Kćlikerfi

Ţótt bensínvélar hafi tekiđ miklum framförum er seint hćgt ađ segja ađ ţćr séu hagkvćmar í ţví ađ breyta efnaorku eldsneytisins í hreyfiorku.  Sćrstur

Kćlikerfi

Þótt bensínvélar hafi tekið miklum framförum er seint hægt að segja að þær séu hagkvæmar í því að breyta efnaorku eldsneytisins í hreyfiorku.  Særstur hluti orkunnar í bensíninu (allt að 70%) verður að hita og hlutverk kælikerfisins er að vinna gegn því.  Kælikerfi fólksbifreiðar sem er ekið eftir þjóðveginum, tekur svo mikinn hita frá vélinni að með honum mætti hita upp eitt meðalstórt hús.  Helsti tilgangur kælikerfisins er sá að koma í veg fyrir að vélin ofhitni með því að færa hitann frá vélinni og út í loftið.  En kælikerfið gerir meira en það.

Bílvélin vinnur best við fremur hátt hitastig.  Þegar hún er köld, slitnar hún meira, er ekki jafn hagkvæm í rekstri og mengar meira.  Þess vegna er það eitt af hlutverkum kælikerfisins að sjá til þess að vélin nái kjörhita á sem stystum tíma og haldi svo þeim hita á meðan hún er í gangi. 

Við ætlum að fræðast um hvernig það gerist og byrjum á nokkrum grundvallaratriðum.

 Þegar vélin er í gangi, á sér stað stöðugur bruni eldsneytis.  Mikið af hitanum sem þá verður til fer beint út í útblásturskerfið (púströrið) en hluti hitans fer um vélina og hitar hana upp.  Vélin vinnur best við 93°C og við þann hita:

 

  • er brunarýmið nógu heitt til að breyta eldsneytinu í gufu og það bætir brunann og minnkar útblástur.

 

  • er olían sem smyr vélina þynnri en við stofuhita og þar af leiðandi smyr hún betur svo vélarhlutarnir mætta minni núningi og vélin notar minna afl til að hreyfa þessa hluti.

 

  • endast slitfletir lengur

Það eru tvær gerðir af kælingu notaðar í bílum, vökvakæling og loftkæling.

Vökvakæling

Í vökvakældum vélum er kælivökva (blöndu af vatni og frostlegi) dælt í gegnum slöngur, rör og göng í vélinni.  Þegar kælivökvinn fer í gegnum vélian eftir þessum göngum, tekur hann upp hita og kælir vélina.  Þegar kælivökvinn fer svo út úr vélinni aftur, fer hann í varmaskipti (vatnskassa) þar sem hitinn er tekinn úr kælivökvanum með lofti sem blæs á milli rimla í vatnskassanum.  Það er gert með vindinum sem myndast þegar bíllinn keyrir og fari hitinn yfir visst hitastig, fer í gang vifta sem er aftan við vatnskassann.  Þegar ekið er hægt eða þegar bíllinn stöðvaður og látinn ganga hægagang, gengur viftan nær stöðugt á meðan.  Kælivökvinn fer svo inn í vélina aftur og fer hring eftir hring um hana og sækir meiri hita.

Loftkæling

Margir eldri bílar, og einstaka nýr bíll, eru loftkældir.  Í staðinn fyrir að vökvi fari um vélina leikur um hana loft sem kælir hana.  Það er kraftmikil vifta sem sér um það.  Þá er vélin með kælifleti (ugga utan á heddinu til dæmis) utan á sér en þið hafið örugglega séð svoleiðis á mótorhjólum og sláttuvélum og loftið tekur til sín hitann frá þessum flötum. 

Vegna þess að flestir bílar eru vökvakældir, ætlum við að einblína á þá aðferð hérna.

Pípulagnir

Það er mikið um allskyns pípulagnir í kælikerfi vélarinnar.  Við skulum byrja á dælunni og rekja okkur í gegnum kerfið og í næstu hlutum þessa kafla, förum við aðeins betur ofan í einstaka atriði.

Dælan sendir vökvann inn í vélarblokkina þar sem vökvinn fer um göng sem eru umhverfis strokkana.  Þaðan fer kælivökvinn upp í heddið.  Hitastillirinn (thermostat) er þar sem vökvinn fer út úr vélinni.  Ef hitastillirinn er lokaður, fer vökvinn aftur í dæluna og hring um vélina en ef hitastillirinn er opinn, fer vökvinn í vatnskassann þar sem hann losar sig við hita (er kældur) og síðan aftur að dælunni.

Það er sérstakt pípukerfi fyrir miðstöðina í bílnum en það tekur vökva úr heddi vélarinnar og sendir hann í gegnum miðstöðina sem hitar farþegarýmið og svo aftur að dælunni.

 

Á sjálfskiptum bílum er olían á skiptingunni kæld í sérstöku lagnakerfi sem fer líka í gegnum vatnskassann eða þá að það er sérstakur vatnskassi sem kælir það.

Kælivökvinn

Bílar eru notaðir um allan heim og þá gefur augaleið að þeir þurfa að þola öfga í veðri.  Sama bíltegundin þarf að duga í heitasta og kaldasta loftslagi sem maðurinn býr við.  Þess vegna þarf kælivökvinn að hafa lágt frostmark og hátt suðumark en verður um leið að geta borið mikinn hita.

Vatn getur leitt mikinn hita en af því að það frýs við 0°C, er ekki hægt að nota það eitt og sér til að kæla vélar.  Þess vegna er notuð blanda af vatni og etelýnglýkoli (frostlegi) á vélarnar.  Með því að bæta frostlegi út í vatnið, lækkar frostmarkið og suðumarkið hækkar líka.

Vökvi

Frostmark

Suðumark

Hreint vatn

0°C

100°C

50/50 blanda af frostlegi og vatni

- 37°C

106°C

70/30 blanda af frostlegi og vatni

- 55°C

113°C

 

Stundum verður kælivökvinn allt að 135°C heitur og þá er ljóst að frostlögurinn dugir skammt til að koma í veg fyrir að hann sjóði en það viljum við alls ekki að gerist.  Þess vegna verður að grípa til annarra ráða til að hækka suðumarkið.

Kælikerfið er lokað og því er þar meiri þrýstingur en í andrúmsloftinu umhverfis það.  Þessi þrýstingur hækkar suðumarkið um allt að 25°C en auðvitað dugar það ekki í öllum tilfellum.  Þess vegnar er áríðandi að fylgjast vel með því að kælivökvinn fari ekki að hitna upp úr öllu valdi því ef það sýður á vélinni, getur hún skemmst mikið.

Frostlögurinn inniheldur líka efni sem hægja á ryðmyndun.

 

Vatnsdælan

 

 

Í bílum eru miðflóttaaflsdælur notaðar til að knýja hringrás kælivökvans um vélina. 

Dælan er einföld miðflóttaaflsdæla sem er snúið af reim framan á vélinni.  Dælan snýst alltaf þegar vélin er í gangi. 

Hún nýtir miðflóttaaflið til að dæla vökva út þegar hún snýst og vökvinn sem kemur inn í miðju dælunnar er sogaður þaðan og honum skotið út úr dæluhúsinu.  Spaðarnir í dælunni sjá um að beina honum þangað. 

Vatnið fer frá dælunni og inn í blokkina og heddið, þaðan í vatnskassann og svo aftur inn í dæluna.

Vél

Í vélarblokkinni og heddinu eru fjöldi vatnsganga.  Þessi göng beina kælivökvanum að þeim stöðum í vélinni sem helst þurfa á kælingu að halda.

 

Hitinn í brunarýminu inni í strokknum, getur orðið allt að 2500°C og þess vegna er kælingin afar mikilvæg.  Svæðið í kringum útblástursventlana þarf sérstaklega á kælingu að halda vegna þess að þá leið fer heitt loftið út í pústkerfið og næstum því allt rýmið í heddinu í kringum þá er fyllt af kælivökva.  Ef vélin gengur án kælingar, festist hún, vegna þess að á endanum mun stimpillinn verða svo heitur að hann festist við strokkinn.  Gerist þetta, er nokkuð öruggt að vélin sé ónýt.

Í sumum vélum er reynt að draga úr álaginu á hið hefðbundna kælikerfi með því að minnka hitann sem leiðir frá brunarýminu út í aðra vélarhluta.  Þetta er gert með því þekja þann hluta heddsins sem vísar inn í brunarýmið með keramikefnum.  Keramik leiðir hita afar illa og því kemst minni hiti í málminn og meira af honum fer út um púströrið.

Vatnskassi

Vatnskassi er ein gerð varmaskiptis.  Hann er hannaður til að taka hita úr heitum kælivökva sem rennur í gegnum hann og sleppa hitanum út í loftið sem er blásið í gegnum kassann með viftunni.

Í flestum bílum er vatnskassinn úr áli.  Þeir eru þannig gerðir að þunnir uggar eru festir utan á flatar pípurnar sem eru í kassanum.  Heitur vökvinn flæðir inn í vatnskastann og fer í gegnum margar pípur sem þar eru hlið við hlið.  Uggarnir leiða hitann úr pípunum og út í loftið sem leikur um þá.

Stundum eru inni í pípunum uggar sem búa til straumiðu.  Þetta er gert til allur vökvinn komist í snertingu við hliðar pípunnar því ef hann gerir það ekki, er hitinn bara færður úr þeim hluta vökvans sem rennur með veggjum pípunnar. 

Vatnskassar hafa oftast geyma eða tanka á hliðunu og inni í þeim eru kælar fyrir olíu af skiptingu bílsins.  Á myndinni sérður svona geymi og rörin inn í hann og út úr honum.  Það er vökvinn í kælikerfinu sem kælir olíuna.

 Þrýstilok (vatnskassalokið)

 

Lokið á vatnskassanum hækkar suðumark vatnsins um 25°C.  Hvernig getur þessi einfaldi hlutur gert það?  Lokið er í raun og veru þrýstiloki og á bílum opnast það yfirleitt við um 1 bar þrýsting sem er 103421 pascal svo við notum einingar úr SI kerfinu.  Á mannamáli eru það 15 pund sem er um það bil hálfur sá þrýstingur sem hafður er í dekkjum.

Þegar vökvinn í kælikerfinu hitnar, þenst hann út og við það eykst þrýstingur.  Vatnskassalokið er eini staður þar sem þessi þrýstingur getur sloppið út og krafturinn í korminum undir lokinu ræður því við hvaða þrýsting það opnast og þar af leiðand hámarksþrýstingi á kerfinu.  Þegar þrýstingurinn nær 15 pundum nægir hann til að ýta gorminum saman og vökvi sleppur úr kerfinu.  Hann rennur eftir slöngu og niður á botninn í yfirfallstankinum.  Þetta fyrirkomulag kemur í veg fyrir að loft komist inn á kerfið.  Þegar vatnskassinn kólnar aftur, myndast undurþrýstingur eða sog og annar gormur opnar leið fyrir vatnið inn á kerfið aftur.

 

Hitastillir (thermostat)

Hitastillirinn hefur það hlutverk að sjá til þess að vélin hitni fljótt og síðan að halda henni við stöðugan hita.  Þetta gerir hann með því að stjórna því hversu mikill vökvi fer í gegnum vatnskassann.  Þegar vélin er undir kjörhita er alveg lokað fyrir leiðina að vatnskassanum og vökvinn hringrásar um vélina. 

Þegar vökvinn hefur svo hitnað upp í fyrirfram ákveðinn hita, oft 91°C, opnar hitastillirinn smám saman leiðina inn í vatnskassann og vökvinn flæðir þangað.  Þegar vökvinn hefur náð 93°C hita, opnast leiðin alveg og vatnið flæðir hindrunarlaust inn í kassann.

Leyndadóminn á bakvið hitastillinn er að finna í litlum hólki vélarmegin á honum.  Þessi hólkur er fylltur með vaxi sem byrjar að bráðna við 91°C og teinn sem er festur við spjaldlokann á hitastillinum ýtist út þegar vaxið bráðnar og þenst út. 

Viftan

Líkt og með hitastillinn, þarf að stjórna því hvenær viftan vinnur.  Margir bílar eru með viftu sem er snúið af rafmagnsmótur sem fer að snúast þegar hitinn á kælivökvanum fer yfir ákveðið mark.  Þegar hitinn lækkar aftur, slökknar á viftunni.  Þetta fyrirkomulag er algengt í fólksbílum.

Aðrir bílar eru með viftu sem er drifin af reim framan á vélinni og þið hafið eflaust heyrt talað um viftureimina.  Þær viftur eru með vökvakúplingu sem fer að snúast við ákveðið hitastig.   Þetta er algengara í stórum jeppum.

Miðstöðin

Kannski hefur þú heyrt talað um það að þegar bíllinn ofhitnar, sé gott að setja miðstöðina í botn og opna alla glugga.  Þetta er gert vegna þess að miðstöðvarkerfið er í raun auka-kælikerfi sem færir hita frá vélinni og inn í farþegarýmið til að hita það.

Miðstöðin er undir mælaborðinu í bílnum en þar er varmaskiptir sem er í raun og veru bara lítill vatnskassi.  Á bakvið hann er vifta sem blæs lofti í gegnum hann og það hitnar af heitum vökvanum sem flæðir í gegnum vatnskassann.  Heita loftið kemur síðan út um göt og ristar á mælaborðinu.

Miðstöðin fær vatn frá heddinu á vélinni og því virkar hún hvort sem hitastillir vélarinnar er opinn eða lokaður.  Þó fer miðstöð aldrei að blása heitu lofti fyrr en vélin hefur hitnað.