المبرد (تبريد المحرك)

تُصنع مشعات السيارات من خزانين علويين معدنيين أو بلاستيكيين، متصلين بنواة ذات ممرات ضيقة متعددة، مما يوفر مساحة سطح كبيرة مقارنة بحجمها. عادةً ما تُصنع هذه النواة من طبقات متراصة من الصفائح المعدنية، تُضغط لتشكيل قنوات وتُلحم معًا. لسنوات عديدة، كانت المشعات تُصنع من نوى نحاسية ملحومة بخزانات علوية نحاسية. أما المشعات الحديثة ، فتستخدم نوى ألومنيوم، وغالبًا ما توفر المال والوزن باستخدام خزانات علوية بلاستيكية مزودة بحشيات. هذا التصميم أكثر عرضة للتلف وأصعب في الإصلاح من المواد التقليدية.

كانت إحدى طرق البناء السابقة هي مشعاع قرص العسل. حيث يتم تشكيل الأنابيب المستديرة على هيئة سداسيات عند أطرافها، ثم يتم تكديسها معًا ولحامها. ولأنها تتلامس فقط عند أطرافها، فإن هذا يشكل ما أصبح في الواقع خزان ماء صلبًا به العديد من أنابيب الهواء. ^{[ 2 ]}

تستخدم بعض السيارات القديمة أنابيب تبريد مصنوعة من أنابيب ملفوفة، وهي بنية أقل كفاءة ولكنها أبسط.

اعتمدت المشعات في البداية على التدفق الرأسي الهابط، مدفوعًا فقط بتأثير الدوران الحراري . يسخن سائل التبريد في المحرك، فيقلّ تركيزه، وبالتالي يرتفع. وعندما يبرد المشع السائل، يزداد تركيزه، فيهبط. هذا التأثير كافٍ للمحركات الثابتة منخفضة القدرة ، ولكنه غير كافٍ لجميع السيارات باستثناء السيارات الأولى. ولسنوات عديدة، استخدمت جميع السيارات مضخات طرد مركزي لتدوير سائل تبريد المحرك لأن الدوران الطبيعي يتميز بمعدلات تدفق منخفضة للغاية.

يُستخدم عادةً نظام من الصمامات أو الحواجز، أو كليهما، لتشغيل مشعاع صغير داخل السيارة. يُسمى هذا المشعاع الصغير، مع مروحة التبريد الخاصة به، قلب المدفأة ، ووظيفته تدفئة مقصورة السيارة. وكما هو الحال مع المشعاع الرئيسي، يعمل قلب المدفأة على سحب الحرارة من المحرك. لهذا السبب، ينصح فنيو السيارات عادةً بتشغيل المدفأة وضبطها على أعلى درجة حرارة إذا كان المحرك يسخن بشكل زائد ، وذلك لمساعدة المشعاع الرئيسي.

نظرًا لأن الكفاءة الحرارية لمحركات الاحتراق الداخلي تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة الداخلية، يُحفظ سائل التبريد تحت ضغط أعلى من الضغط الجوي لرفع درجة غليانه . وعادةً ما يُدمج صمام تخفيف ضغط مُعاير في غطاء تعبئة المبرد. يختلف هذا الضغط بين الطرازات، ولكنه يتراوح عادةً بين 4 و30 رطل لكل بوصة مربعة (30 إلى 200 كيلو باسكال) . ^{[ 4 ]}  

مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد ضغط نظام التبريد حتى يصل إلى نقطة يسمح عندها صمام تخفيف الضغط بتسريب الضغط الزائد. ويتوقف هذا التسريب عند توقف ارتفاع درجة حرارة النظام. في حالة امتلاء الرادياتير (أو خزان التبريد) بشكل زائد، يتم تصريف الضغط الزائد عن طريق السماح بتسريب كمية قليلة من السائل. قد يتسرب هذا السائل ببساطة على الأرض أو يُجمع في وعاء مزود بفتحة تهوية، حيث يبقى عند الضغط الجوي. عند إيقاف تشغيل المحرك، يبرد نظام التبريد وينخفض ​​مستوى السائل. في بعض الحالات، إذا جُمع السائل الزائد في زجاجة، فقد يُعاد سحبه إلى دائرة التبريد الرئيسية. وفي حالات أخرى، لا يحدث ذلك.

قبل الحرب العالمية الثانية، كان سائل تبريد المحرك عادةً ماءً عاديًا. وكان مانع التجمد يُستخدم فقط لمنع التجمد، وغالبًا ما كان ذلك في الطقس البارد. إذا تُرك الماء العادي ليتجمد في كتلة المحرك، فإنه يتمدد أثناء تجمده. وقد يتسبب هذا التمدد في أضرار جسيمة للمحرك من الداخل.

تطلّب تطوير محركات الطائرات عالية الأداء استخدام سوائل تبريد محسّنة ذات نقاط غليان أعلى، مما أدّى إلى اعتماد الجليكول أو مخاليط الماء والجليكول. وقد أدّى ذلك إلى اعتماد الجليكولات لخصائصها المضادة للتجمّد.

منذ تطوير محركات سبائك الألومنيوم أو المحركات المعدنية المختلطة، أصبح منع التآكل أكثر أهمية من مانع التجمد، وفي جميع المناطق والفصول.

قد يؤدي جفاف خزان الفائض إلى تبخر سائل التبريد، مما قد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المحرك بشكل موضعي أو عام. وقد ينتج عن ذلك أضرار جسيمة إذا استمر تشغيل السيارة فوق درجة الحرارة المطلوبة. ومن بين هذه الأضرار تلف حشية رأس الأسطوانة، أو اعوجاج أو تشقق رؤوس الأسطوانات أو كتل الأسطوانات . في بعض الأحيان، لا تظهر أي علامات تحذيرية، لأن حساس درجة الحرارة الذي يزود مقياس الحرارة (سواء كان ميكانيكيًا أو كهربائيًا) يكون معرضًا لبخار الماء، وليس لسائل التبريد، مما يعطي قراءة خاطئة ضارة.

يؤدي فتح غطاء الرادياتير الساخن إلى انخفاض ضغط النظام، مما قد يتسبب في غليانه وخروج سائل وبخار ساخنين بشكل خطير. لذلك، غالبًا ما تحتوي أغطية الرادياتير على آلية تحاول تخفيف الضغط الداخلي قبل فتح الغطاء بالكامل.

يُنسب اختراع مشعاع الماء للسيارات إلى كارل بنز . صمم فيلهلم مايباخ أول مشعاع على شكل قرص العسل لسيارة مرسيدس بقوة 35 حصانًا . ^{[ 5 ]}

قد يكون من الضروري أحيانًا تزويد السيارة بمبرد إضافي لزيادة قدرة التبريد، عندما يتعذر زيادة حجم المبرد الأصلي. يُوصل المبرد الإضافي على التوالي مع المبرد الرئيسي في دائرة التبريد. كان هذا هو الحال عندما تم تزويد سيارة أودي 100 بشاحن توربيني لأول مرة ، مما أدى إلى ظهور سيارة أودي 200. يجب عدم الخلط بين هذه المبردات ومبردات الهواء البينية .

تحتوي بعض المحركات على مُبرّد زيت، وهو عبارة عن مشعاع صغير منفصل لتبريد زيت المحرك . غالبًا ما تحتوي السيارات ذات ناقل الحركة الأوتوماتيكي على وصلات إضافية للمشعاع، مما يسمح لسائل ناقل الحركة بنقل حرارته إلى سائل التبريد في المشعاع. قد تكون هذه المشعاعات من نوع الزيت والهواء، كما هو الحال في نسخة أصغر من المشعاع الرئيسي. أو ببساطة، قد تكون من نوع الزيت والماء، حيث يتم إدخال أنبوب زيت داخل مشعاع الماء. على الرغم من أن الماء يكون أكثر سخونة من الهواء المحيط، إلا أن موصليته الحرارية العالية توفر تبريدًا مماثلًا (ضمن حدود معينة) من مُبرّد زيت أقل تعقيدًا، وبالتالي أرخص وأكثر موثوقية . في حالات أقل شيوعًا، قد يتم تبريد سائل التوجيه المعزز، وسائل الفرامل، وسوائل هيدروليكية أخرى بواسطة مشعاع إضافي في السيارة.

قد تحتوي المحركات المزودة بشاحن توربيني أو شاحن فائق على مبرد داخلي ، وهو عبارة عن مشعاع هواء إلى هواء أو هواء إلى ماء يستخدم لتبريد شحنة الهواء الداخلة - وليس لتبريد المحرك.

يُعدّ تقليل مقاومة الهواء هدفًا رئيسيًا في تصميم الطائرات، بما في ذلك تصميم أنظمة التبريد. تمثلت إحدى التقنيات المبكرة في استغلال تدفق الهواء الوفير للطائرة لاستبدال قلبها ذي الشكل السداسي (الذي يتكون من أسطح متعددة بنسبة عالية من السطح إلى الحجم) بمشعّ مثبت على السطح. يعتمد هذا التصميم على سطح واحد مدمج في جسم الطائرة أو غلاف الجناح، حيث يتدفق سائل التبريد عبر أنابيب في الجزء الخلفي من هذا السطح. وقد شوهدت هذه التصاميم بشكل رئيسي في طائرات الحرب العالمية الأولى.

نظراً لاعتمادها الكبير على سرعة الطيران، فإن مشعات التبريد السطحية أكثر عرضة لارتفاع درجة الحرارة عند الطيران على الأرض. وقد وُصفت طائرات السباق، مثل طائرة سوبرمارين إس.6 بي ، وهي طائرة مائية سباق مزودة بمشعات تبريد مدمجة في الأسطح العلوية لعواماتها، بأنها "تطير وفقاً لمقياس درجة الحرارة" باعتباره الحد الرئيسي لأدائها. ^{[ 7 ]}

كما تم استخدام مشعات سطحية من قبل عدد قليل من سيارات السباق عالية السرعة، مثل سيارة "بلو بيرد " لمالكولم كامبل عام 1928.

يُعدّ عدم السماح لسائل التبريد بالغليان من القيود الشائعة في معظم أنظمة التبريد، إذ يُعقّد التعامل مع الغازات في التدفق عملية التصميم بشكل كبير. بالنسبة لأنظمة التبريد المائي، يعني هذا أن الحد الأقصى لانتقال الحرارة محدود بالسعة الحرارية النوعية للماء والفرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة المحيط و100  درجة مئوية. وهذا يُوفّر تبريدًا أكثر فعالية في فصل الشتاء، أو في المرتفعات العالية حيث تكون درجات الحرارة منخفضة.

من التأثيرات الأخرى ذات الأهمية البالغة في تبريد الطائرات، تغير السعة الحرارية النوعية وانخفاض درجة الغليان مع ازدياد الضغط، ويتغير هذا الضغط مع الارتفاع بوتيرة أسرع من انخفاض درجة الحرارة. لذا، تفقد أنظمة التبريد السائل عمومًا جزءًا من كفاءتها مع ارتفاع الطائرة. وقد شكل هذا عائقًا كبيرًا أمام الأداء خلال ثلاثينيات القرن العشرين، عندما أتاح إدخال الشواحن التوربينية لأول مرة السفر المريح على ارتفاعات تزيد عن 15000  قدم، وأصبح تصميم أنظمة التبريد مجالًا رئيسيًا للبحث.

كان الحل الأكثر وضوحًا وشيوعًا لهذه المشكلة هو تشغيل نظام التبريد بأكمله تحت ضغط. حافظ هذا على السعة الحرارية النوعية عند قيمة ثابتة، بينما استمرت درجة حرارة الهواء الخارجي في الانخفاض. وبالتالي، حسّنت هذه الأنظمة من قدرتها على التبريد مع ارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة لمعظم الاستخدامات، حلّ هذا مشكلة تبريد محركات المكابس عالية الأداء، وقد استخدمت جميع محركات الطائرات المبردة بالسوائل تقريبًا خلال الحرب العالمية الثانية هذا الحل.

مع ذلك، كانت الأنظمة المضغوطة أكثر تعقيدًا وأكثر عرضة للتلف، فبما أن سائل التبريد كان تحت ضغط، فإن أي تلف بسيط في نظام التبريد، كثقب رصاصة واحدة من عيار بندقية، كان يتسبب في اندفاع السائل بسرعة من الثقب. وكانت أعطال أنظمة التبريد، بلا منازع، السبب الرئيسي لأعطال المحركات.

على الرغم من صعوبة تصميم مشعاع تبريد للطائرات قادر على التعامل مع البخار، إلا أنه ليس مستحيلاً. يكمن الشرط الأساسي في توفير نظام يُكثّف البخار ويعيده إلى سائل قبل إعادته إلى المضخات لإكمال دورة التبريد. يستفيد هذا النظام من الحرارة النوعية للتبخر ، والتي تبلغ في حالة الماء خمسة أضعاف السعة الحرارية النوعية في حالته السائلة. ويمكن تحقيق مكاسب إضافية بتسخين البخار إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغليان. وقد حظيت هذه الأنظمة، المعروفة باسم المبردات التبخيرية ، باهتمام بحثي كبير في ثلاثينيات القرن العشرين.

لنفترض وجود نظامي تبريد متشابهين في جميع الجوانب، يعملان عند درجة حرارة محيطة تبلغ 20  درجة مئوية. قد يعمل نظام التبريد السائل بالكامل بين 30  و90  درجة مئوية، موفرًا  فرقًا في درجة الحرارة يصل إلى 60 درجة مئوية لتبديد الحرارة. أما نظام التبريد التبخيري، فقد يعمل بين 80  و110  درجة مئوية. للوهلة الأولى، يبدو هذا الفرق في درجة الحرارة أقل بكثير، لكن هذا التحليل يتجاهل كمية الطاقة الحرارية الهائلة التي تُمتص أثناء توليد البخار، والتي تعادل 500  درجة مئوية. في الواقع، يعمل نظام التبريد التبخيري بين 80  و560  درجة مئوية، أي بفارق فعلي في درجة الحرارة يبلغ 480  درجة مئوية. يمكن لمثل هذا النظام أن يكون فعالًا حتى مع كميات أقل بكثير من الماء.

من عيوب نظام التبريد التبخيري المساحة الكبيرة للمكثفات اللازمة لتبريد البخار إلى ما دون درجة الغليان. ولأن كثافة البخار أقل بكثير من كثافة الماء، فإن مساحة سطح أكبر ضرورية لتوفير تدفق هواء كافٍ لتبريده. استخدم تصميم رولز رويس جوشوك لعام 1933 مكثفات تقليدية تشبه المشعات، وقد أثبت هذا التصميم أنه يمثل مشكلة كبيرة في مقاومة الهواء. في ألمانيا، طور الأخوان غونتر تصميمًا بديلًا يجمع بين التبريد التبخيري ومشعات سطحية موزعة على أجنحة الطائرة وجسمها وحتى دفة التوجيه. بُنيت عدة طائرات باستخدام تصميمهما وحققت العديد من الأرقام القياسية في الأداء، ولا سيما طائرتي هاينكل هي 119 وهاينكل هي 100. مع ذلك، تطلبت هذه الأنظمة مضخات عديدة لإعادة السائل من المشعات الموزعة، وثبت أنها صعبة التشغيل للغاية، كما أنها أكثر عرضة للتلف في المعارك. تم التخلي عن الجهود المبذولة لتطوير هذا النظام بشكل عام بحلول عام 1940. وسرعان ما تم إلغاء الحاجة إلى التبريد التبخيري من خلال التوافر الواسع النطاق للمبردات القائمة على الإيثيلين جليكول ، والتي كانت ذات حرارة نوعية أقل ، ولكن نقطة غليان أعلى بكثير من الماء.

يُسخّن مشعاع الطائرة الموجود داخل قناة الهواء المارّ عبره، مما يؤدي إلى تمدده وزيادة سرعته. يُعرف هذا بتأثير ميريديث ، وتستمد الطائرات المكبسية عالية الأداء المزودة بمشعاعات مصممة جيدًا لتقليل مقاومة الهواء (ولا سيما طائرة P-51 موستانج ) قوة دفعها منه. كانت قوة الدفع كافية لتعويض مقاومة القناة التي يحيط بها المشعاع، مما سمح للطائرة بتحقيق مقاومة تبريد معدومة. في مرحلة ما، وُضعت خطط لتزويد طائرة موستانج بحارق لاحق ، وذلك عن طريق حقن الوقود في قناة العادم بعد المشعاع وإشعاله. ^{[ 8 ]} يتم تحقيق الاحتراق اللاحق عن طريق حقن وقود إضافي في المحرك بعد دورة الاحتراق الرئيسية.

• دليل خدمة وإصلاح أوبل أوميغا وسيناتور . هاينز. 1996. رقم ISBN 978-1-85960-342-0.