سیستم خنک کاری موتور احتراق داخلی

به منظور خنک‌کاری موتورهای احتراق داخلی، از هوا یا سیال به عنوان ماده خنک‌کاری استفاده می‌شود تا حرارت پسماند از موتور احتراق داخلی خارج شود. در موتورهای کوچک‌تر یا موتورهایی که برای اهداف خاص ساخته شده‌اند، برای خنک‌کاری با استفاده از هوای جو، یک سیستم سبک و نسبتاً ساده به حساب می‌آید. برای واترکرفت‌ها (وسایل‌نقلیه روی آب) می‌توان به صورت مستقیم از آبی که در پیرامون موتور قرار می‌گیرد، برای خنک‌کاری موتور استفاده نمود. در موتورهایی که با آب خنک می‌شوند و در واترکرفت‌ها از آن‌ها استفاده می‌شود، حرارت پسماند از حلقه بسته آب از طریق موتور و به وسیله یک رادیاتور به جو اطراف پمپ می‌شود.

آب دارای ظرفیت حرارتی بیشتری نسبت به هوا است و بنابراین، می‌تواند حرارت را با سرعت بیشتری از موتور خارج کند. اما استفاده از رادیاتور و سیستم پمپ باعث می‌شود تا وزن بیشتر شده و پیچیدگی و هزینه آن نیز بیشتر است. در موتورهایی که قدرت آن‌ها بیشتر است، حرارت پسماند بیشتری تولید می‌شود، اما می‌توانند وزن بیشتری را به حرکت در آورند. بنابراین، استفاده از هوا برای موتور‌های مستقیم، موتورهای تخت و موتورهای V به عنوان مزیت به حساب می‌آید. در موتورهای دوار نیز از همین پیکربندی استفاده می‌شود، اما سیلندرها نیز همواره می‌چرخند و حتی در زمان‌هایی که خودرو ایستاده است، باز هم جریان هوا وجود دارد.

در طراحی هواپیماها از مدل‌های سبک‌تر و هواخنک استفاده می‌شود. استفاده از موتورهای دوار در هواپیماها تا پایان زمان جنگ جهانی اول معمول بوده است، اما مشکلات جدی در خصوص پایداری و کارآیی در این موتورها وجود داشته است. استفاده از موتورهای رادیال نیز پایان جنگ جهانی دوم معمول بوده است، تا این‌که توربین‌های گازی تا حد زیادی جایگزین آن‌ها شده‌اند. هواپیماهای ملخی که دارای موتورهای احتراق داخلی هستند، هنوز هم بیشتر هواخنک هستند. موتورسیکلت‌های امروزی سبک‌تر از خودروها هستند و سیال خنک‌کاری در هر دوی آن‌ها یکی است. برخی از موتورسیکلت‌های مسابقه‌ای، هم با هوا و هم با روغن خنک می‌شوند (این سیال در زیر سرهای پیستون اسپری می‌شود).

مرور کلی خنک کاری

در موتورهای حرارتی، توان مکانیکی با استخراج انرژی از جریان‌ حرارت تولید می‌شود، درست همان‌گونه که در چرخ‌های آبی، توان مکانیکی از جریان یک جرم از یک فاصله مشخص به وجود می‌آید. تمامی موتورها به طور کامل کارآمد نیستند، زیرا خروجی توان مکانیکی کمتر از آن مقدار انرژی است که وارد موتور می‌شود؛ تفاوت این مقدار به صورت اتلاف حرارتی است که باید از بین برود. در موتورهای احتراق داخلی، این اتلاف از طریق سردکردن هوای مکش، گازهای داغ اگزوز و خنک‌کاری موتور از بین می‌روند.

در موتورهایی که بازده بیشتری دارند، انرژی بیشتری به صورت حرکت مکانیکی و مقدار کمتری به صورت حرارت تلف می‌شود. وجود مقداری اتلاف حرارت ضروری است: این مقدار، حرارت را از موتور بیرون می‌راند، درست همان‌گونه که یک چرخ آبی تنها در صورتی کار می‌کند که یک مقدار سرعت (انرژی) خروجی در اتلاف آب وجود داشته باشد تا آن را به بیرون براند و فضایی را برای مقدار بیشتری آب فراهم نماید. بنابراین، در تمامی انواع موتورها باید خنک‌کاری وجود داشته باشد تا موتور بتواند کار کند.

خنک‌کاری همچنین به این دلیل نیاز است که دماهای بالا می‌توانند به مواد و روانکارها آسیب رسانده و این امر، در اقلیم‌های داغ اهمیت بیشتری هم دارد. در موتورهای احتراق داخلی، دمای سوختن سوخت بیشتر از دمای ذوب مواد به کار رفته در موتور است و دما آن‌قدر بالا است که روانکارها را آتش می‌زند. خنک‌کاری موتور باعث می‌شود تا انرژی با سرعت خارج شده و دما به قدری پایین نگه داشته شود که موتور از بین نرود.

در برخی از موتورها سیستم مشخصی برای خنک‌کاری در نظر گرفته نشده و حرارت به صورت اتفاقی خارج می‌شود. به این نوع طراحی، بی‌دررو گفته می‌شود. این موتورها می‌توانند بازده بسیار بالایی داشته باشند، اما خروجی قدرت، چرخه وظیفه، وزن موتور، دوام و میزان نشر آلاینده‌ها دچار مشکل می‌شوند.

بیشتر بخوانید:رادیاتور آب خودرو

اصول پایه خنک کاری

بیشتر موتورهای احتراق داخلی با سیال خنک می‌شوند. در این موتورها خنک‌کاری به وسیله هوا (یا یک سیال گازی) یا به وسیله مایع از طریق یک مبدل حرارتی (رادیاتور) انجام می‌شود که با هوا خنک می‌شود. موتورهای به کار رفته در وسایل دریایی و همچنین برخی از موتورهای ثابت دیگر به آسانی به حجم زیادی از آب با دمای مناسب دسترسی دارند. ممکن است از آب به صورت مستقیم برای خنک‌کاری استفاده شود. اما در این آب‌ها معمولاً رسوباتی وجود دارند که می‌توانند مجاری خنک‌کاری را مسدود سازند یا این‌که مواد شیمیایی همچون نمک در این آب‌ها وجود دارند که از نظر شیمیایی به موتور آسیب می‌رسانند. بنابراین، خنک‌کاری موتور به وسیله یک مبدل حرارتی انجام می‌شود که خود، با استفاده از آب سرد می‌شود.

در بیشتر موتورهایی که با آب خنک می‌شوند، از مخلوطی از آب و مواد شیمیایی مانند ضدیخ و ضدزنگ استفاده می‌شود. اصطلاح صنعتی برای مخلوط ضدیخ، همان «خنک‌کار موتور» است. در برخی از ضدیخ‌ها اساساً هیچ آبی وجود ندارد و در عوض، از مایع دیگری با خواص متفاوت استفاده می‌شود که از آن جمله می‌توان به پروپیلن گلیکول یا ترکیبی از پروپیلن گلیکول و اتیلن گلیکول اشاره نمود. در بیشتر موتورهای هواخنک نیز از مقداری مایع خنک‌کار روغنی استفاده می‌شود تا دمای قابل قبول، هم در اجزای بحرانی موتور و هم در خود روغن برقرار شود. در بیشتر موتورهایی که با مایع خنک می‌شوند، از هوا برای خنک‌کاری استفاده می‌شود و محفظه احتراق با استفاده از هوا خنک می‌شود. یکی از استثنائات در این زمینه، موتورهای ونکل هستند. در این موتورها، برخی از قطعات محفظه احتراق هرگز با مکش خنک نمی‌شوند و برای خنک‌کاری ضروری است تا کارهای دیگری انجام شود.

تقاضاهای بسیاری برای سیستم‌های خنک‌کاری وجود دارد. یکی از الزامات اساسی برای خنک‌کاری، این است که کل موتور باید در نظر گرفته شده و سرد شود، زیرا اگر بعضی از قسمت‌های موتور سرد نشوند، کل موتور از کار می‌افتد. بنابراین، بسیار مهم است که سیستم خنک‌کاری بتواند تمامی قطعات موتور را خنک کرده و در دمای پایین نگه دارد. در موتورهایی که با استفاده از مایع خنک می‌شوند، مجاری عبور سیال دارای اندازه‌های مختلفی هستند تا مقدار سیالی که از بخش‌های مختلف موتور عبور می‌کند، به میزان مناسب برای آن قسمت باشد. در محل‌هایی که دماها بسیار بالا هستند (جزیره‌های باریک در پیرامون محفظه احتراق) یا در قسمت‌هایی که جریان حرارت زیاد است (پیرامون درگاه‌های خروجی)، نیاز به خنک‌کاری بیشتر است. این امر باعث می‌شود تا از ایجاد نقاط داغ پیشگیری شود که خنک‌کاری آن‌ها با هوا بسیار دشوار است. در موتورهای هواخنک، ظرفیت خنک‌کاری با استفاده پره‌های دارای فاصله نزدیک در آن منطقه متفاوت است و این امر می‌تواند تولید آن‌ها را دشوارتر و گران‌تر کند.

صرفاً بخش‌های ثابت موتور مانند بلوک و سرسیلندر به صورت مستقیم با سیستم خنک‌کاری اصلی خنک می‌شوند. قسمت‌های متحرک موتور مانند پیستون‌ها و تا حدود کمتری، میل‌لنگ و شاتون‌ها نیز باید با استفاده از روغن به عنوان سیال خنک‌کاری، خنک شوند یا این‌که باید مقداری کمتر از هدایت حرارتی در بلوک استفاده شده و سیال خنک‌کار اصلی نیز وجود داشته باشد. در موتورهای دارای عملکرد بالا همواره از مقداری روغن اضافی نیز استفاده می‌شود که بیشتر از مقدار روانکار مورد نیاز است. این روغن اضافی به سمت بالا در پایینِ پیستون اسپری می‌شوند تا مقداری خنک‌کاری بیشتر در آن ایجاد شود. در موتورسیکلت‌های هواخنک نیز اساساً از خنک‌کاری به وسیله روغن، علاوه بر خنک‌کاری با استفاده از هوا برای تنه سیلندرها استفاده می‌شود.

در موتورهایی که با مایع خنک می‌شوند، معمولاً یک پمپ برای چرخش سیال وجود دارد. در موتورهای اولیه که در آن‌ها از سیفون حرارتی به منظور خنک‌کاری استفاده می‌شد، سیال خنک‌کننده که داغ می‌شد، از بالای بلوک موتور به سمت بیرون رفته و از طریق رادیاتور خارج می‌شود. این سیال سرد شده و به سمت پایین موتور می‌رفت. نیروی محرک این چرخش، اساساً همرفت بود.

سایر پارامترهایی که باید در نظر گرفته شوند، عبارتند از هزینه، وزن، قابلیت اطمینان و دوام در خود سیستم خنک‌کاری.

انتقال حرارت با استفاده از هدایت، متناسب با اختلاف دمای بین مواد مختلف است. در صورتی که فلز موتور در دمای 250 °C قرار داشته و دمای هوا برابر با 20 °C باشد، اختلاف دما در خنک‌کاری برابر با 230 °C است. در موتورهای هواخنک از تمامی این اختلافات استفاده می‌شود. در مقابل، در موتورهایی که با سیال خنک می‌شوند، حرارت از موتور به سیال منتقل می‌شود و دمای سیال تا 135 °C می‌شود (در صورتی که سیستم خنک‌کاری تحت فشار قرار گیرد و از مخلوطی از ضدیخ هم استفاده شده باشد)، نقطه جوش آب می‌تواند بیشتر از 100 °C شود. در هر مرحله، موتور سیال‌خنک دارای اختلاف دمایی برابر با نصب است و در ابتدا به نظر می‌رسد که سطح خنک‌کاری باید دو برابر باشد.

در هر صورت، ویژگی‌های واسط خنک‌کننده (آب، روغن یا هوا) نیز بر خنک‌کاری تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، آب و روغن را به عنوان واسط خنک‌کاری در نظر بگیرید. یک گرم روغن می‌تواند در حدود 55 درصد از حرارت را از همان مقدار افزایش در دما جذب کند (که به این مقدار، ظرفیت ویژه حرارتی گفته می‌شود). چگالی روغن در حدود 90 درصد آب است. بنابراین، یک مقدار مشخص از روغن می‌تواند تنها در حدود 50 درصد از انرژی برای همان مقدار آب را جذب کند. هدایت حرارتی آب در حدود چهار برابر بیشتر از هدایت حرارتی روغن است و این امر، می‌تواند به انتقال بهتر حرارت کمک کند. ویسکوزیته روغن ده برابر بیشتر از آب است و این امر باعث می‌شود تا انرژی لازم برای پمپ روغن به منظور خنک‌کاری بیشتر شود و توان خالص خروجی از موتور کاهش می‌یابد.

با مقایسه آب و هوا نیز ملاحظه می‌شود که هوا، دارای ظرفیت حرارتی بسیار کمتری به ازای هر گرم و به ازای حجم (4000) است و هدایت حرارتی آن نیز کمتر از یک دهم است، اما ویسکوزیته بسیار کمتری هم دارد (در حدود 200 برابر کمتر: 17.4 × 10^-6 Pa.s برای هوا در برابر 8.94 × 10⁻⁴ Pa·s برای آب). با محاسبه آن‌چه در پاراگراف بالا آمده است، برای خنک‌کاری با هوا ضروری است تا مساحت سطح ده برابر باشد، بنابراین سرعت در فن‌ها برای هوا 2000 برابر با سرعت جریان باید باشد و بنابراین، فن لازم برای گردش هوا نیز باید ده برابر بیشتر از توان یک پمپ گردش آب است.

حرکت حرارت از روی سیلندر به سطحی بزرگ‌تر به منظور خنک‌کاری هوا می‌تواند مشکلاتی را ایجاب نماید که از آن جمله می‌توان به دشواری در تولید شکل‌هایی اشاره نمود که برای انتقال حرارت خوب مورد نیاز هستند. همچنین فضای مورد نیاز برای جریان حجم زیادی از هوا نیز یکی دیگر از این مشکلات به حساب می‌آید. آب تقریباً در همان دمایی به جوش می‌آید که برای کارکرد موتور مورد نیاز است. این امر این مزیت را نیز دارد که مقدار زیادی انرژی با افزایشی اندک در خنک‌کاری موتور جذب می‌شود (که به آن حرارت تبخیر می‌گویند). این مقدار برای خنک‌نگه‌داشتن همه چیز خوب است. به ویژه این‌که یک جریان از سیال بر روی چندین جسم داغ به حرکت در آمده و آن‌ها را به دمای یکنواخت می‌رساند. در مقابل، هوا از روی چندین جسم داغ که به صورت موازی در هر مرحله گرم می‌شوند، عبور می‌کند و در نتیجه، ممکن است که اولین جسم بیش از حد سرد شود و آخرین جسم، کمتر از اندازه خنک شود. اما زمانی که آب به جوش می‌آید، حباب‌های روی آب به صورت عایق عمل می‌کنند و در نتیجه، خنک‌کاری به ناگهان کاهش می‌یابد. با مخلوط‌شدن آب با سایر خنک‌کننده‌ها نیز بخار به آب بر می‌گردد و در نتیجه، گیج دمای موتور ممکن است که دمای قابل قبولی را نشان دهد و این در حالی است که دما در محل به قدری بالا است که می‌تواند به موتور آسیب وارد نماید.

در بخش‌های مختلف یک موتور لازم است تا دماهای مختلفی وجود داشته باشند. ورودی موتور، شامل کمپرسور توربو و شیپورک‌های ورودی و سوپاپ‌های ورودی باید تا بیشترین حد ممکن سرد نگه داشته شوند. با استفاده از یک مبدل حرارتی همزمان با خنک‌کاری اجباری می‌توان این کار را انجام داد. دیواره‌های سیلندر نباید پیش از تراکم، هوا را خنک کنند اما باید در زمان احتراق، گاز را خنک نمایند. یکی از تعادل‌ها در این‌جا همان دمای 90 °C است. ویسکوزیته روغن دقیقاً در همین دما به بهترین مقدار ممکن خود می‌رسد. در صورتی که اگزوز و توربین توربوشارژر خنک شود، مقدار توان موجود در توربین کاهش می‌یابد، بنابراین سیستم اگزوز بین موتور و توربوشارژر را معمولاً عایق می‌کنند تا گازهای خروجی تا بیشترین حد ممکن داغ بمانند.

دمای هوای خنک‌کاری نیز ممکن است از زیر دمای یخ‌ تا دمای 50 °C متغیر باشد. علاوه بر این، موتورهای مورد استفاده در کشتی‌های سالن‌دراز و موتورهای ریلی در بارهای ثابت هم کار می‌کنند، اما در موتورهای خودروهای جاده‌ای، اساساً بارها متغیر هستند و خیلی سریع هم تغییر می‌کنند. بنابراین، سیستم خنک‌کاری به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند موتور را خیلی سریع خنک کند تا موتور نه بیش از حد گرم و نه بیش از حد خنک شود. برای تنظیم میزان خنک‌کاری در این سیستم‌ها از تجهیزات مختلفی استفاده می‌شود که عبارتند از: بافل‌هایی که در جریان هوا قرار دارند (به این تجهیزات، «شاتر» هم گفته می‌شود که معمولاً با یک «شاتراستات» نیوماتیکی کار می‌کند)؛ یک فن که یا به صورت مستقل از موتور، مثلاً به صورت فن الکتریکی کار می‌کند یا این‌که یک کلاچ قابل تنظیم دارد؛ شیر ترموستات یا یک ترموستات که می‌تواند جریان سیال خنک‌کاری را زمانی که سرد می‌شود، مسدود کند. علاوه بر این، موتور، خنک‌کننده و مبدل حرارتی دارای مقداری ظرفیت حرارتی هستند که افزایش دما را در دوره‌های کوتاه تعدیل می‌کند. در برخی از موتورها نیز در صورتی که موتور بیش از حد مشخص داغ شود، موتور خاموش می‌شود یا میزان سوپاپ آن به نصف کاهش می‌یابد. در برخی از کنترل‌های برقی موتور نیز خنک‌کاری بر اساس سوپاپ انجام می‌شود تا افزایش دما پیش‌بینی شود و خروجی توان موتور نیز محدود می‌شود تا خنک‌کاری نهایی تعدیل شود.

در نهایت این‌که دغدغه‌های دیگری هم وجود دارند که در طراحی سیستم‌های خنک‌کاری مد نظر قرار داده می‌شوند. به عنوان مثال، هوا یک سیال خنک‌کاری نسبتاً ضعیف به شمار می‌آید، اما سیستم‌های هواخنک نسبتاً ساده هستند و نرخ‌های خرابی نیز معمولاً با مربع تعدادِ نقاطِ خرابی افزایش می‌یابند. همچنین، در صورتی که نشتی هوای خنک‌کاری کم باشد، ظرفیت خنک‌کاری صرفاً اندکی کاهش می‌یابد. با توجه به این‌که قابلیت‌اطمینان بیشترین اهمیت را مثلاً در یک هواپیما دارد، بنابراین باید یک مبادله خوب با کارآیی، طول عمر (بازه بین بازیابی موتور) و مناسب‌بودن در نظر گرفته شود تا بتوان به بیشترین قابلیت‌اطمینان ممکن دست یافت؛ پیامدهای ناشی از خرابی در موتور یک هواپیما بسیار وخیم است و بنابراین، اندکی افزایش در قابلیت‌اطمینان، ارزش آن را دارد که سایر ویژگی‌های خوب را در نظر نگیریم.

استفاده از موتورهای هواخنک و موتورهای سیال‌خنک، هر دو مرسوم است. هر یک از این دو مدل دارای مزایا و معایب مختلفی است و در کاربردهای مختلف، ممکن است یکی از این دو بر دیگری برتری داشته باشد. به عنوان مثال، در بیشتر خودروها و کامیون‌ها از موتورهای سیال‌خنک استفاده می‌شود، اما در بسیاری از هواپیماها و موتورهای کم‌هزینه از مدل هواخنک استفاده می‌شود.

یک نمونه رادیاتور موتور برای خنک‌کاری که در یک خودرو از آن استفاده می‌شود.

مشکلات مرتبط با تعمیم

بسیار دشوار است که بخواهیم موتورهای هواخنک و سیال‌خنک را به یکدیگر تعمیم دهیم. از موتورهای دیزلی هواخنک، به دلیل قابلیت‌اطمینان بالایی که دارند، حتی در حرا‌رت‌های بسیار شدید هم استفاده می‌شود، زیرا خنک‌کاری با هوا ساده‌تر بوده و نسبت به سیستم‌های خنک‌کاری با آن، این موتورها در آب‌ و هواهای بسیار سرد در زمستان یا هوای بسیار داغ تابستان، بهتر خود را با شرایط آب و هوایی وفق می‌دهند. از این موتورها معمولاً در شرایطی استفاده می‌شود که قرار است تا موتور بدون مراقبت‌های کافی به مدت بسیار زیاد کار کند.

به همین ترتیب، مطلوب آن است که تعداد مراحل انتقال حرارت کم شوند تا اختلاف دما در هر یک از مراحل بیشتر شود. اما در موتورهای دیزلی دومرحله‌ای دترویت (Detroit Diesel) معمولاً از خنک‌کاری روغن به وسیله آب انجام می‌شود و خود آب نیز به وسیله هوا خنک می‌شود.

سیال خنک‌کننده‌ای که در بیشتر موتورهای سیال‌خنک از آن استفاده می‌شود، باید به صورت دوره‌ای عوض شود. این سیالات در دماهای معمولی ممکن است یخ بزنند و وقتی منبسط می‌شوند، آسیب‌های دائمی به موتور خودروی شما وارد می‌کنند. در موتورهای هواخنک، اما دیگر نیازی به سرویس سیال خنک‌کننده وجود ندارد. هوا یخ نمی‌زند. این‌ها دو مزیتی است که معمولاً برای موتورهای هواخنک از آن یاد می‌شود. اما سیالات خنک‌کننده با پایه پروپیلن گلیکول تا دمای −55 °C به صورت مایع هستند که بسیار خنک‌تر از دمایی است که در بسیاری از موتورها وجود دارد؛ زمانی که این سیال به صورت کریستالی در می‌آید، اندکی آب می‌رود و بنابراین، از ایجاد آسیب جلوگیری می‌شود. این سیالات دارای دوره عمر خدمتی بیشتر از 10000 ساعت هستند که اساساً همان دوره عمر مربوط به بسیاری از موتورهای مختلف است.

معمولاً به سختی می‌توان میزان آلاینده‌ها یا میزان سر و صدا را در موتورهای هواخنک کم کرد و همین دو مسأله، دو دلیلی هستند که در بیشتر خودروهای جاده‌ای از موتورهای سیال‌خنک استفاده می‌شود. همچنین، معمولاً تولید موتورهای هواخنک بزرگ دشوار است و به همین دلیل، بیشتر خودروهای هواخنک دارای توانی کمتر از 500 kW (670 اسب بخار) هستند و این در حالی است که توان خودروهای سیال‌خنک بیشتر از 80 MW (107000 اسب بخار) (در خودروی دیزلی 14 سیلندر Wärtsilä-Sulzer RTA96-C) است.

خنک‌کاری با هوا

خودروها و کامیون‌هایی که در آن‌ها از خنک‌کاری مستقیم به وسیله هوا (بدون هیچ‌گونه سیال واسط دیگر) استفاده می‌شده است، از دیرباز و از همان ابتدا استفاده شده است. تولید این خودروها با تغییرات اندکی که به صورت غیررسمی هم بوده است، به پایان رسیده است. پیش از جنگ جهانی دوم، خودروها و کامیون‌هایی که با آب خنک می‌شده‌اند، در هنگام صعود از جاده‌های کوهستانی بیش از حد داغ می‌شده‌اند و آبفشان‌هایی از آب جوش در آن‌ها به وجود می‌آمده است. این مسأله در این خودروها عادی به حساب می‌آمد و در جاده‌های کوهستانی تعمیرگاه‌هایی بودند که این خودروها را تعمیر می‌کردند.

در ACS (اتوکلاب سوئیس) خودروهای قدیمی از آن دوره نگهداری می‌شوند که از آن جمله می‌توان به Susten Pass اشاره نمود که در آن دو ایستگاه برای پرکردن رادیاتور وجود دارد. در این خودروها یک پلاک چدنی دیده می‌شود که دستورات بر روی آن نوشته شده است و یک محل استوانه‌ای برای پرکردن آب از زیر دیده می‌شود که می‌توان آن را نزدیک به شیر آب قرار داد. آن قسمت استوانه‌ای پایینی به این منظور است که پایین نیفتد و بنابراین، در نزدیکی‌های خانه کاربردی ندارد، هر چند که ممکن است دزدیده شود.

در آن دوره، شرکت‌های اروپایی مانند Magirus-Deutz کامیون‌هایی با موتورهای دیزلی هواخنک تولید می‌کردند. پورشه نیز تراکتورهای هواخنک برای مزارع می‌ساخت. شرکت فولکس‌واگن هم به خاطر خودروهای سواری هواخنک خود مشهور شده بود. در کشور ایالات متحده نیز کارخانه فرانکلین موتورهای هواخنک تولید می‌کرد.

سال‌های سال از خودروهای هواخنک در صنعت نظامی استفاده می‌شد، زیرا خودروهایی که با مایعات خنک می‌شوند، در اثر ضربات گلوله بیشتر آسیب‌پذیر هستند.

شرکت تاترا که یکی از شرکت‌های خودروسازی در کشور جمهوری چک است، به خاطر جابجایی زیاد در موتورهای V8 هواخنک خود به شهرت رسیده است؛ یکی از مهندسین این شرکت به نام Julius Mackerle کتابی را در این زمینه به چاپ رسانده است. موتورهای هواخنک بهتر می‌توانند خود را با دماهای بسیار سرد و بسیار گرم وفق دهند: بله، شما می‌توانید ببینید موتورهای هواخنکی را ببینید که در شرایط یخ‌زدگی هم روشن شده‌اند و این در حالی است که خودروهای آب‌خنک نمی‌توانند در این دماها تاب بیاورند. این خودروها در شرایطی به کار خود ادامه می‌دهند که در آن، در موتورهای آب‌خنک جت‌هایی از بخار آب تشکیل می‌شود. موتورهای هواخنک از جنبه ترمودینامیکی نیز مزیت‌هایی دارند، زیرا دمای کاری آن‌ها بیشتر است. بدترین مشکلی که در موتورهای هواخنک در هواپیماها به چشم می‌خورد، چیزی است که از آن به عنوان «شوک خنک‌کاری» یاد می‌شود. زمانی که هواپیما پس از صعود در حالت کروز قرار می‌گیرد یا با سوپاپ باز در سطح پرواز می‌کند و هیچ باری بر روی موتور نیست و گرمای کمتری در موتور تولید می‌شود، میزان جریان هوایی که موتور را خنک می‌کند، افزایش می‌یابد. در این حالت، چون دمای قسمت‌های مختلف موتور با هم فرق دارند و بنابراین، میزان انبساط نیز در آن‌ها متفاوت است، احتمال آن می‌رود که موتور دچار مشکلات و خرابی‌های فاجعه‌باری شود. در چنین شرایطی، موتور ممکن است از کار بیفتد و هرگونه تغییر ناگهانی یا عدم تعادل در رابطه بین حرارت تولیدشده در موتور و حرارتی که به واسطه خنک‌کاری منتشر می‌شود، باعث می‌شود تا خوردگی در موتور بیشتر شود. دلیل این امر هم می‌تواند انبساط مختلف در قسمت‌های مختلف موتور باشد. با این تفاسیر می‌توان گفت که در این حالت، موتورهای سیال‌خنک پایدارتر هستند و دمای کاری آن‌ها نیز یکنواخت‌تر است.

یک سیلندر در موتور هواپیمایی هواخنک، Continental C85. به ردیف‌هایی که روی فن‌ها در هر دو طرف بدنه سیلندر قرار گرفته و همچنین به سر سیلندر آلومینیومی در شکل توجه کنید. استفاده از فن‌ها باعث می‌شود تا سطح بیشتری برای عبور هوا از روی سیلندر و در نتیجه، جذب حرارت فراهم شود.

خنک‌کاری با مایع

سیال خنک‌کاری در رادیاتور خودرو در حال تعویض و نو شدن

امروزه بیشتر خودروها و موتورهای بزرگ IC (احتراق داخلی) با استفاده از مایعات خنک می‌شوند.

سیستم خنک‌کاری کاملاً بسته برای موتور IC (احتراق داخلی)

سیستم خنک‌کاری باز برای موتور IC (احتراق داخلی)

از خنک‌کاری با مایع همچنین در موتورهای وسایل دریایی (کشتی‌ها) نیز استفاده می‌شود. در کشتی‌ها اساساً از خود آب دریا نیز برای خنک‌کاری استفاده می‌شود. در برخی از موارد، از خنک‌کارهای شیمیایی (در سیستم‌های بسته) نیز استفاده می‌شود یا این‌که ممکن است آن‌ها را با آب دریا برای خنک‌کاری مخلوط کنند.

سیستم خنک‌کاری نیمه‌بسته برای موتور IC (احتراق داخلی)

گذار از سیستم‌های خنک‌کاری با هوا

در ابتدای جنگ جهانی دوم بود که رویکرد خنک‌کاری از سمت موتورهای هواخنک به سمت مایع‌خنک گروید. در آن زمان، ارتش ایالات متحده به خودروهایی قابل‌اطمینان نیاز پیدا کرده بود. به همین دلیل، موضوع جوش‌آمدن در موتورها مورد توجه قرار گرفت. تحقیقات زیادی در این زمینه انجام شد و در نهایت، راهکاری برای آن پیدا شد. رادیاتورها و بلوک‌های موتور قبلی به درستی طراحی شده بودند و توانسته بودند تا تست‌های مورد نظر را نیز پشت سر بگذارند، اما در این موتورها از پمپ‌های آبی استفاده می‌شد که آب‌بند «طنابی» بودند و روغن از بخش گرافیتی آن‌ها نشت می‌کرد. این آب‌بند بر روی شفت پمپ قرار داشت. در طراحی این آب‌بند از موتورهای بخار الهام گرفته شده بود که در آن‌ها از دست‌دادن آب، دغدغه به حساب نمی‌آمد، زیرا موتورهای بخار حجم زیادی از آب را با خود حمل می‌کردند. با توجه به این‌که آب‌بند پمپ اساساً زمانی نشتی پیدا می‌کند که پمپ کار می‌کند و آب هم داغ شده است، بنابراین زمانی که پمپ در حال کار است و دمای موتور هم بالا رفته است، مقداری آب به صورت نامعلوم از بین می‌رود. در این حالت زمانی که موتور متوقف شده و خنک می‌شود، در بهترین شرایط هم مقداری رد زنگ بر روی آن باقی می‌ماند و بنابراین، کم‌شدن آب چندان محسوس نمی‌شود. در رادیاتورهای خودروها (یا به عبارتی همان مبدل‌های حرارتی)، یک خروجی وجود دارد که آب خنک را به سمت موتور هدایت می‌کند و در موتور هم یک مجرای خروجی وجود دارد که آب داغ را به سمت رادیاتور می‌برد. یک پمپ دوار نیز آب را به چرخش در می‌آورد. این پمپ تأثیری اندک دارد و باید همواره با سرعت‌های مختلفی کار کند، به طوری که پره آن کمترین اثر را به عنوان پمپ داشته باشد. زمانی که از پمپ نشتی وجود داشته باشد، آب خنک‌کننده تخلیه شده و به اندازه‌ای کم می‌شود که پمپ، دیگر نمی‌تواند آب را به بالای رادیاتور برگرداند. بنابراین چرخش آب متوقف شده و آب در موتور به جوش می‌آید. اما چون کم‌شدن آب منجر به افزایش بیش از حد حرارت و از دست‌رفتن آب بیشتر به واسطه جوش‌آمدن می‌شود، کم‌شدن اولیه آب چندان مشهود نیست.

پس از آن‌که مشکل پمپ برطرف شد، خودروهای نظامی (و نه خودروهای غیرنظامی که در آن دوره تولید می‌شدند)، مجهز به پمپ‌های آبی با آب‌بندهای کربنی شدند که دیگر نشتی نداشتند و هیچ آبفشانی در آن‌ها دیده نمی‌شد. در همان زمان، ایده هواخنک پیشرفته نیز برای موتورهایی که جوش می‌آوردند، مطرح شد. هر چند که مشکل جوش‌آوردن، دیگر مشکل به حساب نمی‌آمد. پس از دوران جنگ نیز شرکت فولکس‌واگن شروع به تبلیغ برای خودروهایی کرد که دیگر جوش نمی‌آوردند، هر چند که خودروهای جدید آب‌خنک هم مشکل جوش‌آوردن نداشتند، اما خودروهای فولکس‌واگن هم به خوبی فروش می‌رفتند. اما پس از آن‌که مسائل مربوط به کیفیت هوا در دهه 1960 مطرح شد و قانون آلاینده‌ها نیز به تصویب رسید، گازهای بدون سرب جایگزین گازهای سرب‌دار شدند و مخلوط‌های تمیزتر سوخت به عنوان استاندارد در آمدند. شرکت سوبارو نیز از روش مایع‌خنک در موتورهای سری EA (تخت) خود استفاده کرد که آن‌ها را در سال 1966 به بازار عرضه نمود.

موتورهای دارای دفع حرارتی اندک

رده خاصی از موتورهای پیستونی احتراق داخلی به صورت نمونه و آزمایشی، طی سال‌های متمادی توسعه یافته‌اند. هدف از ابداع این موتورها نیز بهبود در بازده و در عین حال، کاهش حرارت موتور بوده است. به این موتورها معمولاً موتورهای بی‌دررو گفته می‌شود و دلیل آن هم، نزدیکی بیشتر آن‌ها به انبساط بی‌دررو است. این موتورها حرارت را کمتر دفع می‌کنند و موتورهایی با حرارت زیاد هستند. این موتورها بیشتر دارای محفظه‌های احتراقی هستند که در آن‌ها از پوشش‌های مانع حرارتی سرامیکی استفاده می‌شود. برخی از این موتورها دارای پیستون‌های تیتانیومی و برخی قطعات دیگر از جنس تیتانیوم هستند. دلیل استفاده از تیتانیوم هم همان هدایت حرارتی و جرم اندک آن است. در برخی از این مدل‌ها می‌توان از سیستم خنک‌کاری استفاده نکرده و در نتیجه افت‌های آزاردهنده نیز در آن‌ها کمتر است. روانکارهایی ابداع شده‌اند که می‌توانند حرارت‌های بیشتری را نیز تحمل کنند که این حرارت‌های بالاتر در واقع مانعی عمده در سر راه تجاری‌سازی به حساب می‌آمده‌اند.

با افتخار میگوییم مجموعه پارتستان آماده است تا انواع قطعات لوازم یدکی کیا و لوازم یدکی هیوندای را بهترین کیفیت و نازل ترین قیمت در اختیار شما عزیزان قرار دهد برای اطلاعات بیشتر در این زمینه میتوانید با شماره های درج شده در سایت تماس حاصل فرمایید.