورد استفاده است. دما در طول مدت احتراق مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق موتور بسيار بالا مي‌رود و به بيش از ۲۰۰۰ درجه مي‌رسد. ميزان قابل توجهي از اين حرارت توسط ديواره‌هاي سيلندر و پيستون‌ها جذب مي‌شود بنابراين بايد خنک‌کاري به اندازه‌اي صورت پذيرد که دما بيش از حدود ۲۳۰ درجه نشود.

دماهاي بالاتر باعث کاهش ضخامت فيلم روغن مي شود و خواص روغن به-شدت افت مي‌کند که اين مسئله موجب افزايش استهلاک قطعات و ازدياد دماي آنها خواهد شد.

در موتورهاي احتراق داخلي مقدار محدودي از انرژي سوخت براي قواي محرکه موتور استفاده مي‌شود. تقريبا حدود ۲۸ درصد انرژي سوخت به کار مفيد تبديل مي‌شود. ۳۰ درصد به واسطه خنک کاري، ۳۲ درصد به-وسيله خروج گازهاي داغ و ۱۰ درصد باقيمانده توسط اصطکاک و عوامل ديگر به هدر مي‌رود. ميزان حقيقي و دقيق انرژي تبديل شده به کار مفيد در پروسه احتراق موتور به مشخصه‌هاي فيزيکي اجزاي موتور بستگي دارد.

همان‌طور که گفته شد، دما در طول احتراق در سيلندر موتورهاي درون-سوز به بيش از ۲۰۰۰ درجه مي‌رسد. اين دما بيش از نقطه ذوب مواد مورد استفاده در ساختار موتور است بنابراين با بالارفتن دما به موتور خسارت وارد مي‌شود و بايد دماي کار موتور در محدوده اي خاص حفظ شود. در يک نمونه سيستم خنک کاري آبي موتور اين دما در محدوده ۹۵-۷۵ قرار دارد که براي خنک کاري هوايي اين ميزان کمي بيشتر است.

خنک کاري در موتور دو علت دارد:

۱) نگه داشتن دماي اجزاي موتور در دمايي که روغنکاري مؤثر در آن ممکن باشد.

۲) نگه داشتن دماي اجزاي مختلف موتور در يک محدوده خاص به طوري که به سلامت قطعات موتور صدمه نزند.

نحوه عملکـرد موتور در انتخاب و طراحي سيستم خنک کاري تأثير مي‌گذارد و اين کاملا به نوع گازهاي احتراق و اجزاي موتور وابسته است. وقتي موتور سرد است، کارايي پاييني دارد بنابراين سيستم خنک کاري معمولا شامل وسايلي است که زمينه فعاليت خنک کـاري نرمـال را بـراي حفظ گرمـاي مناسب موتور مهيـا مي‌کننـد.

هنگام راه اندازي موتور دماي قطعات داخلي آن، به سرعت افزايش مي‌يابد؛ پس وقتي موتور به دماي بهره برداري مي‌رسد بايد سيستم خنک کاري فعاليتش را آغاز کند.

نمايه سيستم خنک کاري موتور براي حداقل کردن حجم و وزن رادياتور است که در وسايل نقليه از اهداف مهم تلقي مي‌شود. بايد درجه حرارت متوسط آبي که از رادياتور عبور مي‌کند حتي الامکان بالا نگه داشته شود تا اختلاف آن با درجه حرارت متوسط زياد باشد.

البته اين درجه حرارت نبايد از نقطه جوش آب در فشار اتمسفر تجاوز کند زيرا در آن صورت قسمتي از آب تبخير مي شود و فشار داخل رادياتور به شدت افزايش مي‌يابد. گرچه با طراحي درپوش مناسب براي رادياتور آب داخل تحت فشار است تا ديرتر به نقطه جوش برسد، هوا نيز بايد پس از عبور از رادياتور به اطراف بدنه موتور جريان يابد.

جهت عکس جريان به دو دليل مناسب نيست: اولا هوا به روغن و ذرات آغشته به روغن که به هر حال روي بدنه موتور وجود دارد آلوده مي‌شود و اين ناخالصي‌ها روي منافذ رادياتور رسوب مي کند و از راندمان آن مي‌کاهد و ثانيا بر اثر تماس با بدنه گرم موتور درجه حرارت آن بالا مي رود و موجب کاهش قدرت خنک کنندگي رادياتور مي‌شود.

نياز موتور به سيستم خنک کاري

براي درک نياز موتور به سيستم خنک کاري، اثرات افزايش يا کاهش دماي کارکرد موتور در ذيل آمده است:

اثرات افزايش دماي کارکرد موتور

▪ بهره برداري در دماهاي بالا، بارهاي زياد با سرعت بالا بدون عمليات خنک کاري باعث اکسيداسيون روغن روغنکاري مي‌شود. در اين شرايط ممکن است با بالا رفتن دما، لعاب و رسوب شکل گيرد؛ به طوري که رينگ پيستون نتواند کار خود را انجام دهد؛ ضمن اين که خراش خوردن رينگ نيز باعث اختلال عملکرد آن مي‌شود. به همين ترتيب اکسيداسيون روغن مي‌تواند باعث خوردگي و سايش بعضي از انواع ياتاقان‌ها شود.

▪ اگر دماي کارکـرد خيلـي زياد شـود، نقاطي از پيستون‌ها و قسمت‌هايي از ميل لنگ که در ياتاقان مي‌چرخند، منبسط مي‌شوند که اين موضوع باعث خروج آنها از لقي مجاز مي شود و اين تغييرات صدمات جدي در ياتاقان‌ها و رينگ‌ها به بار مي آورد.

▪ سطوح داخل محفظه احتراق از قبيل پاي سوپاپ خروجي و شمع ممکن است آن قدر گرم شود که جرقه زودتر اتفاق بيفتد؛ اين شرايط جرقه پيش-رس ناميده مي‌شود که اگر براي مدتي ادامه يابد، خسارت عمده به موتور مي‌زند.

▪ اگر مخلوط تازه وارد شده به سيلندر خيلي گرم شود، چگالي آن کاهش خواهد يافت و در نتيجه قدرت آن کاسته مي‌شود؛ به خصوص در موتورهاي بنزيني.

▪ با افزايش دماي مخلوط هوا و سوخت در محفظه احتراق و منيفولد ورودي، اصطکاک مکانيکي افزايش مي يابد و از قدرت خروجي موتور مي‌کاهد.

اثرات کاهش دماي کارکرد موتور

۱) افزايش خنک‌کاري باعث کاهش راندمان حرارتي، همچنين مانع تبخير مناسب سوخت مي‌شود که موجب رقيق شدن روغن مي‌گردد.

۲) تبخير نامناسب سوخت ، فيلم روغن بر روي ديواره‌هاي سيلندر را از بين مي‌برد و باعث افزايش فرسايش سطح داخلي سيلندر مي‌شود.

۳) به طور کلي خنک کاري بيش از حد باعث کاهش قدرت، ضرر اقتصادي مصرف بيشتر سوخت و کاهش طول عمر قطعات موتور مي شود.

ملاحظات طراحي رادياتور

طراحي رادياتور بايد براساس درجه حرارت هوا در گرمترين منطقه اي که وسيله ممکن است در آن کار کند، صورت گيرد. در آب و هواي سردتر مقدار آب در گردش رادياتور به وسيله ترموستات تنظيم مي‌شود؛ به نحوي که فقط سنجش از قدرت خنک کنندگي رادياتور مورد استفاده قرار گيرد. افزايش دمايي بين ۸ تا ۱۲ درجه براي هواي جاري در رادياتور منظور مي‌شود. افزايش دماي بيشتر متداول نيست؛ به خصوص که در هواي گرم موجب تبخير بنزين در پمپ بنزين و لوله‌هاي رابط در موتور بنزيني مي‌شود و از رسيدن سوخت به موتور جلوگيري به عمل مي‌آيد.

به منظور پيشگيري از سروصداي زياد و مصرف بيش از اندازه توان موتور به وسيله پروانه، افت فشار سمت هوا کمتر از kpa ۱ منظور مي‌شود. توان مصرفي پروانه بايد به قدري باشد که در دور کم موتور و قدرت زياد بتواند هواي کافي از رادياتور عبور دهد. براي اين که حجم رادياتور کوچک باشد معمولا از لوله‌هاي تخت پره-دار استفاده مي‌شود. هرچه تعداد پره بر واحد طول لوله بيشتر باشد، مبدل جمع و جورتر خواهد بود اما گرفتگي سوراخ پره‌ها با ذرات معلق موجود در هوا و حشرات سبب مي‌شود که تعداد پره ها بين ۴۰۰ و ۶۰۰ پره در هر متر باشد.

رادياتور و نحوه انتقال حرارت از سيال گرم به هوا

رادياتور دستگاهي است در سيستم خنک کننده موتور که حجم زيادي از آب اين سيستم را در تماس نزديک با هوا نگه مي دارد تا انتقال حرارت از آب به هوا به خوبي و به سـرعت امکـان پذير باشـد. همچنين مي‌توان گفت رادياتور وسيله اي است که براي نگهداري مقدار زيادي آب در مجاورت حجم بزرگي از هوا به کار مي‌رود؛ به طوري که حرارت بتواند از آب به رادياتور و از رادياتور به هوا منتقل شود.

اجزاي رادياتور از مخزن بالايي و مخزن پاييني و هسته (شبکه) رادياتور تشکيل شده که خود شبکه از لوله‌ها و پره‌ها به وجود آمده است. همچنين به مخزن بالايي يک گلويي که به لوله هوا ارتباط دارد، متصل است.

سيال خنک کننده توسط پمپ به جداره‌هاي سيلندر جريان مي‌يابد. در صورت بالا رفتن درجه حرارت سيال ترموستات مسير را باز مي‌کند و سيال گرم از طريق لوله ورودي رادياتور که در مخزن ورودي آن تعبيه شده است، وارد رادياتور مي شود و پس از خنک شدن به مخزن خروجي جريان مي يابد و پس از خروج توسط لوله خروجي رادياتور، سيکل خود را ادامه مي‌دهد.

انتقال حرارت در رادياتور خودرو به اين صورت است که آب گرم در طول مسير حرکت در رادياتور، گرماي خود را به لوله‌ها منتقل مي-کند و اين گرما از محل اتصال لوله و پره، به پره‌ها منتقل مي شود و سپس گرماي انتقال يافته به پره‌ها نيز توسط جريان هواي اجباري از آنها دفع مي‌شود.

انواع رادياتور

شبکه رادياتورها شامل دو نوع فين تيوب و کروگيت است:

۱) رادياتور فين تيوب (fin-Tube) : در اين نوع رادياتور امتداد لوله‌ها عمود بر راستاي پره‌هاست و لوله‌ها از داخل پره‌ها عبور مي‌کنند.

۲) رادياتورهاي کروگيت (crougate): در اين نوع رادياتورها لوله‌ها از داخل پره‌ها عبور نمي‌کنند بلکه پره‌ها به صورت موجدارند و لوله‌ها در امتداد پره‌ها روي نوک فين قرار داده مي‌شوند.

در حالت کلي مونتاژ رادياتورهاي کروگيت راحت تر و سريع تر از نوع فين تيوب است و امکان اتوماسيون آن وجود دارد ولي رادياتورهاي فين تيوب به دليل درگير شدن لوله و پره با يکديگر، استحکام مکانيکي بيشتري دارند. رادياتورها از لحاظ جنس به دو نوع آلومينيمي و مسي و برنجي تقسيم مي شوند که تکنولوژي ساخت هر يک مي‌تواند Soldering و Brazing باشد.