آشنایی با سیستم خنک‌کاری خودرو و اجزای آن

دلایل استفاده از سیستم خنک‌کاری خودرو چیست؟

موتور اتومبیل‌ها، میزان گرمای مشخصی را می‌توانند تحمل کنند که در اکثر آنها حدود ۴۰۰ درجه فارنهایت است. با وجود پیشرفت تکنولوژی و مدرن شدن خودروها، باز هم یکی از محدودیت‌های موتورهای احتراق داخلی، داغ شدن و تولید گرمای اضافی و بدون استفاده است. شاید باورتان نشود که بیش از ۷۰ درصد سوخت اتومبیل‌ها بعد از احتراق تبدیل به گرمای غیرقابل استفاده می‌شود و فقط ۳۰ درصد آن تبدیل به نیروی محرکه در موتور اتومبیل‌ها خواهد شد. بخش قابل توجهی از گرمای تولیدی احتراق در سیلندرها توسط سیستم اگزوز از بخش موتور خارج می‌شود، اما بخشی از آن به داخل موتور نفوذ می‌کند و باعث گرم شدن بخش پیشرانه اتومبیل‌ها می‌شود. موتورها بر اثر داغ شدن بیش از حد می‌توانند به نقطه شکست خود برسند. اینجاست که نقش سیستم خنک‌کاری خودروها مشخص می‌شود.

در حقیقت این سیستم وظیفه دارد که دمای موتور را در مقدار مطلوب خود نگه دارد. به طور خلاصه‌تر می‌توان گفت که از سیستم خنک‌کاری در اتومبیل‌ها استفاده می‌شود تا هم دمای محفظه احتراق مطلوب باشد و احتراق به شکل بهتر و با آلودگی کمتر انجام شود و هم گرمای بیش از حد سبب نشود که روغن موتور عملکرد موثری نداشته باشد. در ضمن نگه داشتن حرارت در حد مطلوب باعث می‌شود که فرسایش قطعات و اجزای موتور کمتر شود. این نکته را فراموش نکنید که وظیفه اصلی این سیستم ثابت نگه داشتن درجه حرارت موتور است.

انواع سیستم‌ خنک‌کاری و عملکرد آنها

سیستم خنک‌کاری اتومبیل‌ها را در یک دسته‌بندی کلی می‌توان به ۲ دسته تقسیم کرد؛

۱. سیستم خنک‌کاری با هوا

این سیستم برای خنک‌کاری اتومبیل‌ها معمول نیست و در اتومبیل‌های امروزی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. اتومبیلی که از این سیستم استفاده می‌کند و شاید هنوز بتوان آن را در معابر شهری پیدا کرد، فولکس قورباغه‌ای (بیتل) قدیمی یا مدل‌های خیلی قدیمی پورشه است. در این سیستم از یک فن قوی برای به جریان انداختن هوا در داخل بخش موتوری اتومبیل استفاده می‌کنند. در موتورسیکلت‌های با حجم موتور پایین هم همین سیستم برای خنک‌کاری موتور به کار می‌رود. این سیستم خنک‌کاری نسبت به سیستم خنک‌کاری با مایع، ارزان‌تر و نگهداری آن آسان‌تر است، اما آلودگی صوتی و محیط‌زیستی بیشتری دارد و به همین دلیل کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۲. سیستم خنک‌کاری با مایع

همان‌طور که از نام این سیستم هم مشخص است در این سیستم از یک مایع خنک‌کننده مثل آب برای پایین آوردن دمای موتور استفاده می‌کنند. طراحان در اکثر اتومبیل‌های امروزی و همچنین در موتورسیکلت‌های با حجم موتور بالا، این سیستم را برای خنک‌کاری موتور به کار می‌برند. اگر بخواهیم به شکل مختصر عملکرد این سیستم را توضیح دهیم باید بگوییم که در سیستم خنک‌کاری با مایع، آب یا هر مایع خنک‌کننده دیگر توسط یک پمپ از رادیاتور به سمت موتور خودرو هدایت می‌شود. این مایع خنک‌کننده، گرمای موتور را به خود جذب کرده و پس از داغ شدن دوباره به رادیاتور بازمی‌گردد تا خنک شود و این چرخه ادامه یابد.

اجزای سیستم خنک‌کاری خودرو

سیستم خنک‌کاری با مایع از قطعات مختلفی تشکیل شده است که در ادامه به معرفی هر یک از آنها می‌پردازیم.

• رادیاتور

در سیستم خنک‌‌کاری با مایع، وقتی مایع گرمای موتور را به خود جذب کرد به سمت رادیاتور می‌آید. وظیفه اصلی رادیاتور هم این است که این گرما را به جریان هوای اطراف خود منتقل کند و به این شکل گرمای موتور را به محیط بیرون موتور منتقل کند. رادیاتور در بیشتر اتومبیل‌ها درست پشت جلو پنجره قرار می‌گیرد تا در معرض حداکثر جریان هوا باشد. خودش هم از یک سری پره‌ها یا تیوب‌ها یا لوله‌های مارپیچ و زیگزاگی آلومینیومی تشکیل شده است که آب در میان این پره‌ها جریان می‌یابد.

حالا چرا از آلومینیوم در رادیاتور استفاده می‌کنند؟ یادتان باشد که بعد از طلا، نقره و مس می‌توان از آلومینیوم به عنوان چهارمین فلز از نظر رسانایی گرما و حرارت نام برد. در ضمن قطعا قیمت این فلز نسبت به ۳ فلز نام برده شده دیگر ارزان‌تر و همچنین وزن آن کمتر است. مقاومت این فلز هم مقابل زنگ‌زدگی در اثر مجاورت با آب بیشتر است و عمر طولانی‌تری هم دارد. مجموع این دلایل سبب شده که از این فلز در ساخت رادیاتورها استفاده کنند. برخی رادیاتورها را از جنس مس هم می‌سازند. در ضمن یادتان باشد که همیشه در قسمت پایین رادیاتور آب خنک و در قسمت بالای آن آب گرم وجود دارد و این نشان می‌دهد که ورودی رادیاتور در بالا و خروجی آن در پایین است.

• در رادیاتور

برخلاف ظاهر ساده «در رادیاتور»، این قطعه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بد نیست بدانید که مایع داخل سیستم خنک‌کاری اتومبیل مانند یک زودپز تحت فشار قرار دارد. علت هم این است که اگر این فشار وجود نداشته باشد و مایع به شکل فشرده شده در سیستم جریان نیابد، این مایع بر اثر حرارت موتور تبخیر شده و تبدیل به بخار می‌شود. اما نکته مهم دیگر اینجاست که فشار بیش از حد این مایع هم باعث آسیب دیدن قطعات و اتصالات سیستم خنک‌کاری می‌شود. خب چه باید کرد؟ اینجاست که اهمیت «در رادیاتور» مشخص می‌شود. «در رادیاتور» دارای یک مکانیسم شیر جمع‌شونده در فشار بالاست. این شیر جمع شونده مثل یک سوپاپ اطمینان عمل می‌کند و وقتی فشار مایع داخل سیستم بیش از حد مجاز افزایش می‌یابد، این سوپاپ فنری باز شده و مایع از رادیاتور به سمت یک مخزن دیگر به نام منبع انبساط هدایت می‌شود تا فشار مایع کاهش یابد. معمولا افزایش فشاری که باعث عمل کردن درب رادیاتور می‌شود ۱۵ پوند در اینچ است.

• منبع انبساط و شیلنگ سرریز

همانطور که گفته شد مایع داخل سیستم خنک‌کاری تحت فشار است و اگر این فشار به میزان غیرمجاز برسد سوپاپ فنر درب رادیاتور باز شده و مایع از طریق شیلنگ سرریز به سمت منبع انبساط هدایت می‌شود. منبع یا مخزن انبساط در اکثر اتومبیل‌ها، یک ظرف با گنجایش حدود ۲ لیتر و از جنس پلاستیک است. همچنین وقتی فشار مایع در سیستم خنک‌کاری اتومبیل کاهش می‌یابد، خلاء در داخل رادیاتور و لوله‌های سیستم خنک‌کاری به وجود می‌آید و مایع از منبع انبساط به طور خودکار به داخل سیستم بازمی‌گردد.

در حقیقت کاهش فشار و پایین رفتن مایع خنک‌کننده در رادیاتور مثل پیستون یک سرنگ عمل می‌کند و آب را از منبع انبساط به سمت خود می‌کشد. کارکرد دیگر منبع انبساط هم این است که اگر بخواهیم آب یا همان مایع خنک‌کننده به سیستم خنک‌کاری اتومبیل اضافه کنیم دیگر لازم نیست درب رادیاتور را باز کنیم و می‌توانیم آن را به داخل منبع انبساط بریزیم.

• واتر پمپ یا پمپ آب

می‌توان گفت مهم‌ترین قطعه در سیستم خنک‌کاری اتومبیل‌ها همین واتر پمپ است که قلب تپنده این سیستم به حساب می‌آید. وظیفه این پمپ هم به جریان انداختن آب در سیستم خنک‌کاری یا به شکل واضح‌تر در رادیاتور و مجاری اطراف بلوک موتور است، یعنی مایع خنک را از سطح پایین رادیاتور به سمت موتور هدایت می‌کند. واتر پمپ یک پمپ ساده است که نیروی پمپاژ خود را به وسیله تسمه از میل‌لنگ می‌گیرد. البته در اتومبیل‌های مدرن امروزی از واترپمپ‌های برقی هم استفاده می‌شود. اجزای تشکیل دهنده واتر پمپ هم مثل هر پمپ آب دیگری از پروانه، اورینگ یا واشر (گسکت) و همچنین فلنج قرقره تشکیل شده است. مسلما قطعه‌ای که بیشتر آسیب می‌بیند همین اورینگ یا واشر یا همان گسکت پمپ آب است که در صورت خرابی باید تعویض شود.

• ترموستات

در یک کلام می‌توان گفت که ترموستات یک شیر حرارتی ساده است که با سرد شدن بسته و با گرم شدن باز می‌شود. تا وقتی مایع خنک‌کننده داخل سیستم و در بلوک اطراف موتور سرد است و گرمای زیادی ندارد این شیر بسته است و جریان آب در لوله‌های اطراف سیلندرها به کمک واتر پمپ جریان دارد. یعنی در این حالت جریان مایع خنک کننده بدون عبور از رادیاتور، میان موتور و واتر پمپ برقرار است. همانطور که گفته شد گرمای موتور به مایع خنک‌کننده منتقل می‌شود و دمای این مایع لحظه به لحظه افزایش می‌یابد. به محض اینکه این دما بالا رفت و به حدود ۷۱ تا ۸۸ درجه سلسیوس رسید ترموستات عمل کرده و دریچه آن باز می‌شود. باز شدن این شیر حرارتی باعث می‌شود که آب یا مایع خنک‌کننده از بلوک موتور به سمت رادیاتور هدایت شود تا عمل سرد کردن مایع سیستم خنک‌‌کاری انجام شود. در این حالت واتر پمپ هم مایع خنک‌کننده را این بار از رادیاتور به سمت موتور هدایت می‌کند و چرخه به این شکل ادامه می‌یابد. ترموستات معمولا در بالای موتور قرار دارد و در دسترس است.

بد نیست همین‌جا اشاره کنیم که یکی از کارکردهای مهم ترموستات برای عملکرد بهتر بخاری اتومبیل است. در حقیقت اگر این قطعه در سیستم خنک‌کاری اتومبیل وجود نداشت، بخاری خودرو بسیار دیر گرم می‌شد.

• پروانه خنک‌کننده یا فن برقی

کار رادیاتور این است که مایع گرم آمده از سوی موتور را خنک کند و دوباره به سیستم خنک‌کاری بازگرداند، اما این وظیفه چطور انجام می‌شود؟ یک راهش عبور از یک راه طولانی با سطح مقطع کم است که اساسا لوله‌های رادیاتور هم به همین شکل طراحی شده است. یک راه دیگر هم برخورد هوا با این مایع گرم عبوری از رادیاتور است. این کار توسط پروانه خنک‌کننده یا فن برقی انجام می‌شود. در حقیقت این قطعه در سیستم خنک‌کاری مثل یک دمنده عمل می‌کند و وظیفه ایجاد گردش هوا میان لوله‌های رادیاتور را برعهده دارد تا تماس هوا با لوله‌ها به خنک شدن سریع‌تر مایع داخل رادیاتور کمک کند. در اتومبیل‌های قدیمی از یک پروانه برای این منظور استفاده می‌شد که به وسیله یک تسمه و یک پولی، نیروی محرکه را از میل‌لنگ می‌گرفت و به گردش درمی‌آمد. این گردش پروانه دائمی بود و به همین دلیل اصطلاک بسیار زیادی داشت.

طراحان اتومبیل بعد از مدتی تصمیم گرفتند که به جای استفاده از این پروانه‌های مکانیکی، از فن‌های برقی استفاده کنند. برق مورد نیاز این فن‌ها از باتری و دینام تأمین می‌شود و در ضمن همیشه روشن نیستند. در حقیقت در ماشین‌های کاربراتوری از یک فشنگی استفاده می‌شود که با بالا رفتن دمای مایع سیستم خنک‌کاری، این فشنگ عمل کرده و جریان برق برقرار می‌شود. در ماشین‌های انژکتوری هم کار این فشنگ توسط یک سنسور انجام می‌شود. اطلاعات سنسور تشخیص دمای مایع به ECU یا کامپیوتر اتومبیل می‌رود و در آنجا فرمان روشن یا خاموش شدن فن صادر می‌شود.

• تسمه دینام یا تسمه پروانه

یکی از قطعاتی که باید هر چند وقت‌ یکبار در اتومبیل‌ها مورد بازدید قرار گیرد و در صورت لزوم عوض شود همین تسمه دینام یا تسمه پروانه است. تسمه در حقیقت یک حلقه از جنسی انعطاف‌پذیر مثل چرم، لاستیک، پلیمر و… است که ارتباط بین دو شفت دوران‌کننده را برقرار می‌کند. بسیاری از قطعات اتومبیل نیاز به حرکت دورانی دارند و این حرکت را از طریق همین تسمه دینام و به کمک فولی‌ها از میل‌لنگ موتور می‌گیرند. تسمه دینام یا پروانه وظیفه انتقال قدرت موتور یا همان دوران میل‌لنگ به قطعاتی مثل دینام، واتر پمپ سیستم ‌خنک‌کاری، سیستم تهویه مطبوع و پمپ فرمان هیدرولیک را برعهده دارد. در اتومبیل‌های قدیمی، این تسمه کار انتقال نیرو به پروانه سیستم خنک‌کاری را هم انجام می‌دهد و به همین دلیل به نام تسمه پروانه معروف شده است.

• آب یا مایع رادیاتور

در سیستم خنک‌کننده موتور با مایع، نقش اصلی را همان مایع یا اصطلاحا «آب رادیاتور» ایفا می‌کند. قطعا برای این منظور نباید از آب معمولی استفاده کرد، چون هم باعث ایجاد خوردگی در قطعات مختلف سیستم خنک‌کاری می‌شود و هم اینکه امکان یخ‌زدگی آن در فصول سرد سال زیاد است. در گذشته‌های دور از مخلوط آب و الکل برای سیستم خنک‌کاری استفاده می‌شد، این مخلوط تا دمای منفی ۱۵ درجه، یخ نمی‌زد؛ اما دو مشکل داشت؛ یکی اینکه در دمای کمتر از منفی ۱۵ درجه کارایی‌اش را از دست می‌داد و دیگری هم اینکه همچنان وجود ناخالصی و املاح آب داخل آن باعث ایجاد خوردگی می‌شد. اما امروزه از محلول‌هایی استفاده می‌کنند که ما اصطلاحا آنها را به نام «ضد یخ» می‌شناسیم. البته یادتان باشد که این محلول‌ها فقط خاصیت ضد یخ بودن ندارند و ضد جوش هم هستند، به همین دلیل از این محلول باید هم در تابستان و هم در زمستان استفاده کرد. معمولا توصیه عمومی این است که از مخلوط ۵۰ درصد ضد یخ و آب مقطر در سیستم خنک‌کاری اتومبیل‌ها استفاده شود.

• سنسور دمای مایع خنک‌کننده یا فشنگی آب

همانطور که گفته شد در اتومبیل‌های جدیدتر از فن‌های برقی برای خنک کردن مایع رادیاتور استفاده می‌شود که برخلاف پروانه اتومبیل‌های قدیمی به طور دائم کار نمی‌کنند. این فن‌ها زمانی به کار می‌افتند که آب گرم راهی رادیاتور شده باشد. اما چطور این فن‌ها کنترل می‌شوند؟ فشنگی آب یا سنسور دمای مایع سیستم خنک‌کاری دقیقا به همین منظور طراحی شده است. این سنسور یا فشنگی معمولا در محفظه ترموستات قرار دارد و اطلاعات خود را به ECU یا کامپیوتر اتومبیل می‌دهد. از کامپیوتر هم فرمان روشن شدن یا خاموش شدن فن صادر می‌شود. همچنین داده‌های این فشنگی آب یا سنسور برای نمایش دمای موتور به راننده در کابین هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از اتومبیل‌ها بیشتر از یک سنسور و فشنگی دارند و اگر این قطعه خراب شود فن‌ها به درستی عمل نکرده و دمای مایع خنک‌کننده با افزایش بی‌رویه مواجه می‌شود.

• بخاری اتومبیل

بخاری خودروها را هم باید جزو سیستم خنک‌کاری اتومبیل‌ها به حساب آورد. عملکرد این بخاری هم کاملا با گرمای حاصل از مایع داخل سیستم خنک‌کاری در ارتباط است و همین آب از طریق شیلنگ‌ها به داخل بخاری می‌رود. در حقیقت داخل بخاری یک هسته وجود دارد که شبیه رادیاتور است. مایع گرم وارد این هسته می‌شود و به کمک یک دمنده، گرمای آن به داخل کابین اتومبیل منتقل می‌شود.

• پولکی‌های سرسیلندر

مایع سیستم خنک‌کننده در محفظه اطراف سیلندرها و سرسیلندر که به آنها بلوک موتور هم گفته می‌شود جریان دارد و گرمای موتور را می‌گیرد. این مایع همان‌طور که گفته شد مخلوطی از آب مقطر و ضد یخ است. حالا اگر یک راننده بر اثر غفلت از ضد یخ استفاده نکند و آب خالی را داخل سیستم خنک‌کاری بریزد، ممکن است در فصول سرد سال باعث ایجاد یخ‌زدگی و در نهایت ترکیدن یا ترک برداشتن سرسیلندر شود.

طراحان موتور اتومبیل برای ساخت سرسیلندر از روش ریخته‌گری در قالب‌های شنی استفاده می‌کنند. خب در نهایت و با سرد شدن فلز مذاب، باید این شن‌ها از داخل قطعه خارج شوند که برای این کار سوراخ‌های بزرگی را روی سرسیلندر ایجاد می‌کنند. طراحان در پایان کار، این سوراخ‌ها را با پولی‌هایی از جنس فولاد مسدود می‌کنند. یک فایده این پولی‌ها این است که وقتی از روی فراموشی، آب خالی داخل سیستم خنک‌کاری ریخته می‌شود و یخ‌زدگی صورت می‌گیرد، این پولی‌ها از جایشان خارج می‌شود و سرسیلندر آسیب نمی‌بیند.