In auto’s en motorfietsen met een vloeistofgekoelde interne verbrandingsmotor, is een radiateur aangesloten op kanalen die door de motor en de cilinderkop lopen, waardoor een vloeistof (koelvloeistof) wordt gepompt. Deze vloeistof kan water zijn (in klimaten waar water waarschijnlijk niet zal bevriezen), maar is meestal een mengsel van water en antivries in verhoudingen die passen bij het klimaat. De antivries zelf is meestal ethyleenglycol of propyleenglycol (met een kleine hoeveelheid corrosie-inhibitor).
Een typisch autokoelsysteem bestaat uit:
- een reeks in het motorblok en de cilinderkop gegoten galerijen, die de verbrandingskamers omgeven met circulerende vloeistof om de warmte af te voeren;
- een radiator, bestaande uit vele kleine buizen voorzien van een honingraat van lamellen om de warmte snel af te voeren, die de hete vloeistof van de motor ontvangt en afkoelt;
- een waterpomp, meestal van het centrifugale type, om de koelvloeistof door het systeem te laten circuleren;
- een thermostaat om de temperatuur te regelen door de hoeveelheid koelvloeistof die naar de radiator gaat te variëren;
- een ventilator om koele lucht door de radiator te zuigen.
De radiator geeft de warmte van de vloeistof binnenin af aan de lucht buiten, waardoor de vloeistof afkoelt, die op zijn beurt de motor afkoelt. Radiatoren worden ook vaak gebruikt voor het koelen van automatische transmissievloeistoffen, airconditionerkoelmiddel, inlaatlucht, en soms voor het koelen van motorolie of stuurbekrachtigingsvloeistof. Radiatoren worden meestal gemonteerd op een plaats waar ze luchtstroom ontvangen van de voorwaartse beweging van het voertuig, zoals achter een grille. Bij midden- of achterin gemonteerde motoren is het gebruikelijk de radiator achter een grille te monteren om voldoende luchtstroming te krijgen, hoewel dit lange koelmiddelleidingen vereist. Een andere mogelijkheid is dat de radiator lucht aanzuigt uit de luchtstroom over de bovenkant van het voertuig of uit een aan de zijkant gemonteerde grille. Voor lange voertuigen, zoals bussen, is zijdelingse luchtstroming het meest gebruikelijk voor de koeling van motor en transmissie, en bovenluchtstroming het meest voor de koeling van de airconditioner.
RadiatorconstructieEdit
Automobielradiatoren zijn opgebouwd uit een paar metalen of kunststof voormantels, verbonden door een kern met veel smalle doorgangen, waardoor een groot oppervlak in verhouding tot het volume ontstaat. Deze kern bestaat meestal uit op elkaar gestapelde lagen metaalplaat, die tot kanalen worden geperst en aan elkaar worden gesoldeerd of gesoldeerd. Jarenlang werden radiatoren gemaakt van koperen of messing kernen die aan koperen koppen waren gesoldeerd. Moderne radiatoren hebben aluminium kernen, en besparen vaak geld en gewicht door kunststof kopstukken met pakkingen te gebruiken. Deze constructie is gevoeliger voor defecten en minder gemakkelijk te repareren dan traditionele materialen.
Een vroegere constructiemethode was de honingraatradiator. Ronde buizen werden aan de uiteinden tot zeshoeken gevouwen, vervolgens op elkaar gestapeld en gesoldeerd. Omdat ze elkaar alleen aan de uiteinden raakten, vormde dit in feite een massieve watertank met veel luchtbuizen er doorheen.
Sommige oldtimers gebruiken radiatorkernen die zijn gemaakt van opgerolde buis, een minder efficiënte maar eenvoudigere constructie.
KoelvloeistofpompEdit
Radiatoren maakten voor het eerst gebruik van neerwaartse verticale stroming, uitsluitend aangedreven door een thermosyphon effect. Koelvloeistof wordt in de motor verhit, krijgt een lagere dichtheid en stijgt zo op. Terwijl de radiator de vloeistof afkoelt, wordt de koelvloeistof dichter en daalt. Dit effect is voldoende voor stationaire motoren met een laag vermogen, maar ontoereikend voor alle auto’s, behalve de allervroegste. Alle auto’s hebben jarenlang centrifugaalpompen gebruikt om de motorkoelvloeistof te circuleren, omdat de natuurlijke circulatie zeer lage stroomsnelheden heeft.
KachelEdit
Een systeem van kleppen of schotten, of beide, is gewoonlijk ingebouwd om gelijktijdig een kleine radiator in het voertuig te bedienen. Deze kleine radiator, en de bijbehorende ventilator, wordt de kachelkern genoemd en dient om het interieur te verwarmen. Net als de radiator onttrekt de kachelkern warmte aan de motor. Om deze reden adviseren automonteurs vaak om de verwarming aan te zetten en deze op hoog te zetten als de motor oververhit raakt, ter ondersteuning van de hoofdradiateur.
TemperatuurregelingEdit
WaterstroomregelingEdit
De motortemperatuur in moderne auto’s wordt voornamelijk geregeld door een was-korreltype thermostaat, een klep die opengaat zodra de motor zijn optimale bedrijfstemperatuur heeft bereikt.
Als de motor koud is, is de thermostaat gesloten, afgezien van een kleine bypass-stroom, zodat de thermostaat veranderingen in de temperatuur van de koelvloeistof ervaart als de motor opwarmt. Motorkoelvloeistof wordt door de thermostaat naar de inlaat van de circulatiepomp geleid en wordt rechtstreeks naar de motor teruggevoerd, zonder de radiator te passeren. Door het water alleen door de motor te laten circuleren, bereikt de motor zo snel mogelijk de optimale bedrijfstemperatuur en worden plaatselijke “hot spots” vermeden. Zodra de koelvloeistof de activeringstemperatuur van de thermostaat bereikt, opent deze, waardoor water door de radiator kan stromen om te voorkomen dat de temperatuur hoger wordt.
Eenmaal op optimale temperatuur, regelt de thermostaat de stroom van motorkoelvloeistof naar de radiator, zodat de motor op optimale temperatuur blijft werken. Tijdens piekbelastingen, zoals het langzaam beklimmen van een steile helling met zware belading op een warme dag, zal de thermostaat bijna volledig open staan, omdat de motor dan bijna het maximale vermogen produceert terwijl de snelheid van de luchtstroom over de radiator laag is. (De snelheid van de luchtstroom over de radiator heeft een groot effect op zijn vermogen om warmte af te voeren). Omgekeerd, wanneer u ’s nachts op een koude snelweg snel bergafwaarts rijdt met een licht gaspedaal, zal de thermostaat bijna gesloten zijn omdat de motor weinig vermogen levert en de radiateur in staat is veel meer warmte af te voeren dan de motor produceert. Als er te veel koelvloeistof naar de radiator stroomt, wordt de motor overgekoeld en werkt hij bij een lagere dan de optimale temperatuur, wat leidt tot een lager brandstofrendement en meer uitlaatemissies. Bovendien komen de duurzaamheid, betrouwbaarheid en levensduur van de motor soms in het gedrang, als onderdelen (zoals de krukaslagers) zodanig zijn ontworpen dat rekening wordt gehouden met thermische uitzetting, zodat ze met de juiste speling in elkaar passen. Een ander neveneffect van overkoeling is een verminderde werking van de cabineverwarming, hoewel deze in de meeste gevallen nog steeds lucht blaast met een aanzienlijk hogere temperatuur dan de omgevingstemperatuur.
De thermostaat is daarom constant in beweging binnen zijn bereik, reagerend op veranderingen in de bedrijfsbelasting van het voertuig, de snelheid en de buitentemperatuur, om de motor op zijn optimale bedrijfstemperatuur te houden.
Op oldtimers kunt u een balgthermostaat aantreffen, die een gegolfde balg heeft met daarin een vluchtige vloeistof zoals alcohol of aceton. Deze types van thermostaten werken niet goed bij koelsysteemdrukken boven ongeveer 7 psi. Moderne motorvoertuigen rijden meestal op ongeveer 15 psi, wat het gebruik van het balg-type thermostaat onmogelijk maakt. Bij direct luchtgekoelde motoren is dit geen probleem voor de balgthermostaat die een klep in de luchtgangen regelt.
LuchtstroomregelingEdit
Andere factoren beïnvloeden de temperatuur van de motor, waaronder de grootte van de radiator en het type radiatorventilator. De grootte van de radiator (en dus zijn koelcapaciteit) wordt zo gekozen dat hij de motor op de ontwerptemperatuur kan houden onder de meest extreme omstandigheden die een voertuig kan tegenkomen (zoals het beklimmen van een berg met volle belading op een hete dag).
De snelheid van de luchtstroom door een radiator is van grote invloed op de warmte die hij afvoert. De snelheid van het voertuig beïnvloedt dit, ongeveer in verhouding tot de motorinspanning, waardoor een ruwe zelfregulerende feedback ontstaat. Wanneer een extra koelventilator door de motor wordt aangedreven, volgt deze ook het motortoerental.
Aangedreven ventilatoren worden vaak geregeld door een ventilatorkoppeling van de aandrijfriem, die slipt en de ventilatorsnelheid verlaagt bij lage temperaturen. Dit verbetert de brandstofefficiëntie, omdat de ventilator niet onnodig wordt aangedreven. In moderne voertuigen wordt de koelsnelheid verder geregeld door ventilatoren met variabele snelheid of door radiatorventilatoren die op en neer kunnen draaien. Elektrische ventilatoren worden geregeld door een thermostatische schakelaar of het motorstuurapparaat. Elektrische ventilatoren hebben ook het voordeel dat ze een goede luchtstroom en koeling geven bij lage toerentallen of bij stilstand, zoals in langzaam rijdend verkeer.
Vóór de ontwikkeling van viscous-drive en elektrische ventilatoren, werden motoren uitgerust met eenvoudige vaste ventilatoren die te allen tijde lucht door de radiator aanzogen. Voertuigen waarvan het ontwerp de installatie van een grote radiator vereiste om zwaar werk bij hoge temperaturen aan te kunnen, zoals bedrijfsvoertuigen en tractoren, zouden vaak koel lopen bij koud weer onder lichte belasting, zelfs met de aanwezigheid van een thermostaat, omdat de grote radiator en vaste ventilator een snelle en aanzienlijke daling van de koelvloeistoftemperatuur veroorzaakten zodra de thermostaat openging. Dit probleem kan worden opgelost door een radiatorjaloezie (of radiatorbeschermkap) op de radiator aan te brengen, die zodanig kan worden afgesteld dat de luchtstroom door de radiator gedeeltelijk of volledig wordt geblokkeerd. In zijn eenvoudigste vorm is de blindering een rol materiaal, zoals canvas of rubber, die wordt uitgerold over de lengte van de radiator om het gewenste gedeelte te bedekken. Sommige oudere voertuigen, zoals de S.E.5 en SPAD S.XIII eenmotorige gevechtsvliegtuigen uit de Eerste Wereldoorlog, hebben een reeks rolluiken die vanuit de bestuurders- of pilotenstoel kunnen worden versteld om een zekere mate van controle te bieden. Sommige moderne auto’s hebben een reeks luiken die automatisch worden geopend en gesloten door de motorbesturingseenheid om een evenwicht te vinden tussen koeling en aërodynamica, naar gelang van de behoefte.
KoelmiddeldrukEdit
Omdat het thermisch rendement van verbrandingsmotoren toeneemt met de inwendige temperatuur, wordt de koelvloeistof op een hogere druk gehouden dan de atmosferische druk om het kookpunt te verhogen. Een gekalibreerd drukontlastingsventiel is gewoonlijk in de vuldop van de radiator ingebouwd. Deze druk varieert van model tot model, maar varieert gewoonlijk van 4 tot 30 psi (30 tot 200 kPa).
Als de druk in het koelvloeistofsysteem toeneemt met een stijging van de temperatuur, zal deze het punt bereiken waarop de overdrukklep de overtollige druk laat ontsnappen. Dit stopt wanneer de systeemtemperatuur niet meer stijgt. In het geval van een overvolle radiator (of voorfiltertank) wordt de druk ontlast door een beetje vloeistof te laten ontsnappen. Dit kan gewoon op de grond weglopen of worden opgevangen in een ontluchtingsvat dat onder atmosferische druk blijft. Wanneer de motor wordt afgezet, koelt het koelsysteem af en daalt het vloeistofpeil. In sommige gevallen, wanneer de overtollige vloeistof in een fles is opgevangen, kan deze in het hoofdkoelvloeistofcircuit worden “teruggezogen”. In andere gevallen is dat niet het geval.
MotorkoelvloeistofEdit
Vóór de Tweede Wereldoorlog was motorkoelvloeistof meestal gewoon water. Antivries werd alleen gebruikt om bevriezing tegen te gaan, en dit gebeurde vaak alleen bij koud weer.
De ontwikkeling van hoogwaardige vliegtuigmotoren vereiste betere koelvloeistoffen met een hoger kookpunt, wat leidde tot de toepassing van glycol- of water-glycolmengsels. Deze leidden tot de toepassing van glycolen vanwege hun antivrieseigenschappen.
Sinds de ontwikkeling van aluminium of mixed-metal motoren, is corrosie-inhibitie nog belangrijker geworden dan antivries, en in alle regio’s en seizoenen.
Koken of oververhittingEdit
Een overloopreservoir dat droogloopt, kan ertoe leiden dat de koelvloeistof verdampt, wat plaatselijke of algemene oververhitting van de motor tot gevolg kan hebben. Ernstige schade kan het gevolg zijn, zoals gesprongen koppakkingen en kromgetrokken of gebarsten cilinderkoppen of cilinderblokken. Soms is er geen waarschuwing, omdat de temperatuursensor die gegevens voor de temperatuurmeter levert (mechanisch of elektrisch) wordt blootgesteld aan waterdamp, niet aan de vloeibare koelvloeistof, wat een schadelijk verkeerde meting oplevert.
Het openen van een hete radiateur verlaagt de systeemdruk, waardoor deze kan gaan koken en gevaarlijk hete vloeistof en stoom kan uitstoten. Daarom bevatten radiatordoppen vaak een mechanisme dat probeert de interne druk te verlichten voordat de dop volledig kan worden geopend.
GeschiedenisEdit
De uitvinding van de waterradiator in auto’s wordt toegeschreven aan Karl Benz. Wilhelm Maybach ontwierp de eerste honingraatradiator voor de Mercedes 35pk.
Extra radiatorsEdit
Het is soms noodzakelijk dat een auto wordt uitgerust met een tweede, of extra, radiator om de koelcapaciteit te vergroten, wanneer de omvang van de oorspronkelijke radiator niet kan worden vergroot. De tweede radiator wordt in serie met de hoofdradiator in het circuit aangesloten. Dit was het geval toen de Audi 100 voor het eerst van een turbocompressor werd voorzien, waardoor de 200 ontstond. Deze moeten niet worden verward met intercoolers.
Sommige motoren hebben een oliekoeler, een aparte kleine radiator om de motorolie te koelen. Auto’s met een automatische transmissie hebben vaak extra aansluitingen op de radiateur, zodat de transmissievloeistof zijn warmte kan afstaan aan de koelvloeistof in de radiateur. Dit kunnen olieluchtradiatoren zijn, zoals voor een kleinere versie van de hoofdradiateur. Eenvoudiger gezegd kunnen het olie-water-koelers zijn, waarbij een olieleiding in de waterradiator wordt gestoken. Hoewel het water heter is dan de omgevingslucht, biedt zijn hogere thermische geleidbaarheid een vergelijkbare koeling (binnen bepaalde grenzen) door een minder complexe en dus goedkopere en betrouwbaardere oliekoeler. Minder vaak worden stuurbekrachtigingsvloeistof, remvloeistof en andere hydraulische vloeistoffen gekoeld door een hulpradiateur op een voertuig.
Turbo- of supercharged-motoren kunnen een intercooler hebben, dat is een lucht-lucht- of lucht-waterradiateur die wordt gebruikt om de inkomende luchtvracht te koelen – niet om de motor te koelen.