Sada kad znamo sve o pumpi rashladne tekućine i ventilatoru, možemo se baciti na nastavak teme o hlađenju automobilskog motora. U ovom će poglavlju biti riječi o termostatu, ekspanzijskoj posudi, no na početku i samom hladnjaku

Drugi dio priče o hlađenju automobilskog motora pobliže će nas upoznati s preostalim dijelovima rashladnog sustava. Dakako, sjećamo se iz prošlog poglavlja Škole da je motoru automobila potrebno osigurati hlađenje i održavanje optimalne radne temperature, kako bi mogao funkcionirati na način na koji se to od njega očekuje.

Upravo stoga ćemo, pored već poznatih dijelova kao što su pumpa rashladne tekućine, ventilator ili kanali za protok, ovom prilikom upoznati način na koji se toplina predaje u okolinu, kako se održava konstantna (ili željena) temperatura motora i ostalo što prethodno poglavlje nije pokrilo.

Hladnjak automobilskog motora

Iako smo već u prošlom poglavlju Škole automobilske tehnike priču o hlađenju motora trebali započeti ovom temom, naša je profesorica odlučila prenijeti nam svoje znanje o glavnom dijelu tog sustava upravo sada. Stoga, vrijeme je da se upoznamo sa "srcem" rashladnog sustava - hladnjakom. Hladnjak ili izmjenjivač topline u stvari je isto što i vaš kućni radijator. Uloga mu je odvođenje topline s rashladne tekućine, a što se postiže uz pomoć struje zraka.

Hladnjak se sastoji od četiri osnovna dijela, a to su: ulazni i izlazni spremnik, cijevi za prolaz rashladne tekućine te lamele. Ulazni spremnik je komora na vrhu hladnjaka u koju dolazi zagrijana rashladna tekućina iz motora. Iz njega, ona struji kroz cijevi koje su okružene lamelama. Lamele su tanke metalne trake koje su pričvršćene za cijevi kojima struji zagrijana rashladna tekućina, a njima se povećava površina koju tekućina zagrijava. Upravo tako, povećava se i površina preko koje struji zrak pokretan ventilatorom ili naprosto kretanjem vozila. Ovo strujanje zraka odvodi toplinu s lamela, a posredno i s cijevi te tako hladi rashladnu tekućinu, odn. antifriz (hladnjaci motora s ugrađenim klima-uređajima obično imaju gustoću od 14 lamela na 5 cm).

Na dnu hladnjaka nalazi se izlazni spremnik u kojem se skuplja rashlađena tekućina od kuda ona, pokretana pumpom, ide natrag u otvore bloka i glave. Cijevi s lamelama hladnjaka obično se zajednički nazivaju jezgrom hladnjaka koja je na većini današnjih automobila uglavnom izrađena od aluminija. Ulazni i izlazni spremnici današnjih hladnjaka izrađeni su od plastike, no koriste se i metalni, a treba napomenuti kako su svi ti dijelovi (cijeli hladnjak) nekoć bili izrađivani od bakra.

Ovisno o položaju ulaznog i izlaznog spremnika razlikujemo hladnjake vertikalnog i horizontalnog toka rashladne tekućine. Kod vertikalnog hladnjaka ulazni je spremnik smješten na vrhu, a izlazni na dnu, dok su kod horizontalnog raspoređeni lijevo i desno. Većina modernih hladnjaka upravo je ove posljednje, horizontalne, konstrukcije koja smanjuje ukupnu visinu i omogućava postavljanje hladnjaka pod položenije poklopce motora.

No, ovaj hladnjak nije jedini izmjenjivač topline u današnjim automobilima. Naime, pored rashladne tekućine motora, ohladiti treba još neke fluide u automobilu pa tako susrećemo hladnjak (kondenzator) za plin klima-uređaja, međuhladnjak turbopunjača (o turbopunjačima, mehaničkim kompresorima i općenito, prednabijanju, bit će riječi u sljedeća dva nastavka Škole), hladnjak ulja motora i hladnjak ulja u mjenjaču. Konačno, tu je i grijač putničkog prostora (vidi prvu sliku u prošlom nastavku Škole) koji je najčešće i sam izveden kao maleni hladnjak.

Vjerojatno apsolutni rekorder prema broju hladnjaka trenutno je Bugatti Veyron EB 16.4. Naime, ovaj je automobil opremljen s čak 10 hladnjaka od čega su: 3 namijenjena rashladnoj tekućini motora, 3 su međuhladnjaci (intercooleri) sustava prednabijanja, 1 je kondenzator klima-uređaja, 1 hladnjak hladi ulje mjenjača, 1 je hladnjak ulja u diferencijalu, a jedan hladnjak rashlađuje ulje u motoru. Recimo i to da EB 16.4 ima dva zasebna kruga rashladne tekućine, jedan za hlađenje motora koji zaprima 40 litara rashladne tekućine te onaj koji povezuje međuhladnjake, a koji zaprima 15 l.

Termostat i ograničavanje protoka rashladne tekućine

Termostat je u stvari kontrolni ventil upravljan temperaturom rashladne tekućine. Njegov je zadatak pomoći motoru da se brže zagrije što se postiže preusmjeravanjem toka rashladne tekućine. U stvari, jasno je da rashladna tekućina u normalnom radu (zagrijanog) motora struji kroz otvore za hlađenje ("džepove") bloka i glave pa potom u hladnjak i opet natrag, potpomognuta pumpom. Kada je motor hladan, termostat stoji zatvoren kako bi rashladna tekućina (tjerana pumpom) strujala samo kroz blok i glavu. Kada se tekućina dovoljno zagrije, termostat se otvara i rashladna tekućina tada počinje kružiti cijelim sustavom, dakle počinje se hladiti u hladnjaku.

Najčešći termostati kakve danas susrećemosu tzv. "voštani termostati". Takav termostat ima u sebi malu komoru s voskom zatvorenim u rastezljivoj membrani. Kada se temperatura rashladne tekućine podigne dovoljno da se njezino strujanje može preusmjeriti kroz cijeli sustav za hlađenje (dakle i kroz hladnjak), vosak u termostatu počinje se zagrijavati i rastezati tj. povećavati obujam (iako su konstrukcije motora znatno različite, tipična temperatura za početak topljenja voska iznosi oko 80°C). Povećanjem obujma voska u termostatu, pomiče se i rastezljiva membrana koja pomiče polugu za otvaranje termostata. Kada kažemo da je termostat otvoren, u stvari mislimo na zagrijani termostat koji je počeo propuštati rashladnu tekućinu kroz hladnjak. Upotrebom termostata postiže se brže zagrijavanje motora čime se štedi gorivo i smanjuju emisije nesagorenih ugljikovodika te ugljičnog monoksida. Tako motor brže dostiže radnu temperaturu (temp. rashladne tekućine pri termostatu obično se kreće oko 80-85°C) za koju je, uostalom, i predviđen te na kojoj je trošenje pokretnih dijelova najmanje, a podmazivanje najbolje.

Električno upravljani termostat daje nam malu "varijaciju" na ovu temu. Riječ je o termostatu opremljenom električnim grijaćim elementom. Takav termostat i dalje koristi vosak, no prema potrebi ga je moguće dodatno zagrijati (te time i ranije otvoriti) uz pomoć električnog grijača. U kombinaciji s promjenjivim, elektronički kontroliranim radom ventilatora hladnjaka (pokretanim električnim motorom) tako je moguće preciznije podešavati temperaturu rashladne tekućine (a time i samog motora), ovisno o radnom opterećenju. Npr. jedan takav audijev sustav koristi podatke o zahtijevanim temperaturama pohranjene u mapi ("mapiranje" tako, uz trenutak paljenja i potrebnu količinu goriva, obuhvaća i podatke o hlađenju) elektroničkog kontrolnog modula Motronic J220. Tako se pri srednjem opterećenju motora temperatura rashladne tekućine održava između 95 i 110 °C, dok se pri punom opterećenju ona spušta na raspon između 85 i 95°C.

Ekspanzijska posuda rashladnog sustava

Ekspanzijska posuda rashladnog sustava obično je ona velika prozirna plastična kutija u koju se (u većini) motora nadolijeva rashladna tekućina. Na ovoj posudi postoje i nekakve oznake "MIN" i "MAX" između kojih bi trebala stajati razina tekućine kada je motor hladan. Ovako, uostalom, uvijek znamo ima li u motoru dovoljno rashladne tekućine (ipak, rashladni sustavi automobilskog motora s ekspanzijskom posudom predstavljaju tzv. "zatvoreni sustav" te, barem u teoriji, tekućine nikada ne bi trebalo nedostajati). Poznato nam je da se tekućine prilikom zagrijavanja rastežu, tj. da im se povećava obujam kao i vosku u našem termostatu. Tako kroz povećanje obujma proplazi i rashladna tekućina, odn. antifriz.

Kako je za pravilno i kvalitetno hlađenje motora značajno da je kompletan rashladni sustav (hladnjak, dovodne i odvodne cijevi, "džepovi" u bloku i glavi) potpuno ispunjen tekućinom, vidimo da se pri zagrijavanju može pojaviti problem viška rashladne tekućine. Tada u "igru" dolazi ekspanzijska posuda u koju se prelijeva višak tekućine za hlađenje kako bi se za nju napravilo dovoljno mjesta u rashladnom sustavu.

Kada je motor ugašen i kada se rashladna tekućina u njemu ohladi, stvara se podtlak u rashladnom sustavu koji "povuče" rashladnu tekućinu natrag iz ekspanzijske posude. Uz ulogu preuzimanja viška rashladne tekućine, ekspanzijska posuda pomaže i u eliminiranju mjehurića zraka koji se skupljaju u sustavu čime se povećava njegova napunjenost tekućinom, a time i učinkovitost hlađenja.

Kada govorimo o ekspanzijskoj posudi potrebno je napomenuti još ponešto. Naime, kako se zagrijavanjem povećava obujam rashladne tekućine, raste i pritisak u rashladnom sustavu. Ujedno se povećanjem pritiska povišava i vrelište rashladne tekućine. Naime, znamo da se vrelište vode pri atmosferskom pritisku nalazi na 100°C.

Povećanjem pritiska za 1 bar iznad atmosferskog pritiska, vrelište vode raste na oko 130°C. Dakako, tu "u priču" uskače i sama rashladna tekućina koja u načelu ima vrelište nešto više od obične vode. Konačno, rashladni je sustav opremljen i ventilom za zaštitu od prekomjernog pritiska. On se, ovisno o konstrukciji motora, najčešće otvara između 0,6 i 1,0 bara natpritiska.

Rashladna tekućina ili naš dragi antifriz

Rashladna tekućina motora u stvari je mješavina destilirane vode i posebne tekućine koju nazivamo antifriz koji je, pak, tekućina za snižavanje ledišta rashladne tekućine. Osnovna komponenta antifriza je dvovalentni alkohol, etilen-glikol, zahvaljujući kojem je moguće sniziti ledište rashladne tekućine te time omogućiti korištenje vozila u hladnim amosferskim prilikama. Naime, kako se voda smrzava pri 0°C, u hladnoj bi klimi rashladni sustav automobilskog motora brzo postao neupotrebljiv jer bi se smrzavanjem zaustavio tok rashladne tekućine. Također, s obzirom da smrznuta voda ima oko 9% veći obujam od tekuće, smrzavanjem rashladne tekućine došlo bi do pucanja dijelova motora, hladnjaka i sl.

Uobičajen omjer antifriza i destilirane vode u rashladnoj tekućini iznosi 50 : 50 (to, dakako, ovisi o vrsti antifriza) što je u pravilu dovoljno da snizi ledište na - 37°C. Katkada se, u ektremnijim klimatskim uvjetima, koristi i 70-postotna koncentracija antifriza u rashladnoj tekućini koja snižava ledište na - 64°C. Uz navedeno, 50-postotni antifriz povišava i vrelište rashladne tekućine na 108°C čime se omogućava postizanje većeg pritiska u rashladnom sustavu te time i učinkovitije hlađenje motora.

I dok je snižavanje ledišta primarna uloga antifriza, posebni aditivi koji se u njemu nalaze imaju dodatnu ulogu. Tako se uz etilen-glikol u antifrizu nerijetko nalaze i kemikalije za sprječavanje korozije te one za sprječavanje pjenjenja. Upravo stoga je neophodno koristiti antifriz (odn. njegovu mješavinu s destiliranom vodom) u rashladnim sustavima vozila uvijek pa čak i ako živite u klimi gdje temperatura nikada ne pada ispod točke ledišta vode. Konačno, recimo i to da je antifriz u pravilu obojen kako bi se lakše primijetilo eventualno istjecanje rashladne tekućine.

I na kraju...

Kraj priče u kojoj su pingvini vjerojatno najviše uživali, vezan je uz motore sa zračnim hlađenjem. Često viđani na motociklima, ovakvi su motori prepoznatljivi prema rebrima koja okružuju cilindar. Rashladna rebra ovdje djeluju na isti način kao i lamele hladnjaka, s time što su znatno veća i u većini motora izlivena u komadu s blokom. Kod ovih rebara primjećujemo različitu duljinu te oblik koji se sužava prema vrhu.

Prvo ima razlog u tome što je za hlađenje toplinski više opterećenih dijelova motora potrebno staviti i dulja rebra. Što se tiče zašiljenosti, "igra" je u tome da toplina ima tendenciju širenja s većeg na manji presjek te su rebra motora sa zračnim hlađenjem tanja na najudaljenijoj točki. Zračno hlađenje automobilskih motora u pravilu je potpomognuto ventilatorom koji stalno radi kako bi se omogućilo provođenje dovoljne struje zraka.