Hűtéstechnika a motorokban

01 febr 2023

Minden hőerőgép esetén létezik egy olyan görbe, amely megmutatja, hogy milyen hatékonysággal működnek a bennük uralkodó hőmérséklet függvényében. Mivel a terhelés rendszerint változik, ez visz magával a hőterhelést is – és mivel ezek a gépek is csak egy szűk hőmérsékleti tartományban érzik magukat jól, kénytelenek vagyunk szabályozni ezt az értéket.

Ebben a cikkben bemutatjuk a személygépkocsik erőforrásainak hűtését, és kitérünk a lehetséges jövőre is.

 

Levegő vagy víz?

A személygépkocsik belső égésű motoros történelmében alapvetően két különböző hűtési rendszer alakult ki.

Az egyik egy nagyon könnyű és kompakt, egyszerű változat: a léghűtés. Ebben az esetben a motor hűtéséhez csak a beáramló levegőt használja fel a rendszer.

Eleinte korántsem volt egyértelmű, hogy melyik változat lesz elterjedt később, ugyanis a léghűtést elképesztő egyszerűsége nagyon sokáig képes volt versenyképessé tenni, akár még nagyobb teljesítmény-tartományokban is.

Erre kitűnő példa a Porsche: Egészen a 993-as típusjelzésű 911-esig megtartották a technológiát, melyet 1998-ig gyártottak.

Általános értelemben azonban elmondható, hogy a XXI. századra a vízhűtés teljes mértékben meghódította piacot.

Bár a rendszer sokkal bonyolultabb, nehezebb, és körülményesebben javítható, a szabályozási lehetőségei messze túlmutatnak a levegős változatén. A literteljesítmények jelentős növekedése, egyúttal az egyre jelentősebb hőfejlődés fokozatosan átadta a terepet a vizes megoldásnak.

 

A rendszer részei

Fontos kiemelni, hogy a vízhűtés kifejezés nem helytálló. Ugyanis a hűtőközeg nem csak vízből, hanem fagyálló-, azaz hűtőfolyadékból is állhat – legalábbis azokban a régiókban, ahol van esély a víz megfagyására, ami több szempontból is súlyos következményekkel járna a motor számára.

A folyadékhűtéses belső égésű motorral felszerelt autókban és motorkerékpárokban a blokkon és a hengerfejen áthaladó csatornákhoz egy hűtő csatlakozik, amelyen keresztül az említett hűtőfolyadék áramlik.

Tipikus hűtőradiátor (forrás: wikipedia.org)

 

Maga a fagyálló, amely a hűtőközeg része lehet, általában etilénglikol vagy propilénglikol (kis mennyiségű korróziógátlóval).

Az alumínium vagy kevert fém motorok kifejlesztése óta a korróziógátlás még fontosabbá vált, mint a fagyálló, és ez általánosan érvényes valamennyi régióra.

 

Egy tipikus autóhűtő rendszer a következőket tartalmazza:

 

  • a motorblokkban és a hengerfejben található hűtőjáratok, amelyek az égéstereket keringető folyadékkal veszik körül a hő elvezetése érdekében;
  • radiátor, amely sok kis csőből áll, amelyek méhsejt-bordákkal vannak felszerelve a hő gyors elvezetése érdekében, amely fogadja és hűti a forró folyadékot a motorból;
  • rendszerint centrifugális típusú vízszivattyú (vagy vízpumpa), amely a hűtőfolyadékot keringeti a rendszeren keresztül;
  • termosztát a hőmérséklet szabályozására a radiátorba jutó hűtőfolyadék mennyiségének változtatásával;
  • ventilátor, amely hideg levegőt szív át a radiátoron.

 

A rendszer jellemzően zárt, így nagyobb nyomáson is üzemelhet, mint a környezeti nyomás. Ezáltal például a 100 °C-os hőmérséklet nem feltétlenül jelenti a hűtőfolyadék, de még a hűtővíz felforrását sem.

Fagyálló folyadék töltése a motorba (forrás: wikipedia.org)

Az égési folyamat mellékterméke nagy mennyiségű hő. Ha hagynánk, hogy a motorban ellenőrizetlenül növekedjen a hő, az alkatrészek végül olyan mértékben kitágulnának, hogy abbahagyják a forgást. Ennek a hatásnak a leküzdésére a hűtőfolyadékot keringetik a motoron keresztül, ahol elnyeli a motor hőjét.

Miután a hűtőfolyadék elnyeli a hőt a motorból, tovább áramlik a hűtőbe. A hűtő a hőt a bent lévő folyadékból a külső levegőbe továbbítja, ezáltal lehűti a folyadékot, ami viszont lehűti a motort. A radiátorokat gyakran használják az automata sebességváltó-folyadékok, a légkondicionáló hűtőközegének, a beszívott levegő és néha a motorolaj vagy a szervokormány-folyadék hűtésére is.

 

Hűtőradiátor

Az autók radiátorai egy pár fém vagy műanyag gyűjtőtartályból épülnek fel, amelyeket sok keskeny járattal rendelkező mag köt össze, így az adott térfogathoz képest nagy felületet biztosítanak. Ez a mag általában egymásra helyezett fémlemez rétegekből készül, csatornákat préselnek, és összeforrasztanak vagy hidegforrasztanak.

Sok éven át a radiátorokat sárgaréz- vagy vörösrézmagból készítették, amelyet sárgaréz gyűjtőfejekhez forrasztottak. A modern radiátorok alumínium maggal rendelkeznek, és gyakran pénzt és súlyt takarítanak meg a tömítésekkel ellátott műanyag fedelek használatával. Ez a szerkezet hajlamosabb a meghibásodásra és kevésbé könnyen javítható, mint a hagyományos anyagok.

 

Szivattyú

A radiátorok először lefelé irányuló függőleges áramlást használtak, kizárólag termoszifon hatás által. A hűtőfolyadék felmelegszik a motorban, kevésbé sűrűsödik, és így felemelkedik. Ahogy a hűtő lehűti a folyadékot, a hűtőfolyadék sűrűbbé válik és lesüllyed.

Ez a hatás elegendő az alacsony teljesítményű álló motorokhoz, de közúti közlekedéshez nem elégséges a legkorábbi autók kivételével. Évek óta minden autóban centrifugálszivattyút használnak a motor hűtőfolyadékának keringetésére, mivel a természetes keringés nagyon alacsony áramlási sebességgel rendelkezik.

 

Termosztát

A modern autók motorhőmérsékletét elsősorban viasz-pellet típusú termosztát szabályozza, egy szelep, amely akkor nyílik ki, ha a motor elérte az optimális üzemi hőmérsékletet.

Amikor a motor hideg, a termosztát zárva van, kivéve egy kis bypass áramlást („kis kör”), így a termosztát a hűtőfolyadék hőmérsékletének változásait tapasztalja, amikor a motor felmelegszik. A motor hűtőfolyadékát a termosztát a keringető szivattyú bemenetéhez irányítja, és a hűtőt megkerülve közvetlenül a motorhoz juttatja vissza. Ha a folyadékot csak a motoron keresztül keringetjük, a motor a lehető leggyorsabban eléri az optimális üzemi hőmérsékletet, miközben elkerüli a helyi „forró pontokat”. Amint a hűtőfolyadék eléri a termosztát aktiválási hőmérsékletét, az kinyílik, lehetővé téve a víz átáramlását a radiátoron, hogy megakadályozza a hőmérséklet még magasabbra emelkedését.

Személygépkocsi termosztát (forrás: wikipedia.org)

Az optimális hőmérséklet elérése után a termosztát szabályozza a motor hűtőfolyadékának áramlását a hűtőbe, hogy a motor továbbra is optimális hőmérsékleten működjön.

Csúcsterhelési körülmények között, például meredek emelkedőn lassan felfelé haladva, miközben erősen megterhelt egy forró napon, a termosztát teljesen kinyílik, mert a motor közel a maximális teljesítményt produkálja, miközben a hűtőn átáramló levegő sebessége alacsony. (Hőcserélőről lévén szó, a radiátoron átáramló levegő sebessége nagymértékben befolyásolja annak hőleadó képességét.)

Ezzel szemben, amikor gyorsan lefelé cirkál az autópályán egy hideg éjszakán, könnyű gázzal, a termosztát majdnem zárva lesz. mert a motor kevés energiát termel, és a hűtő sokkal több hőt képes leadni, mint amennyit a motor termel. Ha túl sok hűtőfolyadékot engedünk a hűtőbe, akkor a motor túlhűl, és az optimálisnál alacsonyabb hőmérsékleten üzemel, ami csökkenti az üzemanyag-hatékonyságot és megnövekedett kipufogógáz-kibocsátást.

A termosztát ezért folyamatosan mozog tartományában, reagálva a jármű üzemi terhelésének, sebességének és külső hőmérsékletének változásaira, hogy a motort az optimális üzemi hőmérsékleten tartsa.

RELATED POST

Írj egy választ