مایع خنک‌کننده‌ (کولنت)

مایع خنک‌کننده علاوه بر محافظت از قطعات در برابر خوردگی، از یخ‌زدگی موتور جلوگیری می‌کند. این مایع با دفع حرارت نقش مهمی در تعادل دمای موتور ایفا می‌کند. در موتورهای گازوئیلی سنگین یک‌سوم انرژی تولیدی صرف به حرکت درآوردن وسیله نقلیه می‌شود. یک‌سوم به صورت انرژی گرمایی از اگزوز خارج و یک‌سوم نهایی را هم خنک‌کننده دفع می‌کند.

وجود مایع خنک‌کننده (ضدیخ به علاوه آب) برای دفع گرما و ایجاد تعادل در دمای موتور و بالطبع عملکرد صحیح موتور لازم است چرا که داغ شدن بیش از حد، کارایی روغن و موتور را به‌سرعت کاهش می‌دهد. علاوه بر آب آن در ایجاد تعادل دمایی، گلیکول موجود در مایع خنک‌کننده موتور هم نقش مهمی در جلوگیری از یخ زدن ایفا می‌کند و گرچه آب بهترین عملکرد را در انتقال حرارت دارد اما گلیکول نیز در مایعات خنک‌کننده موتور برای جلوگیری از یخ زدن به کار می‌رود. با وجود اینکه افزودن گلیکول تا حدودی کارایی آب را در انتقال حرارت کاهش می‌دهد اما در بیشتر اقلیم‌ها (آب و هواها) و شرایط محافظت در برابر یخ‌زدگی مهم‌‍‌‌تر است.

تقریباً برای تمام موتورها از خنک‌کننده‌هایی بر پایه سیالات متشکل از نسبت مساوی (50-50) اتیلن گلیکول و آب استفاده می‌شود. اما در موتورهای صنعتی، گاهی سیالاتی برپایه آبِ دارای افزودنی یا مخلوط پروپیلن گلیکول و آب به‌کار می‌رود. اجزای اصلی سیستم بازدارنده (مهارکننده) این خنک‌کننده‌ها که از قدیم‌الایام در امریکا و بسیاری کشورها اغلب سبزرنگ بودند‌، امروزه از مخلوط فسفات/سیلیکات تشکیل می‌شود. بازدارنده‌های معمولی مانند سیلیکات‌ها و فسفات‌ها در واقع یک لایه محافظ میان فلزات و خنک‌کننده ایجاد می‌کنند.

این بازدارنده‌‌ها به لحاظ شیمیایی همان اکسیدهای معدنی (غیرآلی) چون سیلیکات‌ها، فسفات‌ها، بورات‌ها و غیره هستند. چون این سیستم‌های بازدارنده با تشکیل لایه‌های محافظ تخلیه می‌شوند، خنک‌کننده‌های معمولی باید در فواصل منظم دو ساله، هر دو سال یک بار، تجدید شوند. برای محافظت از موتور در برابر خوردگی فناوری‌های گوناگونی توسعه یافتند.

در اروپا مشکلات ناشی از مواد معدنی موجود در آب سخت، تولیدکننده‌ها را به سمت خنک‌کننده‌های بدون فسفات سوق داد. زیرا کلسیم و منیزیم، یعنی مواد معدنی موجود در آب سخت، با بازدارنده‌های فسفاتی واکنش داده و فسفات کلسیم یا منیزیم تشکیل می‌دهند که معمولاً منجر به ایجاد رسوب بر سطوح داغ موتور می‌شود. اما استفاده از بازدارنده‌های بدون فسفات  کاهش انتقال حرارت یا بروز خوردگی در زیر لایه رسوب را به دنبال دارد. همچنین، مایعات خنک‌کننده رایج جایگزین فسفات‌ها، ترکیبی است از اکسیدهای معدنی مانند سیلیکات‌ها و بازدارنده‌هایی موسوم به کربوکسیلات. کربوکسیلات‌ها به جای تشکیل لایه‌ای از بازدارنده‌ها بر تمام سطح، با انجام واکنش شیمیایی در نقاط فلزیِ مستعد خوردگی از خوردگی آن‌ها جلوگیری می‌کنند.

ترکیب کربوکسیلات‌ها و سیلیکات‌ها فناوری هیبریدی یا التقاطی نامیده می‌شود زیرا ترکیبی است از فناوری متداول معدنی (غیرآلی) و فناوری کربوکسیلاتی کامل یا معدنی. خنک‌کننده‌های اروپایی در رنگ‌های متنوعی عرضه می‌شوند و معمولاً هر سازنده رنگ متفاوتی برای محصول خود برمی‌گزیند.

شکل 1. واترپمپ اورژینال موتور کاترپیلار با 750 هزار مایل کارکرد و استفاده از خنک‌کننده با ماندگاری بالا.

در آسیا، مشکلاتی نظیر خرابی آب‌بندهای پمپ آب و انتقال حرارت نامناسب، به ممنوعیت استفاده از خنک‌کننده‌های حاوی سیلیکات منجر شد. همچنین برای محافظت بیشتر، اغلب خنک‌کننده‌ها مرکب از کربوکسیلات‌ها و بازدارنده‌های معدنی چون فسفات‌ها هستند. این خنک‌کننده‌ها خود از نوع هیبریدی هستند اما به دلیل نداشتن سیلیکات، با نمونه‌های هیبریدی اروپایی متفاوت‌اند. خنک‌کننده‌های شرکت‌های خودروسازی آسیایی در رنگ‌های متنوعی از جمله قرمز، نارنجی و سبز تولید می‌شوند.

کولنت‌های بر پایه کربوکسیلات بادوام در جهان پذیرفته شده و عمکرد خود را با فناوری‌های موجود در بازار هم‌سو کرده‌اند. مایعات خنک‌کننده بادوام و کربوکسیلات پایه برای عملکرد بهتر نسبت به فناوری‌های موجود در جهان توسعه یافتند. این فناوری با نام فناوری مکمل‌های آلی (ارگانیک) یا غیرمعدنی (OAT) نیز شناخته می‌شود. از آنجا که این مایعات خنک‌کننده تمام‌کربوکسیلات فاقد سیلیکات هستند، استانداردهای سخت‌گیرانه آسیایی را برآورده می‌کنند. این خنک‌کننده‌ها همچنین به دلیل نداشتن فسفات، با استانداردهای اروپایی مطابقت دارند. علاوه بر این به دلیل محافظت طولانی مدت و عالی در برابر خوردگی محبوبیت جهانی هم پیدا کرده‌اند.

برخی این فناوری را «فناوری مکمل‌های آلی» (OAT) می‌نامند زیرا بازدارنده‌های محافظ آن در برابر خوردگی از اسیدهای کربوکسیلیک مشتق می‌شوند. این محافظت در اصل، به دلیل وجود اسیدهای کربوکسیلیک خنثی به نام کربوکسیلات‌هاست. این تمایز مهم از آنجا ناشی می‌شود که تمام سیالات خنک‌کننده دارای pH خنثی یا قلیایی ( pHبرابر یا بزرگ‌تر از ۷) هستند. یعنی ماده اولیه اغلب خنک‌کننده‌ها اسیدی است. مثلا، خنک‌کننده‌های مبتنی بر فسفات در ابتدا به شکل اسید فسفریک موجودند.

بازدارنده‌های کربوکسیلاتی مانند خنک‌کننده‌‌های معمولی و هیبریدی  در سراسر سطح لایه‌های فراگیر ایجاد نمی‌کنند بلکه برای محافظت از خوردگی با سطوح فلزی واکنش شیمیایی برقرار می کنند. پیامدها یا نتایج این تفاوت در عمل بسیار چشمگیر است: دوام عالی، محافظت بی‌نظیر از آلومینیوم در دمای بالا، همچنین انتقال حرارت در سطوح داغ موتور و لوله‌های رادیاتور دافع گرما، زیرا انتقال حرارت نقش حیاتی در عملکرد بهینه دارد. خنک‌کننده‌های بر پایه کربوکسیلات با کیفیت بالا، در موتورهای ثابت با عملکردی بیش از 32000 ساعت، هیچ نیازی به تعویض از خود نشان نداده‌اند.

خصوصیات مایع خنک‌کننده

بازار لوازم یدکی پر است از مایعات خنک‌کننده باکیفیت و بی‌کیفیت در تمامی رنگ‌ها؛ بنابراین، رنگ معیار و ملاک خوبی برای تشخیص عملکرد آن‌ها نیست. بهترین روش، شناخت دقیق مایع خنک‌کنندهء مناسب موتور و بررسی سیالات مورد استفاده در آن است.

• اگرچه تکنیک‌های زیادی برای اندازه‌گیری میزان گلیکول مایع خنک‌کننده وجود دارد اما استفاده از شکست‌سنج (رفراکتومتر) برای شناسایی دقیق نسبت گلیکول به آب از همه دقیق‌تر است. این کار با تعییین سطح محافظت در برابر یخ‌زدگی، غلظت مناسب بازدارنده‌‌های خوردگی را تضمین می‌کند.
• از دیگر اقدامات پیشگیرانه در مورد مایع خنک‍‌کننده، بررسی سیستم خنک‌کننده است تا از میزان مایع و کارکرد درست آن اطمینان حاصل کنیم. سطح پایین مایع خنک‌کننده مشکلات متعددی برای سیستم ایجاد می‌کند زیرا مایع به همه سطوح نمی‌رسد و نمی‌تواند از آن‌ها در برابر خورندگی بخارات آب و گلیکول محافظت کند. عملکرد نادرست سیستم به مخزن انبساط (که بخشی از مسیر اصلی جریان سیال نیست) ارتباطی ندارد.
• همچنین، درپوش رادیاتور برای حفظ فشار مشخصی طراحی شده و جزء جدایی‌ناپذیر سیستم است. پس برای عملکرد روان و صحیح سیستم باید دید این درپوش فشار مناسب را حفظ می‌کند یا خیر. اگر فشار سیستم کمتر از حد موردنظر باشد، مایع خنک‌کننده در دمای پایین‌تری به جوش می‌آید. این جوش آمدن سریع (Film Boiling) به دلیل ایجاد ذرات داغ و تماس نامناسب با مایع خنک‌کننده موتور منجر به خوردگی شدید می‌شود.
• امروزه، در منابع و بازار، اطلاعات نادرست بسیاری درباره انواع مایعات خنک‌کننده به چشم می‌خورد. اما تا زمانی که از محصولات باکیفیت و تولیدات معتبر استفاده کنید، حتی مخلوط کردن دو مایع خنک‌کننده مختلف مشکل عمده‌ای ایجاد نخواهد کرد. خنک‌کننده‌ها عموما سازگار تلقی می‌شوند، مخلوط دو خنک‌کننده با کیفیت‌ متفاوت منجر به ترکیبی با کیفیت متوسط ​​می‌شود. اگرچه این موضوع مشکل‌ساز نیست، اما مخلوط یک خنک‌کننده عالی با یک خنک‌کننده متوسط ​​یک خنک‌کننده‌ است با عملکرد نه چندان عالی.
• گرچه خنک‌کننده‌ها با رقت‌های مختلف کار می‌کنند اما رقیق شدن بیش از حد مایع خنک‌کننده با آب، تأثیر منفی دارد زیرا میزان بازدارنده‌های خوردگی موتور از مقدار موردنیاز اولیه کمتر می‌شود.
• بهترین ترکیب در بیشتر سیستم‌های خنک‌کننده معادل 50 درصد خنک‌کننده و 50 درصد آب با کیفیت بالا تشکیل شده است. در حالت کلی هم مایعات خنک‌کننده‌ را تا نسبت 40 درصد عصاره (کنستانتره) و 60 درصد آب می‌توان رقیق کرد.
• به طور کلی، تولیدکنندگان با محاسبه افت کیفیت مایعات خنک‌کننده، بازه زمانی یا تاریخ مصرف محصول را معین و درج می‌کنند. مایعات خنک‌کننده معمولی حاوی سیلیکات، اغلب به دلیل تخلیه سریع بازدارنده‌ها اثر خود را از دست می‌دهند. زیرا بخشی از مکانیسم حفاظتی سیلیکات، ایجاد لایه‌های دفاعی بر اجزای سیستم است. بنابراین، بازدارنده‌های مایع خنک‌کننده باید به صورت منظم یا دوره‌ای پر یا تعویض شوند تا در صورت آسیب دیدن لایه سیلیکات، سطوح آسیب نبینند.
• به طور کلی، خنک‌کننده‌ها با گذشت زمان و تجزیه اتیلن گلیکول به اسیدهای گلیکولیک و فرمیک، اثر خود را از دست می‌دهند. این افت کیفیت با کار کردن موتور در دماهای بالا یا ورود هوای اضافی به سیستم خنک‌کننده بیشتر می‌شود.
• خنک‌کننده‌ها، به‌ویژه در کاربری‌های ماشین‌های سنگین، باید سالانه آزمایش، بررسی و در صورت نیاز تعویض شوند. یک آزمایش‌ معروف، سنجش میزان pH است تا همواره بالاتر از 7.0 باشد. گرچه برخی خنک‌کننده‌ها تا pH  های معادل 6.5 هم فعال می‌مانند، البته بهتر است از خنک‌کننده با pH پایین‌تر از 7.0 استفاده نکنید.
• نتیجه تجزیه گلیکول اسید است که منجر به کاهش pH می‌شود. افت کیفیت خنک‌کننده به ‌دلیل تجزیه گلیکول و کاهش pH، فلز موتور را در معرض خوردگی قرار می‌دهد. افت کیفیت مایع خنک‌کننده‌ با استفاده از بازدارنده‌های بادوام، عملکرد صحیح تجهیزات و رعایت استفاده در محدوده تاریخ مصرف، کاهش می‌یابد.
• آزمایش بازدارنده‌های خوردگی روش دیگر بررسی وضعیت مایع خنک‌کننده است. بازدارنده‌های بادوام تا زمانی که درست به کار روند و با مایعات درست پر شوند، نیازی به آزمایش (تست) ندارند. بازدارنده‌های معمولی اما چون خالی می‌شوند نیاز به آزمایش دارند.
• به‌جز آزمایش‌های مربوط به نیتریت و مولیبدات، اطمینان از عملکرد صحیح اغلب مایعات خنک‌کنندهء متداول، نیازمند افزودن مکمل یا تجزیه و تحلیل‌های (آنالیز)آزمایشگاهی است.
• سنجش میزان (پایش) انواع بازدارنده‌ها، نظیر نیتریت‌ها و مولیبدات‌ها، با استفاده از نوارهای آزمایشگاهی (نوار تست) به‌سادگی امکان‌پذیر است. از آنجا که سطح نیتریت‌ در مقایسه با سایر بازدارنده‌ها به‌سرعت کاهش می‌یابد، آزمایش نیتریت فقط میزان نیتریت موجود در مایع خنک‌کننده را مشخص می‌کند نه چیز دیگری را.
• برخی موتورها برای محافظت در مقابل خورندگی کاویتاسیون گه‌گاهی بوش سیلندرهای متحرک خودروها به میزان معینی از بازدارنده‌هایی چون نیتریت نیاز دارند. نیتریت‌ها در خنک‌کننده‌های معمولی به سرعت کاهش می‌یابند و باید در فواصل منظم دوباره تجدید شوند.

• معمولاً میزان کاهش نیتریت در خنک‌کننده‌های با دوام ( (ELCبر پایه کربوکسیلات، پایین‌تر است زیرا کربوکسیلات‌ها از کاویتاسیون جلوگیری کرده و دیرتر افت کیفیت پیدا می‌کنند.

• توصیه تولیدکنندگان تجهیزات اصلی خودرو امروزه استفاده از خنک‌کننده‌های هیبریدی یا کربوکسیلاتی کامل و بادوام است نه خنک‌کننده‌های سبز معمولی و استاندارد. آن‌ها برای ماشین‌های سنگین گازوئیلی، طیف وسیعی از گزینه‌ها ارائه می‌دهند.
• در بخش صنعت، برخی استفاده از خنک‌کننده‌های سیلیکات‌دار‌ و برخی استفاده از خنک‌کننده‌های بدون سیلیکات را توصیه می‌کنند تا انتقال حرارت راحت‌تر صورت بگیرد. در همین راستا، برای جلوگیری از رسوبات آب سخت، برخی خنک‌کننده‌های بدون فسفات را پیشنهاد می‌دهند. این رسوبات تمایل به تشکیل رسوب در داغ‌ترین بخش موتور دارند که خود سبب کاهش انتقال حرارت (داغ شدن) و به‌طبع خوردگی می‌شود.
• در نهایت، برخی تولیدکنندگان تجهیزات اصلی خودرو برای محافظت در برابر کاویتاسیون استفاده از نیترات را الزامی می‌دانند. از آنجایی که پدیده کاویتاسیون بوش سیلندر مختص طراحی است همه موتورها را به یک شکل درگیر نمی‌کند.

خنک‌کننده نقش مهمی در حفظ تعادل گرمایی موتور و خوردگی اجزای آن بازی می‌کند. تخمین زده می‌شود که حدود 60 درصد خرابی موتورها در بخش حمل و نقل تجاری به خنک‌کننده‌ها برمی‌گردد. استفاده از خنک‌کننده‌های موتور باکیفیت و نگهداری دقیق از آن‌ها نقش موثری در پیشگیری و سلامت موتور ایفا می‌کند.

***

همه مورادی که به صورت دقیق علمی اشاره شد در کنار یک  فیلتر خنک کن ( کولنت) قایل اعتماد می تواند عمری طولانی برای موتور داشته باشد. شرط دوام موتور استفاده از یک مایع مناسب با توضیحات آمده در متن بعلاوه یک فیلتر خنک کن معتبر است.