فهرست مطالب
سیستم خنک‌کننده پیشرانه متشکل از واتر پمپ (پمپ آب)، رادیاتور، فن، ترموستات و لوله‌های متصل‌کننده رادیاتور به پیشرانه به هنگام استفاده از خودرو دائما تحت فشار و تنش‌های متعدد حرارتی است. وجود این سیستم عملکرد صحیح پیشرانه در بازه‌ای مشخص از دما را تضمین می‌کند. اگر بخشی از این سیستم از کار بیفتد، موتور خودرو ممکن است در مدت زمانی بسیار کوتاه دچار آسیب‌های بسیار جدی و هزینه بردار شود.
بدون تردید متوجه شده‌اید که فن سیستم خنک‌کننده پیشرانه در خودروهای مختلف متفاوت است. در این مقاله به بررسی انواع فن رادیاتور خودرو می‌پردازیم تا با مزایا و معایب هر یک از آنها آشنا شویم.
وظیفه فن رادیاتور خودرو، کنترل دما و تاثیر آن بر موتور
می‌دانیم که پیشرانه‌های احتراق داخلی بنزینی و دیزلی به دلیل وجود احتراق پیاپی و فشار وارده بر آنها، به هنگام کارکردن بسیار گرم می‌شوند. در نتیجه مهم است که از افزایش بیش از حد دما در این پیشرانه‌ها جلوگیری به عمل آید. درصد بزرگی از خودروهای امروزی جهان از نوع آب خنک (مایع خنک/Liquid Cooled) هستند. به این معنا که برای خنک شدن پیشرانه در آنها از مدار گردش ترکیبی از مایعات استفاده می‌شود که آن را تحت عنوان کولانت (Coolant) یا مایع خنک کننده می‌شناسیم. درصد محدودی از پیشرانه‌ها، مخصوصا آن‌هایی که در موتورسیکلت‌ها به کار می‌روند نیز از نوع هوا خنک (Air Cooled) هستند که برای کنترل دما از برخورد هوای محیط با بدنه بلوک و سرسیلندر به هنگام حرکت یا فن برقی بهره می‌گیرند.
در هر صورت، پیشرانه احتراق داخلی نیاز دارد تا در دمای مشخصی کار کند. اما چرا؟ اولین چیزی که در فکر هر خواننده‌ای نقش می‌بندد آن است که پیشرانه‌های احتراق داخلی به سرعت گرم می‌شوند. در نتیجه نیاز است تا دمای آنها کاهش یافته تا از بروز آسیب بر اثر سوختن واشر سرسیلندر، داغ شدن بیش از حد روغن روان‌کننده موتور، تاب برداشتن قطعات و سایش بیش از حد قطعات متحرک جلوگیری به عمل آید.
اما پیشرانه‌های احتراق داخلی بنا به یک دلیل مهم دیگر نیازمند کنترل دقیق دمای کاری هستند. این مهم تحت عنوان دمای کاری ایدئال یا Ideal Operating Temperature شناخته می‌شود. اگر دمای کاری پیشرانه در یک بازه مشخص قرار نداشته باشد، عملکرد پیشرانه به‌شدت مختل می‌شود.
در بیشتر پیشرانه‌های آب خنک، دمای ایدئال کاری چیزی بین ۸۵ تا ۱۰۵ درجه سانتیگراد است. اگر دما از این حد بالاتر رود، کولانت درون پیشرانه به مرحله جوشیدن می‌رسد و ضمن نشان دادن دمای درونی خارج از استاندارد پیشرانه، موجب داغ شدن تمامی ادوات و قطعات داخلی آن می‌شود و به اصطلاح جوش می‌آورد. اگر دما پایین‌تر از حد بیان‌شده باشد، احتراق درونی پیشرانه به‌صورت بهینه و ایدئال انجام نشده و آلاینده‌های زیست‌محیطی تولیدی پیشرانه افزایش می‌یابد. این مهم نه‌تنها به معنای کاهش بازده پیشرانه، بلکه به معنای افزایش فشار بر کاتالیزور و اشباع شدن زودهنگام آن است.
در نتیجه سیستم خنک‌کاری پیشرانه به کمک ترموستات، پمپ آب، رادیاتور و فن رادیاتور، دمای پیشرانه را همواره در یک بازه ایدئال و مشخص نگه می‌دارد تا پیشرانه بر اساس پارامترهای طراحی‌شده ایفای نقش کند.
انواع فن رادیاتور ماشین بر اساس طراحی و عملکرد آنها
سیستم فن رادیاتور خودرو بر حسب نوع عملکرد، کاربری خودرو، طراحی فنی پیشرانه و طراحی کلی خودرو از دو نوع مکنده یا دمنده است.
فن‌های نوع مکنده (Puller Fan) در پشت رادیاتور قرار گرفته و هوای سمت دیگر رادیاتور را به سمت خود می‌مکد و آن را مجبور می‌کند تا از شکاف‌های میان لوله‌های خنک‌کننده رادیات عبور کند. نمونه دمنده (Pusher Fan) جلوی رادیاتور قرار می‌گیرد، هوای پیرامون را به درون خود مکیده و سپس با فشار به سمت رادیاتور فوت می‌کند.
از نظر بازده، فن رادیاتور مکنده همواره بازده بالاتری دارد، چرا که مکش فن از پشت رادیاتور تمامی مولکول‌های هوا را مجبور به عبور از شیارهای رادیاتور می‌کند. اما نمونه دمنده الزاما نمی‌تواند تمامی هوای فوت‌کرده را از شیارهای رادیاتور عبور دهد. در نتیجه بازده پایین‌تری دارد. ازاین‌رو نمونه مکنده معمولا در خودروهایی به کار می‌رود که دارای بلوک چدنی هستند، در مناطق آب و هوایی گر‌سیر به کار می‌روند، کاربری پیوسته و طولانی دارند یا این که از پیشرانه‌هایی بهره می‌گیرند که به صورت ذاتی دمای کاری بالاتری دارند. در مقابل، فن رادیاتور دمنده معمولا در خودروهایی استفاده می‌شوند که بلوک آلومینیومی دارند، در بازارهای هدف با آب و هوای معتدل و خنک به کار رفته و سیستم خنک‌کننده آنها در مقایسه با طراحی پیشرانه، دارای ظرفیت کولانت بیشتر است.
طراحی تیغه فن رادیاتور خودرو و موتور بر حسب دبی هوا
منحصر از نوع عملکرد مکانیکی و الکتریکی یا مکنده و دمنده بودن، تیغه فن رادیاتور و موتور الکتریکی به‌کاررفته در آن (در نمونه‌های الکتریکی) بر حسب مقدار نیاز خنک‌کاری پیشرانه طراحی می‌شوند. هر پیشرانه بر حسب متریال به‌کاررفته در فرایند ساخت آن (چدن یا آلیاژ آلومینیوم) و نوع سیستم خنک‌کاری (آب خنک یا هوا خنک)، نیازمند مقدار مشخصی از هوای عبوری در محیط برای حفظ دمای کاری ایدئال است. این حجم هوای عبوری بر حسب واحد CFM (Cubic Feet per Minute) یا فوت معکب در دقیقه اندازه‌گیری و تغیین می‌شود.
به‌عنوان مثال، یک پیشرانه ۸ سیلندر آب خنک چدنی ممکن است به مقدار ۴۰۰۰ فوت معکب در دقیقه هوا برای حفظ دمای ایدئال نیاز داشته باشد. اما یک نمونه آب خنک ۴ سیلندر آلومینیومی، شاید تنها نیازمند ۱۸۰۰ فوت مکعب هوا باشد. در نتیجه این فاکتور اساسی تعیین می‌کند که فن رادیاتور به‌کاررفته در این دو پیشرانه از کدام نوع مکانیکی یا الکتریکی باشد و به کدام روش دمنده یا مکنده ایفای نقش کند. ابعاد و توان موتور الکتریکی به‌کاررفته در آن چقدر باشد و تیغه‌های فن برای تامین دبی مورد نظر دارای چه زاویه‌ای باشند.
انواع فن رادیاتور ماشین بر اساس تامین نیرو
فن خنک‌کننده در خودروها به دو روش مکانیکی یا الکتریکی عمل می‌کنند. بدون تردید هر دو روش طراحی فن‌ها چه از نظر مکنده یا دمنده بودن و چه از نظر عملکرد مکانیکی یا الکتریکی، با مزایا و معایب منحصر به خود همراه هستند. اما موارد منحصرکننده این دو نوع سیستم دقیقا کدام است؟
فن مکانیکی
در نمونه مکانیکی، فن بر روی یک بلبرینگ هرز‌گرد یا روی شفت واتر پمپ قرار گرفته و به کمک دوران میلنگ می‌چرخد. فن‌های مکانیکی به دلیل قرارگیری در محفظه موتور و پشت رادیاتور، ذاتا از نوع مکنده هستند.
مزایای فن مکانیکی
- بازده بالا: بازده عالی از مهم‌ترین مزایای فن مکانیکی است. پیشرانه از لحظه روشن شدن با مصرف کردن سوخت به دوران در می‌آید. فن مکانیکی با صرف مقدار اندکی از نیروی حاصل از احتراق سوخت به کمک میلنگ به چرخش درآمده و پیشرانه را خنک می‌کند.
- دبی هوای عالی: به دلیل کسب نیروی دورانی از سوی میلنگ، زاویه تیغه فن و ابعاد آن می‌تواند قابل توجه بوده و در نتیجه حجم زیادی از هوا جابجا کند. در نتیجه با سرعت بیشتری پیشرانه را خنک می‌کند.
- عمر مفید طولانی: فن‌های مکانیکی به ندرت دچار مشکل می‌شوند. طول عمر بسیار بالای آنها ضریب ایمنی قابل توجهی به ارمغان می‌آورد و در صورتی که خودرو با خرابی تسمه پروانه، ضعف واتر پمپ، خرابی ترموستات یا کیپ شدن رادیاتور مواجه نباشد، خودرو هرگز جوش نمی‌آورد.
- تغییر با دور موتور: فن مکانیکی با تغییرات دور موتور هماهنگ است. در نتیجه زمانی که خودرو تحت فشار و در دور بالا قرار دارد، فن نیز در دور موتور بالا کارکرده و دبی هوای آن افزایش می‌یابد که به معنای افزایش CFM و توان خنک کنندگی است.
معایب فن‌های مکانیکی خودرو
- اتلاف انگلی نیرو: فن مکانیکی به دلیل اتصال به میلنگ، دائما در حال گردش است. در نتیجه زمانی که پیشرانه خنک است همچنان دوران کرده و مقداری از هوا را جابجا می‌کند. این مهم به معنای مصرف اندک اما بیهوده مقدار کمی سوخت است و در نتیجه کمی از توان خالص موتور را نیز هدر می‌دهد. به این هدر رفت انرژی، اتلاف انگلی نیرو یا Parasitic Loss گفته می‌شود.
- وزن نسبتا زیاد: بیشتر فن‌های مکانیکی از تیغه‌های فلزی بهره می‌گیرندو این فن‌ها معمولا وزن قابل توجهی دارند که بر میزان مصرف سوخت و توان خروجی پیشرانه تاثیر فنی می‌گذارند. بسیاری از خودروهای مدرن در نمونه فن مکانیکی از متریال سبک‌تر پلاستیکی برای کاهش وزن بهره می‌گیرند. اما این تیغه‌ها در مقایسه با تیغه فن‌های الکتریکی همچنان وزن بیشتری دارند.
- صدای زیاد: فن‌های مکانیکی با اتصال مستقیم به میلنگ در دور موتورهای بالا صدای زیادی تولید می‌کنند. با تغییر در طراحی تیغه فن می‌توان از صدا و میزان هدر رفت انگلی انرژی آن کاست اما به صورت موازی از دبی فن و توانایی خنک‌کاری آن نیز کاسته خواهد شد.
فن الکتریکی
اما فن‌های الکتریکی به دلیل طراحی فشرده و بسیار باریک می‌توانند به‌صورت مکنده در محفظه موتور و پشت رادیاتور یا به‌صورت دمنده در جلوی رادیاتور (پشت سپر) قرار بگیرند.
مزایای فن الکتریکی
- کنترل عملکرد: فن‌های برقی از طریق کامپیوتر خودرو (ECM یا همان ECU) کنترل می‌شوند. در نتیجه زمانی که پیشرانه سرد باشد، خاموش و فقط زمانی که داغ شود، روشن می‌شوند. قابلیت کنترل عملکرد فن الکتریکی با کنترل بسیار دقیق دمای ایدئال پیشرانه همراه است.
- ابعاد جمع و جور: فن‌های الکتریکی در مقایسه با فن‌های مکانیکی وزن نسبتا کمتری دارند. راحت‌تر دور می‌گیرند و با داشتن ابعاد جمع و جور در انواع مختلف خودروها جا می‌شوند.
- عدم هدررفت انگلی نیرو: فن‌های الکتریکی توان خود را از باتری و دینام دریافت می‌کنند. پس زمانی که روشن می‌شوند، دینام را تحت فشار شارژ باتری و تامین نیروی الکتریکی قرار داده و به اندازه‌ای ناچیز از توان و سوخت مصرفی پیشرانه را به خود اختصاص می‌دهند. در نتیجه می‌توان گفت که هدررفت انگلی انرژی در این نوع فن‌ها قابل چشم‌پوشی است.
معایب فن الکتریکی
- دبی محدود: فن‌های الکتریکی رایج در مقایسه با نمونه‌های مکانیکی دارای دبی هوا (CFM) بسیار کمتری هستند. در نتیجه برای خنک کردن پیشرانه‌های بزرگ‌تر نیاز به استفاده از فن‌های دارای تیغه‌های بزرگ‌تر، موتورهای الکتریکی قدرتمندتر یا استفاده متعدد از دو یا بیش از دو فن وجود دارد.
- عمر محدود: موتور الکتریکی فن‌های برقی خودروها از نوع سری برق مستقیم (SDC) است. در نتیجه دارای جاروبک یا ذغال متصل به روتور هستند. این ذغال‌ها دارای عمر محدود بوده و با تمام شدن آنها فن از کار می‌افتد.
- عملکرد مستقل از فشار: فن‌های الکتریکی در تناسب مستقیم با فشار و دور موتور عمل نمی‌کنند. در نتیجه احتمال افزایش دما تحت فشار متوالی در پیشرانه‌های مجهز به فن الکتریکی بیشتر از فن مکانیکی است.
- سیستم برق قدرتمند: فن‌های الکتریکی توان برقی قابل توجه را طلب می‌کنند. در نتیجه نیازمند وجود دینام قدرتمندتر و باتری بزرگ‌تر هستند. در صورت تغییر فن از مکانیکی به الکتریکی، استفاده از دینام قوی‌تر یک موضوع اجباری است.
تکنولوژی طراحی فن رادیاتور خودرو
در گذر سال‌ها و برای بهبود بازده انواع فن‌ها از تکنولوزی‌های مختلفی استفاده شده است تا ضمن افزایش میزان بازده سیستم، از معایب کلی آنها کاسته شود.
تیغه منعطف
در دنیای فن‌های مکانیکی با تیغه‌های ثابت فلزی یا پلاستیکی، نمونه‌ای فلزی به بازار معرفی شد که در لبه تیغه دارای ورق فنری فولادی زاویه‌دار است. این ورقه فولادی زاویه‌دار در دور پایین با داشتن زاویه حمله تیز‌تر، بیشترین حجم ممکن از هوا را جابجا می‌کند.
زمانی که دور موتور افزایش می‌یابد، زاویه حمله تیغه فن در برخورد با هوا کاهش یافته و دبی آن در تناسب با دور موتور کاهش می‌یابد. به عبارت ساده‌تر، CFM این نوع فن‌ها در دور پایین ماکزیمم است اما در دور بالا با تغییر در زاویه تیغ‌ها کاهش یافته تا ضمن کاهش از هدررفت انگلی انرژی، از خنک شدن بیش از اندازه پیشرانه جلوگیری کند. این نوع فن‌ها با نام تیغه منعطف یا Flex Fan شناخته می‌شوند.
فن کلاچ
تقریبا تمامی خودروهای مدرنی که هنوز با فن‌های مکانیکی روانه بازار می‌شوند، به سیستم کلاچ در هسته پروانه مجهز هستند. این سیستم کلاچ در خودروهای تولید انبوه روزمره از نوع ویسکوز حرارتی (سیالی حساس به دما) است. به این معنا که در داخل هسته آلومینیومی این نوع فن‌ها مقداری مایع سیلیکون وجود دارد.
زمانی که پیشرانه سرد است، سیلیکون سفت شده و در مرکز هسته آلومینیومی انباشته می‌شود. در این حالت تیغه در وضعیت خلاص قرار دارد و با دست قابل جابجایی و چرخش است. زمانی که پیشرانه روشن می‌شود، اصطکاک بسیار کم میان تیغه و شفت اصلی فن فقط در اندازه‌ای است که فن به گردش در می‌آید، اما دبی آن به دلیل مقاومت هوا در برابر گردش تیغه‌ها بسیار کم است. زمانی که باد گرم رادیاتور به هسته آلومینیومی فن برخورد کرده و سیلیکون کم می‌شود، نیروی جانب مرکز موجب فرار مایع سیلیکون از بخش مرکزی به بخش بیرونی هسته آلومینیومی شده و تیغه فن را با شفت درگیر می‌کند تا فن رادیاتور بیشترین بازده ممکن در تناسب با دور موتور را داشته باشد. با گرم و سرد شدن هسته آلمینیومی بر اساس دمای هوای عبوری از رادیاتور، فن کلاچ درگیر و خلاص می‌شود.
این مهم به مقدار قابل توجهی از هدررفت انگلی انرژی و صدای فن می‌کاهد و شرایط ایدئال‌تری برای کنترل دمای موتور فراهم می‌آورد. فن کلاچ در برخی خودروهای بخصوص نظیر خودروهای تجاری، معدنی و راهسازی یا ماشین‌آلات صنعتی ممکن است از نوع مغناطیسی (همانند کلاچ کمپرسور کولر ماشین) یا مکانیکی باشد.
تیغه زاویه متغیر
نمونه بسیار بخصوصی از فن‌های تراز اول و پر بازده وجود دارد که تنها در خودروهای تولید محدود صنعتی، معدنی، راهسازی، تجهیزات دمنده صنعتی و کارگاهی به کار گرفته می‌شود. این فن‌ها دارای مکانیزم تیغه زاویه متغیر هستند که با نام Variable Pitch Fan شناخته می‌شوند.
مکانیزم درونی پیچیده این فن‌ها درست همانند مکانیزم مشابه در ملخ هواپیما و هلیکوپتر عمل می‌کند. به این ترتیب که مقدار دقیق زاویه حمله تیغه‌های فن با توجه به دما و شرایط کاری متغیر است. این زاویه حتی می‌تواند کاملا معکوس باشد. به این معنا که یک فن تیغه متغیر بر اساس زاویه حمله تیغه‌ها می‌تواند به‌صورت دمنده، خلاص (CFM برابر صفر) یا مکنده ایفای نقش کند. این نوع فن در خودروهای تولید انبوه کاربرد ندارد.
فن الکتریکی BLDC
تغییر موتور الکتریکی فن‌های برقی از نمونه SDC به نسخه بدون ذغال نوع BLDC اگرچه با افزایش قابل توجه در قیمت موتور همراه است، اما طول عمر آن به شکل خیره‌کننده‌ای بیشتر و دمای تولیدی هسته موتور و نیاز به تعمیرات در آن بسیار کمتر است.
سوالات متداول
فن رادیاتور خودرو چه وظیفه‌ای دارد؟
وظیفه فن رادیاتور، کمک به خنک نگه داشتن پیشرانه در دمای ایدئال برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد موتور است.
۲. فن‌های رادیاتور به چند نوع تقسیم می‌شوند؟
از نظر عملکرد به مکانیکی و الکتریکی، و از نظر موقعیت به مکنده و دمنده تقسیم می‌شوند.
۳. مزیت اصلی فن مکانیکی چیست؟
بازده بالا، دبی هوای زیاد و عملکرد هماهنگ با دور موتور بدون نیاز به سیستم برق پیچیده.
۴. فن الکتریکی چه برتری‌هایی دارد؟
کنترل دقیق عملکرد، وزن کم، عدم هدررفت نیرو و مناسب برای خودروهای مدرن.
۵. فن کلاچ ویسکوز چیست و چگونه عمل می‌کند؟
فن مکانیکی با سیستم ویسکوز که با گرم شدن، درگیر شده و با خنک شدن، خلاص می‌شود تا مصرف انرژی کاهش یابد.
نویسنده: شهاب انیسی
