Jäähdytysjärjestelmä

Kohteesta AutoWiki
(Ohjattu sivulta Nestejäähdytys)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Autowikin perusluonteen mukaisesti tämä artikkeli käsittelee aihetta autoilun näkökulmasta, ellei toisin mainita.

Jäähdytysjärjestelmä on nimensä mukaisesti järjestelmä, jota käytetään lämpövoimakoneiden lämmönhallintaan. Tyypillisiä, hallittua lämmönvaihtoa vaativia kohteita, ovat polttomoottorit. Voimansiirto sekä työkoneiden hydrauliikka saattaa vaatia myös jäähdytyksen, mutta useimmiten se ei ole säädeltyä.

Yleisin tapa polttomoottoreiden jäähdyttämiseen on kierrättää jäähdytysnestettä moottorin vesitilassa, jolloin siihen siirtyy lämpöä. Kuumentunut neste ohjataan jäähdytinkennolle, jossa se luovuttaa lämpönsä ympäröivään ilmaan, jonka jälkeen jäähtynyt neste ohjataan takaisin moottorin vesitilaan. Jäähdytinnesteen kiertoa tehostetaan yleensä vesipumpun- ja jäähtymistä kennolla tuulettimen avulla.

Jäähdytin[muokkaa]

Tyypillinen jäähdytinkenno

Jäähdytin on yhdistetty moottoriin ylä- ja alavesiletkulla, jotka liittyvät jäähdyttimen päätysäiliöihin. Vuosikymmenien ajan säiliöt olivat kennon ylä- ja alapuolella, mutta modernissa matalakeulaisessa autossa ne sijaitsevat kennon sivuilla. Säiliöiden välissä on kenno, joka koostuu ohuista putkista ja niiden väliin laskostetusta metallilamellista. Tämän rakenteen ansiosta kennolla on kokoonsa nähden suhteellisen suuri lämpöä siirtävä pinta-ala. Kennon kokoa, nesteputkien määrää ja niiden halkaisijaa muuttamalla voidaan vaikuttaa kennon nestevirtaukseen ja siten lämmön vaihtuvuuteen.

Vuosikymmenien ajan jäähdyttimet valmistettiin juottamalla yhteen teräspellistä valmistetut päätysäiliöt ja kenno. Tällainen valmistustapa mahdollisti korjaamisen vaihtamalla esim. vaurioitunut kenno uuteen, vanhoja säiliöitä käyttäen. Kustannustehokkuuden ja painonsäästön vaatimusten myötä jäähdyttimet valmistetaan nykyisin muovisäiliöillä ja alumiinikennolla. Tällainen jäähdytin ei ole korjattavissa, vaan se on vaihdettava uuteen.

Aivan autoilun alkuvuosikymmeninä jäähdytin oli yksinkertainen mutkille taivutettu putki, jonka jäähdytyspinta-alaa oli kasvatettu putkeen kiinnitetyillä metallirivoilla. Eräs metodi oli ns. "hunajakennojäähdytin", joka koostui pyöreistä putkista, joiden molemmat päät oli tyssätty kahdeksankulmaiseen muotoon. Putket ottavat toisiinsa kiinni ainoastaan päätyosistaan, joista ne juotettiin yhteen. Näin saatiin aikaan nestesäiliö, jonka läpi virtasi jäähdytysilma.

Kennotyyppistä jäähdytintä käytetään myös moottori- ja vaihteistoöljyn sekä ilmastoinnin kylmäaineen jäähdyttämiseen. Auton sisätilan lämmittäminen tapahtuu myös kennotyyppisen lämmönvaihtimen avulla. Moottorin ylikuumenemisen uhatessa lämmityslaitetta voi käyttää jäähdytyksen tehostamiseen.

Vesipumppu[muokkaa]

Ilman pumppua tapahtuva termosifoninen jäähdytyskierto.

Vesipumppu on toimilaite, joka tehostaa nestekiertoa. Autoilun alkuvuosikymmeninä moottorin jäähdytysnesteen kierrossa hyödynnettiin ilmiötä jossa kuumentuneen veden tiheys pienenee ja se kohoaa korkeammalle. Jäähtyessään veden tiheys kasvaa ja se painuu alaspäin. Tällaista vapaata kiertoa kutsutaan termosifoniseksi kierroksi. Se ei ole kovinkaan tehokas tapa moottorin liikalämmön poistamiseen ja siksi jäähdytysnesteen kiertoa alettiin tehostamaan pumpulla.

Vesipumppu on yleisimmin siipipumppu, joka saa käyttövoimansa moottorin kampiakselilta. Vesipumppu oli perinteisessä moottoriarkkitehtuurissa omana komponenttinaan moottorin etupuolella. Samalle akselille, jota käytettiin kiilahihnan välityksellä, oli yleensä sijoitettu myös jäähdyttäjän tuuletin. Poikittaismoottoreiden, tilanpuutteen ja kustannustehokkuuden vaatimusten myötä vesipumppu siirtyi moottorin sisään ja jakohihnan pyörittämäksi. Vesipumppu voi olla myös sähkökäyttöinen.

Termostaatti[muokkaa]

Tyypillinen irtotermostaatti

Moottorin jäähdytysnesteen kiertoa säädellään tyypillisesti termostaatilla. Termostaatti on yksinkertainen, lämpödynamiikkaa hyödyntävä venttiili.

Moottorin ollessa kylmä, termostaatti on suljettu. Jäähdytysneste ei tällöin virtaa vesipumpulta jäähdyttimelle, vaan palaa takaisin kiertoon ohivirtauskanavan tai -letkun kautta. Tällä varmistetaan että moottori saavuttaa mahdollisimman nopeasti ja tasaisesti ihanteellisen toimintalämpötilansa. Kun tämä lämpötila on saavutettu, termostaatti avautuu ja päästää jäähdytysnesteen kiertämään jäähdytinkennon kautta. Termostaatti elää aktiivisesti koko ajan, säädellen jäähdyttimen kautta kierrätettävän nesteen määrää moottorin kuormituksen ja ympäröivän ilman lämpötilan vaihtelujen mukaan.

Joskus aiempina vuosikymmeninä, kun moottorin lämmönhallinta oli vajavaisempaa ja keskittyi hyvin pitkälti pelkkään jäähdytykseen, saatettiin kesäaikana käyttää alhaisemmassa lämpötilassa avautuvaa termostaattia tai jopa poistaa se kokonaan. Nykyaikaisessa moottorissa, jossa pyritään palotapahtuman mahdollisimman tarkkaan hallintaan, termostaattia ei ole suotavaa poistaa ja se saattaa olla jopa mahdotonta. Nykyisin ei myöskään ole käytössä kesä- ja talvitermostaatteja.

Ilmajäähdytteisissä moottoreissa termostaatin avulla säädetään puhaltimelta sylintereille ohjattavan ilman määrää.

Ilmavirran hallinta[muokkaa]

Jäähdytysneste luovuttaa keräämänsä lämmön jäähdyttimen kennon läpi virtaavaan ilmaan. Tätä tehostetaan erillisellä tuulettimella niissä olosuhteissa, joissa pelkkä ajoviima ei riitä tarpeellisen virtauksen aikaan saamiseen.

Pituussuntaisesti asennetuissa moottoreissa oli vuosikymmenien ajan vallitseva tapa, että tuuletin on kiinteästi asennettu samalle akselille vesipumpun kanssa ja ne saavat voimansa kampiakselilta kiilahihnan välittämänä. Tällaisen rakenteen hyviä puolia ovat sen yksinkertainen rakenne ja sen myötä varma toiminta. Huonoja puolia ovat sen moottorille aiheuttama tehohäviö sekä se, ettei kiinteä rakenne pysty muuttamaan toimintaansa olosuhteiden mukaan.

Nämä ongelmat saatiin ratkaistua lisäämällä tuulettimelle viskokytkin. Tämä antaa tuulettimen pyöriä vapaalla kierrolla jäähdytysnesteen ollessa viileää. Nesteen lämmetessä puhallin kytkeytyy päälle joustavasti ja portaattomasti, pidon vaihdellessa kylmän moottorin nollasta aina sataan prosenttiin asti. Esim. kuorma-autojen moottoreissa tämä on edelleen yleisin tapa toteuttaa jäähdyttimen tuuletus.

Moottoreiden kääntö etuvetotekniikan myötä poikittain pakotti valmistajat siirtymään sähkötoimisten tuulettimien käyttöön. Sähkötuuletin saa toimintakäskynsä moottorinohjausyksiköltä ja ennen niiden tuloa autotekniikkaan, suoraan jäähdytysnesteen lämpötilatunnistimelta. Sähköisen tuulettimen hyviä puolia ovat sen mahtuminen pieneen tilaan sekä mahdollisuus käyttää sitä moottorin lämpötilan tasaamiseen, vaikka auto olisikin sammutettu. Huonoja puolia ovat kaikki ne mahdolliset ongelmat, jotka voivat kohdata sähkötoimista laitetta.

Ilmavirran hallintaan kuuluu ilmavirtauksen tehostamisen lisäksi myös sen hillitseminen. Jotta moottori saavuttaisi mahdollisimman nopeasti ihanteellisen toimintalämpötilansa, voi olla tarpeellista rajoittaa jäähdyttimen läpi virtaavan ilman määrää, etenkin kylminä vuodenaikoina. Yksinkertaisimmillaan tämä tapahtuu asentamalla jäähdyttimen ritilälle viimasuoja. Aiempina vuosikymmeninä jotkin autot oli varustettu rullaantuvalla kaihtimella, jota voitiin säädellä ohjaamoon vedetyn ketjun tai narun avulla. Näitä myytiin myös jälkiasennustarvikkeina. Nykyisin mm. BMW käyttää jäähdyttimen ilmavirran hallintaan siivekkeitä, jotka avautuvat ja sulkeutuvat moottorin ohjausyksikön antamien käskyjen mukaisesti.

Paineen hallinta[muokkaa]

Koska polttomoottorin hyötysuhde kasvaa lämpötilan noustessa, pyrkimyksenä on pitää se yli 90 C° lämpöisenä. Koska lämpötila on hyvin lähellä veden kiehumispistettä, järjestelmän paineen on oltava ympäröivää ilmanpainetta korkeampi, jolloin veden kiehumispiste nousee. Tätä pistettä saadaan nostettua lisää tyypillisenä jäähdytysnesteenä käytetyn glykolin avulla. Vesi-glykoliseoksen kiehumispiste 1 barin ylipaineessa on 148 C°.

Jäähdytysnesteen tilavuus kasvaa sen kuumetessa. Normaaliolosuhteissa tämä laajeneminen mahtuu tapahtumaan järjestelmän sisällä, mutta jonkin tekijän muutos moottorin toiminassa tai ulkoisissa olosuhteissa saattaa aiheuttaa ylikuumenemisen, jonka myötä jäähdytysjärjestelmän paine kohoaa yli sen mitoitetun kestokyvyn. Järjestelmän suojana ja varoventtiilinä toimii jäähdyttäjän korkki, joka päästää ylimääräisen paineen purkautumaan ulos.

Jäähdytysjärjestelmän nestekierto on joko avoin tai suljettu. Nykyisin avointa järjestelmää ei enää käytetä ajoneuvojen valmistuksessa, mutta aiempina vuosikymmeninä se oli hyvin yleinen. Avoimessa kierrossa ei ole erillistä keräysastiaa tai paisuntasäiliötä, vaan paineenalennuksen myötä poistuva neste valutetaan maahan. Mikäli korkin avautuminen johtuu jäähdytysjärjestelmän ylitäytöstä, korkki sulkeutuu paineen laskettua ja tilanteen normalisoiduttua.

Mikäli paineen nousu johtuu moottorin ylikuumenemisesta, korkkia ei pidä missään nimessä mennä avaamaan ennen kuin paine on laskenut. Järjestelmässä on yli 100 C° nestettä ja höyryä, joka purkautuu ulos täyttöaukosta väkivaltaisesti. Myös normaalissa käyttölämpötilassa olevan moottorin jäähdyttimen korkin avaamista on vältettävä tai tehtävä se hyvin varoen. Korkin avaamisesta johtuva järjestelmän paineen putoaminen saa nesteen tulvimaan yli ja tästä voi seurata vakavia vammoja.

Suljetussa järjestelmässä mahdollisesti ylivuotava neste kerätään astiaan joka on samassa paineessa ulkoilman kanssa tai suljettu. Täältä se joko imeytyy takaisin järjestelmään tai sitten ei. Tämä riippuu täysin järjestelmän rakenteesta ja toimintatavasta. Suljettu järjestelmä voi myös olla toteutettu paisuntasäiliöllä, jossa voi vallita sama tai pienempi ylipaine kuin itse jäähdytysjärjestelmässä. Paisuntasäiliöllä toteutetussa järjestelmässä nestepinta säiliössä nousee ja laskee moottorin lämpötilan muuttuessa. Tämä on nykyisin yleisin tapa toteuttaa nestekierto, koska se tarjoaa joustoa eikä hukkaa nestettä.

Koska jäähdyttäjän korkilla on suuri merkitys oikean toimintapaineen ylläpidossa, tulee sen olla ehjä ja tiivis. Viallinen ja / tai vuotava korkki ei pidä painetta ja tällöin jäähdytysnesteen kiehumisen riski kasvaa. Liian tiukka tai järjestelmän kannalta liian suuren avatumispaineen omaava korkki antaa paineen nousta liikaa, jolloin on vaarana että paine rikkoo kennon ja säiliön liitoksen, heikon vesiletkun tms.