ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΥΞΗΣ Ι

Ψύξη: γιατί και πόση

Οι (εμβολοφόρες) μηχανές εσωτερικής καύσης παράγουν μηχανικό έργο μετατρέποντας την θερμική ενέργεια του καύσιμου σε κινητική των εσωτερικών μηχανικών μερών τους, με ένα μικρό, μικρούλι, τόσο δα προβληματάκι: είναι τρομακτικά, σε σχετικά μεγέθη, αναποτελεσματικές κατά την διάρκεια όλης αυτής της μετατροπής. Τι σημαίνει «αναποτελεσματικές»? Σημαίνει πως πολύ περισσότερη θερμική ενέργεια εισέρχεται, από ότι μηχανική ενέργεια εξέρχεται. Και η τεράστια διαφορά αυτή που προκύπτει, τι γίνεται? Δυστυχώς και για λόγους που θα δούμε, η πολύ μεγάλη αυτή διαφορά πρέπει με κάποιο τρόπο να απομακρυνθεί αμέσως από το μοτέρ. Δύο είναι οι τρόποι που ο κινητήρας σπρώχνει στα τσακίδια την παρασιτική αυτή θερμότητα: μέσω του θερμού κύματος της ροής των καυσαερίων προς την εξαγωγή και μέσω του συστήματος ψύξης του. Σχετικά με το πρώτο, για την ώρα θα απευθυνθείτε στην βιβλιοθήκη σας και στο κ. Φονσό και την σειρά των Know How του περί εξατμίσεων πριν λίγα χρόνια, για το δεύτερο «καλώς τα τα παιδιά», ξεκινάμε σήμερα τη νέα μας σειρά που αφορά την «κομπρέσα και το θερμόμετρο του μοτέρ».

Όλοι οι κινητήρες, ανεξαρτήτως του βαθμού απόδοσης τους, χρειάζονται κάποια ποσότητα «κακής» θερμικής ενέργειας και, ακόμα και αν μπορούσαμε, ποτέ δεν θα φτιάχναμε έναν κινητήρα με μηδενικές θερμικές απώλειες: ένα ποσό ροής θερμότητας είναι αναγκαίο ώστε μεταξύ των διαφορετικών κινούμενων ή μη μερών, να υπάρχει τάση προς τη λεγόμενη «θερμική ισορροπία». Επίσης, η θερμοδυναμική μας διδάσκει πως ο βαθμός απόδοσης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης αυξάνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία καύσης, οπότε που ακριβώς μπαίνει το ταβάνι στην αύξηση των θερμοκρασιών? Σημαντικότερος παράγοντας εδώ είναι το γεγονός πως οι θερμοκρασίες από κάποιο σημείο και πάνω δύναται να επηρεάσουν (για να το πούμε ευγενικά) ή και να καταστρέψουν ολοσχερώς (για το πούμε λιγότερο ευγενικά) αφενός τα στερεά κομμάτια του μοτέρ και αφετέρου την δομή του λιπαντικού, καταστρέφοντας τελικά τα στερεά κομμάτια του μοτέρ: το λάδι, εκτός από τον περιορισμό των τριβών, δρα και ως «ψυκτικό οριακό στρώμα» μεταξύ ελατήριων-εμβόλων και κυλίνδρου, διατηρώντας τις θερμοκρασίες των τοιχωμάτων εντός επιτρεπτού εύρους καθ’ όλο τον κύκλο. Οι θερμοκρασίες καύσης στο εσωτερικό του κυλίνδρου είναι στιγμιαία πολύ μεγαλύτερες από την «στατική» θερμοκρασία τήξης των μετάλλων του κινητήρα και ικανές να αναφλέξουν το λάδι. Πόσο είναι αυτές?  Το «πόσο» ακριβώς υψηλές είναι, εξαρτάται από ποικίλους παράγοντες ανάλογα με τα χαρακτηριστικά «αρχιτεκτονικής» του κινητήρα και του θαλάμου καύσης του, αλλά σε κάθε περίπτωση μιλάμε για νούμερα  άνω των 2.000^oC  και (ειδικά με τους νέους κινητήρες φτωχών μειγμάτων προς όφελος της κατανάλωσης) μπορούν να πλησιάσουν ακόμα και τους 3.000^oC.

Φυσικά και δεν υπάρχουν υλικά κατασκευής κινητήρων σήμερα που να αντέχουν σε σταθερή θερμική καταπόνηση τέτοιου επιπέδου: οι δυσθεώρητες αυτές τιμές συναντώνται για μικρό μόνο χρονικό κλάσμα του κύκλου λειτουργίας και με την θερμοκρασία συνεχώς να μεταβάλλεται, αυτό που μας ενδιαφέρει είναι η μέση τιμή της κατά τη διάρκεια του κύκλου, που είναι και το μέγεθος που τελικά θα επηρεάσει την θερμοκρασία των μετάλλων: του άνω «θόλου» του θαλάμου καύσης δηλαδή το «εκτεθειμένο» κάτω μέρος της κυλινδροκεφαλής, μαζί με τις βαλβίδες (με έξτρα καταπόνηση φυσικά για τις εξαγωγής, αφού πέραν της καύσης τρώνε και την ροή εξαγωγής), η κορώνα του εμβόλου και το «ενεργό» μήκος του χιτωνίου ή του κυλίνδρου, ανάλογα με το μοτέρ: όταν τα μέταλλα φτάσουν σε οριακά υψηλές θερμοκρασίες, υπόκεινται σε αλλαγές στη κρυσταλλική δομή τους και οι ιδιότητές τους αλλοιώνονται, κάτι που επηρεάζει τις διαστάσεις τους (κολλημένα μοτέρ από διαστολές κτλ.) και την σκληρότητα / ψαθυρότητα / ολκιμότητα τους. Π.χ. για ίδια δυναμική καταπόνηση από πλευράς τάσεων, από κάποια θερμοκρασία και άνω μία μπιέλα μπορεί να στραβώσει πιο εύκολα, ένα έμβολο να παραμορφώσει την κορώνα του με λιγότερες τύψεις ή μία βαλβίδα να χαιρετήσει με μικρότερο ενδοιασμό. Νο1 σκοπός του συστήματος ψύξης λοιπόν, είναι να απομακρύνει θερμότητα με τέτοιο ρυθμό, που να μένουν ανεπηρέαστα και βιώσιμα τα εξαρτήματα της μηχανής, αλλά χωρίς παράλληλα να επηρεάζεται αρνητικά ο βαθμός απόδοσης: εδώ έγκειται και ο όλος συμβιβασμός τον οποίο καλείται να ισορροπήσει το σύστημα ψύξης, αφού όπως είπαμε, η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση του μίγματος όχι μόνο δεν είναι ανεπιθύμητη, αλλά είναι αυτή που θα μας δώσει εν τέλει και τη μηχανική ισχύ.

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής επιτάσσουν πως η υψηλή θερμοκρασία πάει χέρι-χέρι με την υψηλή πίεση και vice versa, και όταν μιλάμε για  μέση πίεση στο κύλινδρο (BMEP) μιλάμε ευθέως ανάλογα για την παραγόμενη στρεπτική ροπή (και κατ’ επέκταση ισχύ). Αν γίνουμε λοιπόν υπερβολικά προσεχτικοί με την αναπτυσσόμενη θερμότητα στο κινητήρα, αυτομάτως σημαίνει πως κινδυνεύουμε να συμβιβάσουμε και τα αλογάκια μας! Ποιος είναι όμως ο ρυθμός απώλειας στο σύστημα ψύξης, με άλλα λόγια, πόση τελικά ακριβώς είναι αυτή η θερμότητα που απομακρύνουμε ποσοτικά? Είπαμε στην εισαγωγή πως το ποσό είναι μεγάλο, αλλά ίσως κάποιοι να μην φαντάζονται ακριβώς την τάξη μεγέθους... Χοντρικά, για ένα τυπικό μοτέρ μπορούμε να απαντήσουμε «το 1/3 της συνολικής παροχής ενέργειας καύσης»: το άλλο 1/3 φεύγει για την εξάτμιση και μένει μόλις το τελευταίο 30-35% για να μεταφερθεί στο στρόφαλο ως περιστροφική κινητική ενέργεια. Και επειδή με ποσοστά ίσως να μην γίνεται κατανοητό το εύρος της «χασούρας» μας, συνειδητοποιήστε πως ένα μοτέρ που βγάζει π.χ. 200 άλογα στο στρόφαλο στο δυναμόμετρο, «πετάει» στην ατμόσφαιρα μέσω της εξάτμισης (εννοούμε ολόκληρης της εξάτμισης, από την βαλβίδα εξαγωγής και μετά, όχι μόνο από την μπούκα πίσω) άλλα 200 άλογα, ενώ μία τρίτη διακοσάδα άλογα την παίρνει το παραφλού και όλα τα υποσυστήματα που βολτάρει (βλ. τεύχος Σεπτεμβρίου)! Με άλλα λόγια, αν είστε περήφανοι που βγάλατε προχτές 200 άτια στρόφαλο, φουσκώστε τώρα ακόμα περισσότερο (ή κλάψτε, αν το δεις από την άλλη) σκεπτόμενοι πως το μοτεράκι σας, στις στροφές μέγιστης ισχύος του, τρέφεται με καύσιμο συνολικής θερμοδυναμικής αξίας 600 ίππων!

Μπορούμε να αυξήσουμε περαιτέρω την θερμοκρασία καύσης, ώστε να βελτιώσουμε τον βαθμό απόδοσης, πάντα εντός του ορίου αντοχής των υλικών? Σήμερα, και με τους αναπόφευκτους τεχνοοικονομικούς παράγοντες στην εξίσωση, δεν υπάρχει κάποια, άμεσα ορατή στον ορίζοντα, ριζοσπαστική λύση στην αυτοκινητοβιομηχανία που θα μας κάνει να «αλλάξουμε επίπεδο». Γίνεται μεγάλο παιχνίδι με τα κράματα σιδήρου-αλουμινίου, αλλά δεν αναμένεται να δείτε σύντομα όργανα θερμοκρασίας σε άλλη κλίμακα θερμοκρασιών από τις καθιερωμένες.

Υπάρχουν, έστω και σε πειραματικό επίπεδο, μηχανές χωρίς καθόλου σύστημα ψύξης (είτε μέσω νερού, είτε μέσω αέρα, όπως θα δούμε αναλυτικά παρακάτω), οι οποίες δηλαδή δεν είναι σχεδιασμένες εξαρχής να μεταφέρουν ενέργεια σε κάποιο ρευστό, αλλά έχουν μόνο «κατά λάθος» θερμικές απώλειες? Υπάρχουν κάποιες, πολύ ειδικές, μηχανές («σχεδόν αδιαβατικές», αφού η θερμοδυναμική ποτέ δεν θα μας επιτρέψει πραγματικά αδιαβατικό κύκλο) που διαθέτουν υπερ-προσεχτική θερμική μόνωση, τόσο προς ενεργειακό όφελος κατά την λειτουργία τους, όσο και για να αποφεύγεται η ανάγκη ξαναζεστάματος του κινητήρα στην επανεκκίνηση. Τέτοια μοτέρακια θα βρείτε σε αυτοκίνητα διαγωνισμών για ρεκόρ ελάχιστης κατανάλωσης, αλλά φυσικά όλη αυτή η ψύχωση των ειδικών αυτών κατασκευών για απόλυτη ενεργειακή απόδοση, χαντακώνει εντελώς άλλα μεγέθη, όπως η απόλυτη ισχύς εξόδου, το βάρος, η αντοχή και οι ρύποι. Μακριά από εμάς λοιπόν αυτά, οπότε πάμε να δούμε πως στο καλό θα ψύξουμε τα δικά μας βαρβάτα και παντοδύναμα μοτέρ.

Αέρας εναντίον νερού: το ζήτημα της διαφοράς κατασκευής

Κατά κανόνα ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης θα ψύχεται από κάποιο ρευστό, μέσω «αγωγής» δηλαδή, η οποία αποτελεί τον έναν εκ των τριών τρόπων μεταφοράς ενέργειας: ο δεύτερος είναι η «συναγωγή», που αποτελεί την μεταφορά θερμότητας εντός της «μασίφ» μάζας του υλικού π.χ. όταν καιγόμαστε από την λαβή μίας πυρομένης ράβδου στο τζάκι, ενώ ο τρίτος και πιο «αόρατος» είναι μέσω ακτινοβολίας π.χ. τα μικροκύματα. Αν το ρευστό είναι ατμοσφαιρικός αέρας κοπανιστός  έχουμε τους «αερόψυκτους» κινητήρες, ενώ αν έχουμε σύστημα ψύξης με ρευστό σε μορφή υγρού, έχουμε «υγρόψυκτο» κινητήρα. Στην δεύτερη κατηγορία η θερμική ενέργεια του υγρού αποβάλλεται στο περιβάλλον είτε μέσω θερμικού εναλλάκτη υγρού-αέρος, είτε μέσω εναλλάκτη υγρού-υγρού. Η δεύτερη αυτή υποκατηγορία (υγρού-υγρού) αφορά κυρίως στατικούς κινητήρες ή μεγάλους ναυτικούς όπου υπάρχει απεριόριστη εξωτερική παροχή ψύξης του εναλλάκτη (π.χ. μεγάλες ποσότητες τρεχούμενου ή θαλασσινού νερού), οπότε το ενδιαφέρον μας επικεντρώνεται στην πρώτη υποκατηγορία όπου το ρόλο του εναλλάκτη υγρού-αέρος παίζει το γνωστό μας «ψυγείο» και το ρόλο του ψυκτικού μέσου το γνωστό «παραφλού». Για ειδική μνεία και ενδελεχή ανάλυση και των δύο, ψυγείο και παραφλού, θα κάνετε υπομονή μέχρι τον επόμενο μήνα.

Εδώ μπαίνει και η διαφοροποίηση του «υδρόψυκτου» κινητήρα, που σταδιακά στο χρόνο μετατράπηκε σε «υγρόψυκτο», αφού όπως θα δούμε το σκέτο νεράκι μαζί με τα καλά του έχει και ανεπιθύμητες ιδιότητες, έδωσε σταδιακά τη θέση του σε διάφορα «αντιψυκτικά» μείγματα νερού, γλυκόλης και αντισκωριακών πρόσθετων. Οι αερόψυκτοι κινητήρες τώρα, σε κάποιο βαθμό είναι και αυτοί και «υγρόψυκτοι» μέσω του λιπαντικού: το σύστημα λίπανσης, ειδικά σε μεγαλύτερους αερόψυκτους, έχει σχεδιαστεί με την πρόβλεψη να μπορεί αποβάλλει και θερμότητα από συγκεκριμένα μέρη «ύψιστης σημασίας» και στην συνέχεια από το ίδιο το λάδι μέσω ευμεγέθους ψυγείου λαδιού, εξού και οι λεγόμενοι «αεροελαιόψυκτοι» κινητήρες κάποιων μεγάλων μοτοσυκλετών όπως π.χ. η Suzuki GSX 1400.

Γενικώς, «άμεση ψύξη» κινητήρα έχουν την πολυτέλεια να διαθέτουν μόνο τα «σταθερά» μέρη του κινητήρα, δηλαδή το μπλοκ και η κεφαλή. Τα κινούμενα μέρη, όπως τα έμβολα, οι μπιέλες και ο στρόφαλος, παίρνουν «έμμεση ψύξη» από το λάδι και μέσω συναγωγής από την επαφή τους με το μπλοκ και το ψυκτικό στο εσωτερικό του. Στον «δανεισμό» λιπαντικού προς βοήθεια του συστήματος ψύξης στηρίζεται και ο ψεκασμός λαδιού μέσω ειδικών για αυτό το σκοπό μπεκ στο κάτω μέρος της «φούστας» του εμβόλου, που παλιότερα συναντάγαμε μόνο σε high performance μοτέρ, αλλά που σήμερα βλέπουμε να εξοπλίζει ακόμα και εντελώς mainstream κινητήρες.

Από την άλλη, όλοι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, μαζί και οι υγρόψυκτοι, είναι και «εσωτερικά αερόψυκτοι», αφού παραδοσιακά το εισερχόμενο μείγμα είναι ένας από τους βασικούς τρόπους ψύξης του θαλάμου καύσης κατά την φάση της εισαγωγής: όλη η φιλοσοφία λοιπόν σχετικά με την θέση του φιλτροκουτιού, τις Cold Air Intakes και τις θερμοκρασίες εισαγωγής, δεν έχει να κάνει μόνο με την πυκνότητα και την μάζα του μείγματος, αλλά και της ενεργής ψύξης του κινητήρα. Αυτό αφορά βέβαια τους παλινδρομικούς εμβολοφόρους, αφού σε έναν Wankel, με τους ξεχωριστούς χωροταξικά θαλάμους κάθε φάσης, κάποια σημεία του κελύφους του ρότορα δεν έρχονται ποτέ σε επαφή με δροσερό φρέσκο μείγμα.

Μιλώντας για χωροταξίες και για «αέρα vs νερό», μία από τις βασικές απαιτήσεις ενός συστήματος ψύξης είναι να κρατάει σε προδιαγεγραμμένη ελεγχόμενη θερμοκρασία ΟΛΑ τα μέρη του κινητήρα, δηλαδή ότι δεν γίνονται επικίνδυνες «εκπτώσεις» κάπου: η αντοχή ολόκληρης της αλυσίδας είναι η αντοχή του ασθενέστερου κρίκου της, και αυτό ισχύει και εδώ, με τους υγρόψυκτους κινητήρες να έχουν το πάνω χέρι με διαφορά. Διαμορφώνοντας κατάλληλα τους αγωγούς και τις διόδους του ψυκτικού υγρού εντός του μπλοκ και της κεφαλής, τόσο μέσω μορφολογίας, όσο και ως προς την απόλυτη διάμετρο, μπορούμε να «επικεντρώσουμε» περισσότερη παροχή υγρού εκεί που πραγματικά υπάρχει ανάγκη και πιθανότητα υπερθέρμανσης, αφήνοντας τα λιγότερα ευαίσθητα σημεία με μικρότερη παροχή. Αυτό είναι κάτι που δεν μπορούν να διαχειριστούν εύκολα οι αερόψυκτοι κινητήρες, με τους σχεδιαστές μηχανικούς να μπορούν εδώ να παίξουν μόνο με την πυκνότητα και το μέγεθος των πτερυγίων ψύξης ανά περιοχή εξωτερικά του κινητήρα, κάτι που έχει αντίκτυπο σε πολυπλοκότητα και κόστος κατασκευής. Τα πτερύγια ψύξης αποτελούν και το βασικό εργαλείο ψύξης των αερόψυκτων μηχανών: αυξάνοντας την επιφάνεια επαφής του κινητήρα με το περιβάλλον, αυξάνεται και η ροή θερμότητας προς τα εκεί μας διδάσκουν οι σχετικοί νόμοι. Πολυπλοκότητα και κόστος (και πηγή πολλών προβλημάτων...) έχει απο την πλευρά της και η ύπαρξη «τρόμπας νερού» στα υγρόψυκτα μοτέρ, αλλά αυτό θα το δούμε σε επόμενη συνέχεια.

Αέρας εναντίον νερού: η κόντρα των νόμων τη φυσικής

Αν εξαιρέσουμε την επιφάνεια διεπαφής, ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από ένα σημείο σε ένα άλλο είναι ανάλογος και με την διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους. Αν π.χ. μία εξωτερική μεταλλική επιφάνεια του κινητήρα βρίσκεται στους 250°C και ο περιβάλλων αέρας στους 20°C, τότε η διαφορά αυτή των 230°C είναι το «φυτίλι» μετακίνησης (αποβολής) θερμικής ενέργειας από το μοτέρ στον αέρα και το βασικό θερμοδυναμικό ατού του αερόψυκτου κινητήρα έναντι του υγρόψυκτού: στον δεύτερο, η θερμοκρασιακή αυτή διαφορά είναι πολύ μικρότερη, αφού προσπαθούμε να κρυώσουμε ψυκτικό υγρό θερμοκρασίας 110, 120, βία 130 °C (πως το κρατάμε υγρό πάνω από τους 100 βαθμούς θα το δούμε το φθινόπωρο), με αντίστοιχο αέρα 20°C. Σε μία πρώτη θεώρηση λοιπόν, με την διαφορά θερμοκρασίας να είναι διπλάσια στον αερόψυκτο από ότι στον υγρόψυκτο, θα περίμενε κανείς και ανάλογη διαφορά στην απαιτούμενη επιφάνεια ψύξης μεταξύ των δύο υλοποιήσεων και υπέρ του πρώτου, αλλά δεν είναι έτσι όμως στη πράξη και εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι οι φυσικές ιδιότητες του κάθε ρευστού μέσου (νερό, αέρας, λάδι, Captain Planet γίναμε).

Για παράδειγμα, το λάδι σε μία μονάδα μάζας του μπορεί να μεταφέρει μόλις το 55% της θερμικής ενέργειας που θα μετέφερε μία μονάδα μάζας νερού για ίδια αύξηση της θερμοκρασίας τους, δηλαδή έχει πολύ μικρότερη «ειδική θερμοχωρητικότητα» σε σχέση με το ύδωρ, κάτι που θα δούμε και αργότερα όταν αφιερωθούμε σε νερά και παραφλού. Δεδομένης και της κατά 10% μικρότερης πυκνότητας του λαδιού σε σχέση με το νερό, στην μονάδα του όγκου (π.χ. σε ένα λίτρο από το καθένα) η διαφορά είναι ακόμα μεγαλύτερη (πυκνότητα = μάζα /όγκος) και φτάνει το 50% μεταξύ νερού και λαδιού, υπέρ του πρώτου. Επιπλέον, η θερμική αγωγιμότητα του νερού είναι 4 φορές μεγαλύτερη από του λαδιού, στρέφοντας περαιτέρω το ζύγι υπέρ του πρώτου και εξηγώντας το γιατί σε αυτοκίνητα με σχετικά όργανα στο ταμπλό, πρώτα θα δείτε να ανεβαίνει ο δείκτης του νερού και (πολύ) μετά αυτός του λαδιού (αυτό προς όσους κάφρους, ελλείψει οργάνου θερμοκρασίας λαδιού, περιμένουν να περάσει το νερό τους 80°C για να σκίσουν το εργαλείο).  Και σαν να μην έφταναν όλα αυτά, το ιξώδες του λαδιού είναι καμιά δεκαριά φορές μεγαλύτερο από ότι στο γάργαρο νεράκι, απαιτώντας ανάλογα μεγαλύτερη ενέργεια και απώλειες ισχύος για το «τρομπαρίσμα» του από μία αντλία. Με τα ελαιόψυκτα μοτέρ λοιπόν «εκτός θερμοδυναμικής μάχης», στην μία γωνία του τελικού έχουμε τον νικητή του ημιτελικού, το νεράκι, και στην άλλη τον διεκδικητή, τον αέρα και την αερόψυξη.

Ο αέρας έχει όχι απλά μικρότερη, αλλά πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη θερμοχωρητικότητα από το νερό (4.000 φορές περίπου) και δέκα φορές περίπου μικρότερη θερμοαγωγιμότητα, ενώ από την άλλη 200 φορές περίπου μικρότερο είναι το ιξώδες του αέρινου φίλου μας σε σχέση με τον τρεχούμενο. Βάζοντας όλα τα παραπάνω δεδομένα σε ένα μίξερ, προκύπτει το μοιραίο για την αερόψυξη: για δεδομένη ισχύ, ένα αερόψυκτο μοτέρ απαιτεί γύρω στις δέκα φορές μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής με το ψυκτικό μέσο, 2.000 φορές μεγαλύτερη ταχύτητα ροής και δέκα φορές μεγαλύτερο ανεμιστήρα αέρα σε ισχύ σε σχέση με μία τρόμπα νερού (στην πράξη και για δεδομένη ισχύ, συνήθως επιλέγεται ένας συνδυασμός των τριών αυτών παραμέτρων: πολλά και ευμεγέθη πτερύγια, μεγαλύτερος ανεμιστήρας από ότι π.χ. το βεντιλαντέρ ενός ψυγείου και αεραγωγοί αμαξώματος + θέση κινητήρα που ευνοούν την ροή του αέρα κατά την κίνηση του οχήματος).

Επιπρόσθετα, το νερό ευνοείται και από τις ιδιότητες του ως προς την «διαδοχική» ψύξη των διαφορετικών μερών, δηλαδή κατά την κατάσταση όπου περνώντας από κάπου θερμαίνεται και πρέπει ακολούθως να ψύξει παρακάτω και άλλο μέρος του κινητήρα κ.ο.κ. Σε έναν αερόψυκτο κινητήρα ο αέρας ξεκινάει από μία x χαμηλή θερμοκρασία και σταδιακά θερμαίνεται και αυξάνεται η θερμοκρασία του ανοδικά καθώς π.χ. διασχίζει το ένα πτερύγιο μετά το άλλο, με δυνητικό αποτέλεσμα το πρώτο σημείο που «χτυπάει» να υπερ-ψύχεται και το τελευταίο εν σειρά να υπο-ψύχεται. Επ’ αυτού το νερό έχει έναν κρυφό άσσο στο μανίκι: την «λανθάνουσα θερμοκρασία ατμοποίησης» (και υγροποίησης αντιστρόφως) που λαμβάνει χώρα κατά την αλλαγή της φάσης του από υγρό σε αέριο. Στο σημείο (όποιο είναι αυτό, βάσει θερμοκρασίας-πίεσης του) που το νερό ατμοποιείται, η απορρόφηση ενέργειας από τη μάζα του δεν ακολουθεί την ανάλογη αύξηση της θερμοκρασίας, αλλά λόγω ασυνέχειας στο οριακό αυτό σημείο, για πολύ μικρή αύξηση της θερμοκρασίας του απορροφά δυσανάλογα μεγάλη ποσότητα θερμικής ενέργειας. Καθώς λοιπόν περνάει το νερό από ένα σημείο του μοτέρ που μπορεί να απορροφήσει τόση θερμική ενέργεια που να ατμοποιηθεί τοπικά, αν παρακάτω κρυώσει και υγροποιηθεί, στο επόμενο θερμό σημείο έχει και πάλι μεγάλη «καβάντζα» ενεργειακής απορρόφησης κ.ο.κ. Ωστόσο η ανεξέλεγκτη τοπική ατμοποίηση του ψυκτικού υγρού και δη στα «λάθος» σημεία, εγκυμονεί κινδύνους και μάλιστα ρεαλιστικότατους: ο ατμός (σε μορφή τοπικών θυλάκων) παίζει το ρόλο θερμομονωτικού, αφού δεν μπορεί να «σηκώσει» τη θερμότητα με τον ίδιο τρόπο που θα γινόταν αν βρισκόταν σε υγρή ακόμα μορφή. Η τοπική αυτή διαφοροποίηση, μπορεί να αποτελέσει «Δούρειο Ίππο» και παγίδα όσον αφορά την παρακολούθηση της θερμοκρασίας ψυκτικού από την καμπίνα: ο ατμός, όταν φτάσει στο όργανο, μπορεί να έχει υγροποιηθεί και να έχει μειωθεί η θερμοκρασία του, τη στιγμή που πιο πριν στο κύκλωμα άλλη ποσότητα ψυκτικού παραμένει ατμοποιημένη με την τοπική θερμοκρασία μετάλλου να χτυπάει κόκκινο συναγερμό. Αξίζει πάντα να θυμόμαστε λοιπόν, πως η θερμοκρασία που διαβάζουμε αφορά συγκεκριμένο (και συχνά μη αντιπροσωπευτικό) σημείο του κυκλώματος και δεν αποτελεί την πλήρη εικόνα της θερμικής κατάστασης του κινητήρα!

Συντριπτική νίκη του νερού λοιπόν?

Όχι, σε καμία περίπτωση, υπήρχαν λόγοι που η Porsche εβγαζε αερόψυκτα αυτοκίνητα 500+ ίππων μέχρι πριν 15 χρόνια και δεν το έκανε σαν φόρο τιμής στον Σκαραβαίο! Ο αέρας μπορεί να μην λέει πολλά ως ψυκτικό μέσο σε σχέση με το νερό και τα μείγματα αυτού, αλλά η αερόψυξη δίνει απλούστερα, ελαφρύτερα και, με τη σωστή μελέτη, πιο αξιόπιστα μοτέρ, τουλάχιστον όσον αφορά αστοχίες του συστήματος ψύξης: ένα υγρόψυκτο σύστημα ψύξης με τα δεκάδες σωληνάκια, υποσωληνάκια, κολάρα του, κολιέ του, στεγανοποιητικά και συνδέσμους του, χαροπαλεύει δυνητικά σε όλα αυτά τα σημεία να εμφανίσει έστω και μία μικρή διαρροή, η οποία ωστόσο υπό συνθήκες μπορεί να ακινητοποιήσει ολόκληρο το όχημα. Αντίθετα, το χτύπημα ή η αποκόλληση ενός π.χ. πτερυγίου, θα έχει μικρό αντίκτυπο στην λειτουργία ενός αερόψυκτου μοτέρ. Και αν η ιδέα του να ακινητοποιηθεί ένα ολόκληρο όχημα εξαιτίας της αστοχίας ενός ασφαλιστικού ή μιας φλαντζόκολλας του 0,50 ευρώ στο αντικείμενο μας, το αυτοκίνητο, μπορεί απλά να σημαίνει «ξενέρα» ή «γ@μησιάτικα μηχανικού», σε εφαρμογές που παίζονται ζωές και η απόλυτη αξιοπιστία είναι το Α και το Ω (βλ. αεροπλάνα), οι αερόψυκτοι κινητήρες έχουν την τιμητική τους. Συμπερασματικά, δεν υπάρχει «νικητής» και «χαμένος» και οι δύο μορφές ψύξης έχουν τις εφαρμογές τους και καθείς στο είδος του: δεν θα αντικαταστήσει πότε ολοκληρωτικά ο υδρόψυκτος κινητήρας τον αερόψυκτο και δεν πρόκειται ποτέ να εξαφανιστούν τα πλεονέκτηματα του πρώτου, ειδικά στις automotive εφαρμογές στις οποίες επικεντρωνόμαστε εδώ.

Παλαιότερα, χωρίς την ύπαρξη των “long-life” αντιψυκτικών παραφλού στο εμπόριο, οι αερόψυκτοι κινητήρες είχαν το πλεονέκτημα τόσο του μικρότερου κόστους συντήρησης (αλλαγή υγρού σε τακτά χρονικά διαστήματα), όσο και της έλλειψης φόβου παγώματος και κατά συνέπεια ζημιάς λόγω διαστολής του ψυκτικού υπό πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, προβλήματα που με τα σύγχρονα υγρά έχουν περάσει στο χρονοντούλαπο της ιστορίας. Τα τελευταία χρόνια επιπλέον, με τις δρακόντειες  νομοθεσίες περί ρύπων και θορύβου (δεν αρέσει σε όλους το υψηλό volume, εμείς είμαστε εξαίρεση...), οι αερόψυκτοι κινητήρες στα αυτοκίνητα έλαβαν άλλο ένα καρφί στο φέρετρο τους: οι μεγάλες μεταβολές στην θερμοκρασία λειτουργίας τους ανάλογα με τις συνθήκες κίνησης του οχήματος και την θερμοκρασία περιβάλλοντος τους δεν ευνοούν τον έλεγχο και τον περιορισμό των εκπομπών ρύπων. Αντίθετα, οι υδρόψυκτοι κινητήρες με την «ρολόι» σταθερή θερμοκρασία λειτουργίας, όπως αυτή ρυθμίζεται από τα επιμέρους υποσυστήματα ανεξαρτήτως αν έξω έχει καύσωνα ή ψοφόκρυο και το κοντέρ 50km/h ή 250km/h, τα καταφέρνουν περίφημα σε αυτόν τον τομέα.

Let the party begin…

Στο πρώτο αυτό μέρος της νέας σειράς Know How, είδαμε το σύστημα ψύξης ως γενική «αρχή λειτουργίας» στις δύο βασικές εκφάνσεις του, καθώς και το τι, πως και γιατί ακριβώς θέλουμε από αυτό, ώστε να μας βοηθήσει να επιτύχουμε την βέλτιστη δυνατή απόδοση και σταθερότητα. Μετά από αυτό το απαραίτητο «ενεργειακό και θερμοδυναμικό» πρώτο κομμάτι, θα δούμε στη συνέχεια και το μηχανολογικό μέρος, όσον αφορά τον μηχανισμό και το κύκλωμα ψύξης των (υδρόψυκτων) κινητήρων. Τρόμπες, ψυγεία, παγουράκια, θερμοστάτες, καλοριφέρ και παραφλού, όλα θα παρελάσουν από τις σελίδες του POWER με τέτοια ενδελέχεια. Καλά αυγουστιάτικα μπάνια, καλό κουράγιο μέχρι τον μήνα των γερμανικών εκλογών και προσοχή στην επιλογή μεταξύ αερόψυξης και υδρόψυξης στη παραλία: να τα εναλλάσετε αρκούντως συχνά, γιατί οι ευκαιρίες καραδοκούν και εντός και εκτός του ύδατος!