Jak schłodzić auto?
Sprawność silników samochodowych jest mało imponująca - maksymalnie sięga ok. 45%, a zwykle jest dużo niższa. Pozostała energia, w postaci ciepła, musi zostać jakoś zagospodarowana. A jest tego ciepła niemało - podczas suwu pracy w cylindrze temperatura spalanej mieszanki to około 2000°C, prawdziwe piekło. Częściowo ciepło to ucieka wraz ze spalinami, ale około jednej trzeciej jest odprowadzane przez układ chłodzenia. Notabene nie jest to najbardziej precyzyjna nazwa, bowiem silnik pracuje wydajnie tylko w dość wąskim zakresie temperatur i w zasadzie zadaniem układu chłodzenia jest utrzymywanie go w tym przedziale, a nie maksymalne schłodzenie.
Trzeba też pamiętać, że silnik smarowany jest olejem, a ten przy zbyt wysokiej temperaturze błyskawicznie się degraduje i nie jest w stanie wytworzyć odpowiedniej warstwy ochronnej między pracującymi elementami motoru. Te zaś wykonane są z materiałów podatnych na rozszerzalność cieplną, wraz ze wzrostem temperatury zmieniają się ich wymiary. We współczesnych silnikach, w których wszystko jest spasowane z dokładnością do setnych czy tysięcznych części milimetra, nie jest to bez znaczenia. Przy wysokich temperaturach znacznie łatwiej może również wystąpić spalanie stukowe. Jak widać, skuteczne chłodzenie jest konieczne do prawidłowego funkcjonowania samochodu. Tak było, jest i będzie, bo nawet elektryki nie mogą zupełnie obejść się bez takiego układu, choć działa on nieco inaczej.
Powietrzem i wodą
Najczęściej stosuje się dwa systemy - pośredni, czyli z wykorzystaniem cieczy lub bezpośredni, w którym kluczową funkcję pełni powietrze.
W układzie bezpośrednim powietrze owiewa rozgrzany silnik, a konkretnie cylindry i głowicę, obniżając jego temperaturę. Gdy silnik chłodzony jest tylko podczas ruchu pojazdu (np. motocykla), mówimy o układzie bezpośrednim naturalnym. Kiedy strumień powietrza chłodzącego wytwarzany jest dmuchawą, mamy do czynienia z układem bezpośrednim wymuszonym. Tak niegdyś były chłodzone motory Porsche 911, VW Garbusa czy Fiata 126p. Układ taki jest dość prosty i niezawodny.
Niezbędne jest za to odpowiednio gęste użebrowanie głowicy, zwykle stosuje się także wloty w karoserii kierujące strumień powietrza na najbardziej nagrzewające się elementy, a niejednokrotnie dodatkowe dmuchawy. Układ bezpośredni sprawia, że silnik szybko się nagrzewa, a co za tym idzie, wolniej zużywają się niektóre jego elementy (tłoki, pierścienie, tuleje cylindrów), jest także niemal bezobsługowy. Chłodzenie nie jest jednak tak skuteczne jak za pomocą cieczy, temperatury obiegu są wyższe, co sprzyja występowaniu spalania stukowego, większe są także wahania temperatury. Aby temu zapobiec, ustawia się niski stopień sprężania, przez co wydajność silników jest ograniczona. Dodatkowo silniki "powietrzne" są hałaśliwe.
Obecnie najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest układ pośredni, nazywany tak, ponieważ ciecz jest pośrednikiem między silnikiem oddającym ciepło a powietrzem, które ją schładza w chłodnicy (naturalnie lub dodatkowo w sposób wymuszony wentylatorem). W pośrednim układzie chłodzenia stosuje się dwa obiegi: mały i duży, a liczba podzespołów jest dość duża. Wymieńmy tylko najważniejsze: chłodnica, termostat, wentylator, czujniki temperatury, pompa wody, zbiornik wyrównawczy, nagrzewnica.
Dodatkowo w bloku silnika, w pobliżu najbardziej nagrzewających się części, wydrążone są kanaliki, którymi krąży ciecz chłodząca (to tzw. płaszcz wodny). Wykorzystuje się ją również do nagrzewania wnętrza pojazdu. Po otwarciu zaworu nagrzewnicy przepływające przez nią chłodziwo ogrzewa strumień powietrza skierowany do kabiny pasażerskiej. Wydajność silników chłodzonych cieczą jest wyższa niż chłodzonych powietrzem, pracują one ciszej, łatwiej jednak o usterki ze względu na skomplikowanie układu i wycieki płynu.
Modus operandi
Sercem układu chłodzenia jest pompa wody, odpowiadająca za przetłaczanie chłodziwa. Jej nazwa obecnie jest już nieco umowna, bo w układzie w większości przypadków (szczególnie w naszym klimacie) krąży płyn wyprodukowany na bazie wody demineralizowanej, zmieszanej w odpowiednich proporcjach z glikolem (żeby nie zamarzał), alkoholem i dodatkami antykorozyjnymi. Płyny chłodnicze różnią się parametrami i są dobierane pod kątem materiału, z jakiego zbudowana jest chłodnica. Mitem jest to, że o ich składzie świadczy kolor - to tylko marketingowy zabieg producentów.
Kiedy przekręcimy kluczyk w stacyjce, od razu i automatycznie aktywujemy chłodzenie silnika, bowiem pompa wody jest napędzana przez pasek lub łańcuch rozrządu, ewentualnie pasek klinowy. Dzięki jej pracy płyn zaczyna krążyć po całym układzie chłodniczym pojazdu. Chłodziwo potrafi zmagazynować bardzo dużą ilość energii cieplnej, powstającej podczas spalania mieszanki w cylindrach, i następnie przenieść ją z silnika do chłodnicy, gdzie jej temperatura jest obniżana do akceptowalnego dla układu poziomu.
Chłodnica wchodzi jednak do gry dopiero po pewnym czasie. Początkowo, przy niższych temperaturach, płyn krąży w tzw. małym obiegu, i dzięki specjalnym kanałom we wnętrzu silnika omywa ścianki cylindrów i głowicę silnika. Kiedy silnik osiągnie temperaturę roboczą (ok. 90-100°C), rośnie również temperatura płynu chłodniczego, co wykrywa termostat, płynnie otwierając tzw. duży obieg, z chłodnicą.
Chłodnica to wymiennik ciepła o dość prostej budowie - najczęściej ma formę panelu z poziomych lub pionowych cienkich rurek, pomiędzy którymi dodatkowo znajduje się ożebrowanie z cienkiej blachy, zwiększające powierzchnię odprowadzania ciepła.
Całość jest tak ukształtowana, by efektywnie przepuszczać "na wskroś" powietrze trafiające na chłodnicę z zewnątrz, w czasie jazdy. Z frontu są chronione przez ażurową maskownicę, przez którą powietrze wpływa do chłodnicy, potocznie zwaną "atrapą" lub "grillem". To ważny element designu samochodu, często swoisty "znak firmowy" producenta, który powiela dany motyw w wielu różnych modelach; wystarczy wspomnieć o słynnym scudetto, czyli grillu w formie trójkątnej tarczy Alfy Romeo, "nerkach" BMW, siedmioszczelinowej pionowej atrapie Jeepa, czy "tygrysim nosie", który od pewnego czasu wyróżnia samochody Kia.
Zgodnie z prawami termodynamiki rozgrzany płyn gromadzi się u góry chłodnicy (tam jest montowany kanał doprowadzający i korek z zaworem chroniącym przed zbyt wysokim ciśnieniem nadmiernie rozgrzanej cieczy), a wypływa z niej kanałem dolnym. Jeśli samo powietrze z zewnątrz nie daje rady ostudzić cieczy, chłodnicę wspomaga wentylator. Wentylator jest również pomocny podczas postoju, gdy zabraknie pędu powietrza. Zazwyczaj napędzany jest elektrycznie lub rzadziej od silnika przez sprzęgło wiskotyczne. Włącza się, gdy dostanie sygnał od termowłącznika znajdującego się za termostatem. W zależności od konstrukcji samochodu wentylator może mieć dwa lub trzy biegi, które określają szybkość obracania się śmigła zależnie od temperatury cieczy.
Co dzieje się dalej z cieczą skutecznie schłodzoną w chłodnicy? Trafia do silnika, gdzie ponownie odbiera ciepło od ciężko pracujących podzespołów i cała runda po obiegu chłodzenia zaczyna się od nowa.
Warto jeszcze zauważyć, że nie całe rozgrzane chłodziwo trafia z silnika do chłodnicy - mniejsza część skręca w przeciwną stronę, bliżej tylnej ściany komory silnika, gdzie montowana jest nagrzewnica kabiny. Gdy ciecz opuści nagrzewnicę, z której ciepło odbiera wentylator doprowadzający nagrzane powietrze do kabiny, trafia ona z powrotem do silnika. Nagrzewnica zawsze bierze udział w małym obiegu, chłodnica w dużym. Jak już wspomniałem o tym, który obieg jest w danym momencie "w grze", decyduje niewielki, ale ważny podzespół - termostat.
W nowych autach coraz częściej stosowane są termostaty sterowane elektronicznie. W obudowie takiego termostatu znajduje się niewielka grzałka, która pełni ważną funkcję: kiedy chłodziwo jest jeszcze na tyle zimne, że układ pracuje w małym obiegu z pominięciem chłodnicy, i nagle nastąpi gwałtowny wzrost obciążenia silnika (np. podczas gwałtownego przyspieszania autem z downsizingowym motorem), grzałka błyskawicznie podgrzewa termostat, co pozwala szubko go otworzyć. Niestety takie termostaty są bardziej podatne na uszkodzenia, ze względu na elektroniczne sterowanie.
Dodatkowym elementem systemu chłodzenia silnika jest zbiornik wyrównawczy, jego zadaniem jest kompensowanie objętości nagrzewającej się cieczy. Gdy temperatura rośnie, zwiększa się także objętość płynu, a nadmiar przepływa do zbiornika, gdy ciecz się schłodzi, "manko" w układzie uzupełniane jest zapasem ze zbiorniczka.
Niestety im nowsze auto, tym więcej potencjalnych komplikacji związanych z chłodzeniem, ponieważ mają one bardziej zaawansowane układy, a w zasadzie coś, co obecnie określa się jako systemy zarządzania energią cieplną.
Najczęściej układ chłodzenia jest wtedy podzielony na kilka obiegów, np. oddzielny dla głowicy silnika, osobny dla bloku i kolejny obsługujący turbosprężarkę i intercooler. Układ zarządzania energią cieplną zazwyczaj ma formę modułu zawierającego pompy wody o zmiennym wydatku, zależnym od obciążenia chwilowego silnika, i kilka termostatów, często wspieranych dodatkowo elektrozaworami zamontowanymi na bloku silnika.
Jak to drzewiej bywało
Pierwszy pomysł na schłodzenie silnika spalinowego był banalnie prosty - motor okładano pojemnikami wypełnionymi… kostkami lodu. Oczywiście było to bardzo mało efektywne i inżynierowie musieli szukać lepszych rozwiązań. Analizując rozwój systemów chłodzenia na przestrzeni dekad, może się wydawać, że pierwsze auta były chłodzone powietrzem, a dopiero potem nadeszła era bardziej zaawansowanego chłodzenia wodnego.
Tymczasem już pionierskie automobile Benza, Daimlera i Maybacha wykorzystywały chłodzenie cieczą - metodę sprawdzoną podczas eksploatacji silników spalinowych w przemyśle. Chłodzenie pierwszych napędów samochodowych nie było zresztą wielkim wyzwaniem ze względu na małe prędkości osiągane przez te pojazdy i niewielkie obciążenia jedno- i dwucylindrowych silników. W Patent-Motorwagen Nummer 1 Karl Benz po prostu nalutował na cylinder wykonany z mosiądzu szczelny płaszcz wodny, do którego rurami ze specjalnego zbiornika dopływała zimna woda, a odpływała gorąca.
Liczba cylindrów, moc i temperatury pracy silników szybko rosły, zaczęto więc stosować proste chłodnice. Początkowo głównie w formie rozbudowanych wężownic z żeberkami, które np. umieszczano wprost pod silnikiem lub z boku, jak np. w rajdowych automobilach braci Renault.
Najbardziej zaawansowaną chłodnicę rurową skonstruował w 1892 r. Wilhelm Maybach. Przypominała płaski zbiornik, w którym umieszczono 200 miedzianych rurek. Podczas jazdy strumień powietrza powstający w rurkach schładzał znajdującą się w zbiorniku wodę. W tym samym roku firma Panhard & Levassor przeniosła silnik spod tylnych siedzeń na przód pojazdu, co pozwoliło go skuteczniej chodzić i zastosować frontową chłodnicę.
Prawdziwy przełom nastąpił ok. 1900 r., ponownie za sprawą Maybacha, który w aucie Mercedes 35 HP zainstalował innowacyjną chłodnicę o strukturze plastra miodu - wynalazek stosowany z niewielkimi zmianami do dziś. Maybach zbudował chłodnicę z ponad 8 tys. kanalików zespawanych razem w prostopadłościan. Pozwoliło to na zwiększenie wydajności chłodzenia i zmniejszenie użycia wody o połowę. Z tyłu chłodnicy zamontowano wentylator, co poprawiło chłodzenie przy mniejszych prędkościach.
Co prawda już pod koniec XIX stulecia francuscy wynalazcy (Peugeot, Renault) zaczęli stosować pompę wody, która wymuszała obieg cieczy chłodzącej w zamkniętym układzie chłodzenia, ale przez długie lata dominowały prostsze systemy - otwarte i samoczynne (termosyfonowe).
Otwarte systemy chłodzenia charakteryzowały się dużymi stratami cieczy chłodzącej, dlatego w zbiorniku musiało być jej dużo (w limuzynach z okresu międzywojennego czasem ponad 20 l). Częścią układu termosyfonowego był nowy ważny wynalazek, zintegrowany z silnikiem wewnętrzny płaszcz wodny składający się z systemu kanałów umieszczonych wewnątrz jednego odlewu.
W układzie termosyfonowym na zasadzie konwekcji podgrzana lżejsza woda unosiła się ku górze płaszcza wodnego i przez kolektor trafiała do górnej części chłodnicy. Po schłodzeniu przez strumień powietrza podczas jazdy spływała w dół i ponownie trafiała do dolnej części silnika. Proste, ale mało wydajne, dlatego dość częstym widokiem aż do lat 20. XX w. były kłęby pary buchające z "gotującego" się silnika automobilu. Dlatego jeszcze przed wojną standardem stały się układy chłodzenia silników w obiegu wymuszonym.
Na zakończenie tego wątku ciekawostka dotycząca chłodziwa. Kiedy samochody rozwinęły się na tyle, że zaczęto z nich korzystać także zimą, zwykła woda została wyparta przez eksperymentalne mieszanki niezamarzające. Do chłodnic nalewano wodę z miodem, cukrem lub melasą, a najczęściej z alkoholem metylowym - śmierdzącym i łatwopalnym. Przełomowe okazało się wprowadzenie w 1927 r. przez amerykańską firmę National Carbon Company pierwszego na świecie płynu do chłodnic na bazie glikolu etylenowego pod marką Prestone.
Klimatyzacja w standardzie
Kierowcy i pasażerowie pionierskich automobili często schładzali się i chronili przed słońcem, sięgając po… parasol. Kiedy samochody zyskały zamknięte nadwozia, ratunkiem były uchylane lub opuszczane szyby oraz małe elektryczne wiatraki montowane na desce rozdzielczej.
Pierwsze systemy chłodzenia kabiny auta pojawiły się w USA w latach 30. XX w., montowano je w najdroższych limuzynach, ponieważ zajmowały dużo miejsca i były horrendalnie drogie. Pierwszym producentem, który opcjonalnie wyposażał swoje auta w klimatyzację, był Packard, który w latach 1940-41 oferował ją za 274 dol., co stanowiło prawie 1/3 ceny limuzyny Packard One-Ten. Co gorsza, sprężarka zajmowała pół bagażnika, a klimatyzację można było włączyć lub wyłączyć, jedynie zakładając lub zdejmując ręcznie pasek napędzający sprężarkę.
W latach 50. pojawił się pierwszy samochód, w którym klimatyzacja była standardowym wyposażeniem - Chrysler Imperial Airtemp. Klimatyzacja w tym aucie była nowoczesna, uruchamiana dźwigienką na desce rozdzielczej, nie tylko schładzała, ale także oczyszczała powietrze, które nie było nadmuchiwane na twarze pasażerów, ale rozpylane z rurek umieszczonych w podsufitce! Już w kolejnej dekadzie klimatyzacja upowszechniła się w USA na tyle, że miał ją co drugi amerykański samochód.
W Europie jeszcze długo był to luksus zarezerwowany dla najdroższych limuzyn. Tak naprawdę dopiero w latach 90. XX w. wynalazek ten stał się na Starym Kontynencie powszechny.
Klimatyzacja w samochodzie jest stosunkowo prostym układem, a zasada jego działania jest mało skomplikowana. Można podzielić go na dwie części: wysokiego i niskiego ciśnienia. W układzie krąży czynnik klimatyzacji zmieszany z olejem i utrzymywany pod odpowiednim ciśnieniem.
Najpopularniejszym czynnikiem klimatyzacji jeszcze do niedawna była mieszkanka o oznaczeniu R-134a - tania, łatwo dostępna i skuteczna w działaniu. Niestety szkodliwa dla warstwy ozonowej, dlatego UE zadekretowała stosowanie nowego środka R-1234yf - bardziej ekologicznego, ale wielokrotnie droższego, a do tego łatwopalnego i trującego! W zasadzie najsensowniej byłoby stosować tani, skuteczny i ekologiczny czynnik R-744, czyli po prostu dwutlenek węgla, co próbował przeforsować m.in. Mercedes, ale z jakiegoś tajemniczego powodu cieszy się on mniejszym poparciem unijnych ustawodawców. A jak nie wiadomo, o co chodzi…
Niezależnie od rodzaju czynnika układ klimatyzacji działa zawsze tak samo. Najpierw kompresor (sprężarka) spręża czynnik chłodniczy, który jest w stanie gazowym, co z kolei sprawia, że podnosi się jego ciśnienie i co za tym idzie temperatura.
W skraplaczu, czyli odpowiedniku chłodnicy (bezpośrednio z nią sąsiadującym), następuje obniżenie temperatury czynnika chłodniczego (dzięki pędowi powietrza podczas jazdy i pracy wentylatora), który przechodzi ze stanu gazowego w stan ciekły, stąd nazwa tego podzespołu. Towarzyszy temu oddanie ciepła do otoczenia. Następnie czynnik płynie przewodami do osuszacza, w którym znajduje się filtr odpowiedzialny za usuwanie zanieczyszczeń mechanicznych, pary wodnej i cząstek powietrza.
Następnie w zaworze rozprężnym czynnik chłodniczy zostaje rozprężony do parownika, a towarzyszy temu spadek temperatury ciśnienia i zmiana jego stanu z ciekłego na gazowy. Powietrze o niskiej temperaturze, które powstaje wokół parownika, nadmuchiwane jest przy użyciu wentylatora do wnętrza samochodu. Ostatnim etapem jest zassanie rozprężonego czynnika przez kompresor, co sprawia, że cały proces zaczyna się od początku.
Walka z temperaturą
Na zakończenie warto jeszcze wspomnieć, że we współczesnych samochodach chłodzenie silnika i kabiny nie wyczerpuje tematu regulacji temperatury. Turbodoładowane, downsizingowe, wysilone motory muszą być wyposażone w dodatkowe układy.
Płyn chłodniczy w autach z zaworem recyrkulacji spalin przepływa dodatkowo przez chłodnicę EGR, a w samochodach zasilanych LPG ogrzewa reduktor instalacji LPG. W mocniejszych samochodach potrzebne są także chłodnice oleju oraz specjalne systemy chłodzenia powietrzem silnie rozgrzewających się hamulców. W dieslach dochodzi konieczność chłodzenia paliwa w wysokociśnieniowych układach wtryskowych common rail, a w silnikach turbodoładowanych, które dzisiaj są standardem, niezbędne jest zmniejszenie temperatury powietrza zasysanego przez silnik, co realizowane jest przez chłodnicę powietrza doładowanego, czyli intercooler.
Rosnąca popularność samochodów z napędami alternatywnymi bynajmniej nie odsyła układów chłodzących napędu do lamusa. Choć elektryki zasadniczo mają mniej skomplikowaną konstrukcję mechaniczną, to paradoksalnie ich układy chłodzenia są bardziej złożone niż aut spalinowych i jeszcze bardziej integrują chłodzenie napędu i klimatyzację (poprzez stosowanie tzw. chillera). Jest to jednak temat na tyle szeroki, iż wymaga oddzielnego omówienia.
Krzysztof Michał Jóźwiak
