چرا در موتور‌های احتراق داخلی به خنک‌کاری نیازمندیم؟

اگر چه طبق تعریف ایده‌آل بازدهی موتور‌های احتراق داخلی، هرچقدر دمای کاری موتور بالاتر باشد، آن موتور بازدهی حرارتی بیشتری خواهد داشت. اما با دورشدن از شرایط ایده‌آل و نزدیک‌شدن به شرایط واقعی کارکرد موتور، متوجه می‌شویم که اگرچه دمای کاری بالا، بازدهی حرارتی بیشتری را به همراه خواهد داشت؛ اما محدودیت‌هایی نیز در این زمینه وجود دارد. از مهم‌ترین این محدودیت‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

محدودیت تحمل دمایی مواد: مواد به‌کار رفته در ساخت موتور خودروها، آستانه تحمل دمایی مشخصی دارند. با افزایش دمای موتور از آستانه تحمل دمایی مواد سازنده آن، عملکرد موتور با مشکل مواجه می‌شود و حتی اگر موتور بتواند به کارکرد خود ادامه دهد، از عمر مفید آن به‌شدت کاسته خواهد شد.

محدودیت پدیده ناک یا کوبش: در موتور‌های احتراق داخلی به‌ویژه بنزین سوز، با افزایش دمای محفظه احتراق مخلوط سوخت ‌و هوای درون محفظه موتور پیش از انجام فرایند جرقه‌زنی توسط شمع در زمان مناسب، احتراق به‌صورت خود‌به‌خودی انجام می‌شود که باعث اعمال فشار‌های بسیار زیادی به مجموعه قطعات درون موتور مانند پیستون، شاتون و میل‌لنگ می‌شود. با افزایش و تداوم این اتفاق، عمر قطعات درونی به‌شدت کاهش می‌یابد و خرابی‌های پی‌درپی را به همراه خواهد داشت.

پس به دو دلیل اشاره شده در بالا، خنک‌کاری در موتور‌های احتراق داخلی از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند و درصورتی‌که توجه مناسبی به این بخش از موتور‌های احتراق داخلی نشود، عمر قطعات بسیار کم خواهد شد و در نهایت خرابی‌های بسیاری نتیجه خواهد شد.

منابع ایجاد این گرما چیست؟

اصلی‌ترین منبع ایجاد این گرما، همان سوختن سوخت‌های فسیلی است. در موتور‌های احتراق داخلی هدف اصلی تبدلی انرژی شیمیایی ذخیره ‌شده سوخت‌های فسیلی به انرژی مکانیکی است، اگرچه بازدهی صددرصد این تبدیل انرژی ایده‌آل ما است؛ اما بخش زیادی از انرژی شیمیایی آزاد شده سوخت به گرما تبدل ‌می‌شود. از طرفی دیگر موتور‌های احتراق داخلی دارای تعداد زیادی اجزا هستند که نسبت به یکدیگر متحرک‌اند و اصطکاک دارند که این اصطکاک باعث تولید گرمای اضافی در موتور می‌شود. بنا‌بر‌این نیاز است تا برای جلوگیری از عبور دما از آستانه تحمل دمایی مواد سازنده موتور و همچنین جلوگیری از پدیده ناک یا کوبش، خنک‌کاری مناسب انجام شود.

چالش‌های پیش ‌رو

امروزه استفاده مفید و بهینه از انرژی به یکی از اهداف بسیار مهم بشریت تبدیل شده است؛ بنابراین نیاز است تا در همه موارد ممکن از بهینه‌ترین حالت مصرف انرژی استفاده شود. این هدف در بحث خنک‌کاری موتور‌های احتراق داخلی نیز قابل‌استفاده است و برای ماندن در بازار رقابتی لازم است. ازاین‌رو می‌توان با برسی دقیق و تیزبینانه کارکرد سیستم خنک‌کاری، مشکلات و گلوگاه‌‌ها را مشخص کرد و با رفع آنها به بهترین حالت خنک‌کاری دست‌یافت. خنک‌کاری کم باعث آسیب به قطعات موتور و خنک‌کاری بیش از حد نیز باعث کاهش راندمان حرارتی موتور خواهد شد؛ بنابراین نیاز است تا با ایجاد یک سیستم دقیق خنک‌کاری که همه پارامتر‌های مهم و اثر‌گذار را در نظر می‌گیرد، این نوع خنک‌کاری بهبود یابد.

راه‌حل‌های پیش رو

برای بهبود خنک‌کاری راه‌حل‌های متنوعی موجود است. در همه آن‌ها باید با محاسبات دقیق و شبیه‌سازی‌ها، میزان بار حرارتی به‌دقت محاسبه شود و خنک‌کاری بر اساس آن انجام شود تا هم از هدر‌رفت انرژی و هم از خنک‌کاری ناکافی جلوگیری شود. می‌توان از راه‌حل‌های موجود به طراحی دقیق اندازه راهگاه‌ها و طراحی راهگاه‌ها با اندازه متغیر، بهبود توان خنک‌کاری رادیاتور و فن، استفاده از واترپمپ‌های به‌روز و دور متغیر و… اشاره کرد.