I en forbrenningsmotor kan gassene bli temmelig hete mens de utvider seg og driver stempelet. Varmen som ikke går med må fjernes fra stempel og sylindervegg, før frisk luft suges inn. Kjølevann må til. Vi ser på fysikken:

Bildet øverst: Ford T hadde så som så med motorkjøling, og kokte intenst og ofte. Drevne førere hadde litervis av vann i kanner bak på bilen. (Foto: Harry Shipler)

Av Stein Bekkevold

Mange bilmotorer er væskekjølte; en vannholdig væske går gjennom motoren og videre til en varmeveksler (radiator) der væsken blir avkjølt med luft. Vannet inneholder noen ganger avleiringer som kan tette kanalene, og kjemikalier som skader – salt er nesten verst.

Vann

Litt mer om denne vidundervæsken som også verdensrommet er fullt av, både som vann og som de to gassene hydrogen og oksygen: Vann (H₂O) har med sine tøffe hydrogenbindinger et svært høyt kokepunkt, det trengs mye energi for å bryte dem – ergo har vann høyt varmeopptak, og er en god kjølevæske.

Svovel ligger nær oksygen i periodesystemet, men kombistoffet hydrogensulfid (H₂S), har ikke slike hydrogenbindinger – og er fortsatt gass ved romtemperatur – selv med dobbelt så høy molekylvekt som vann.

De fleste væskekjølte motorer bruker derfor vann med kjemikalier, antirust-stoffer og andre saker. Blandingene er ofte vann, etylenglykol og tilsetninger. De har også uorganisk og organisk syreteknologi (IAT + OAT), organisk ditto (OAT) og kanskje hybridorganisk (HOAT).

Noen har ikke vann i det hele tatt, men propylenglykol eller propylen- og etylenglykol. Mange væskekjølte har også litt luftkjøling, der forbrenningsrommet kjøles i innsugingstakten.

En kjølevæske er mer enn bare vann, den inneholder også saker som hindrer rust og andre uønskede angrep. Noen er helt uten vann. (Foto: Eurodel)

Må kjøle alt

Det er mange krav til kjølingen. Viktig er å kjøle hele motoren, fordi den svikter hvis én del overopphetes. Derfor må systemet holde alle deler kalde nok.

Væskekjølte motorer kan ha variert størrelse på kanalene slik at sirkulasjonen kan skreddersys til de lokale behovene. Steder med høye topptemperaturer (rundt forbrenningsrommet) eller høy varmestrøm (rundt eksosportene) krever særlig god kjøling. Dette vil redusere antall «hot spots».

Bare de ubevegelige delene av motoren, som blokk og topplokk, kjøles direkte. Bevegelige deler som stemplene, og i noen grad veivaksel og veivstaker må stole på smøreoljen som kjølevæske. Høyytelses-motorer har ofte ekstra olje i tillegg til den som trengs for smøring; ekstra olje sprayes opp i bunnen av stempelet og gir ekstra kjøling. Væskekjølte motorer har sirkulasjonspumpe, den er en slitedel. De første motorene hadde termosifon-kjøling, der kjølevæsken rant fra toppen av motorblokken bort og ned til radiatoren, ble avkjølt og rant videre til bunnen av motoren. Alt ble drevet bare av varmekonveksjon – varmt vann stiger.

Astrofysikere mener at enorme millioner av iskometer på flere tusen meter i diameter tidlig bidro til liv på vår klode, fordi de fraktet is/vann. Her en av dem, Giotto-Halley. (Foto: Nasa)

Fysikken

Varmeoverføring er proporsjonal med temperaturforskjellen. Hvis motorens metall er 250 °C varmt og luften er 20 °C, må jo 230 °C fjernes. I en væskekjølt motor varmes væsken til 135 °C – men kokepunktet er 100 °C – det kan vi glemme da kjølesystemet er under trykk – og har tilpasset væskeblanding – den avkjøles nå med 20 °C varm luft.

I hvert trinn vi ser på har den væskekjølte motoren halvparten så lav temperaturforskjell, og det kan se ut til at den trenger dobbelt så stort kjøleareal. Men egenskapene til kjølevæsken påvirker også kjølingen. Som et eksempel kan ett gram olje ta opp ca 55 % av varmen ved samme temperaturøkning (spesifikk varmekapasitet).

Olje har 90 % av vanns tetthet, så et gitt volum olje kan bare ta opp 50 % av den varmen samme mengde vann klarer. Fordi vannets varmeledningsevne er fire ganger så høy som oljens, hjelper jo dette på varmeoverføringen. Samtidig er oljens viskositet ti ganger større enn vannets, dette øker energien som må til for å pumpe olje til kjøling, og vil redusere motorens netto effekt.

Videre

Om vi sammenligner luft og vann, har luft mye lavere varmekapasitet per gram og per volum, og mindre enn en tidel av konduktiviteten, men har også mye lavere viskositet – likevel har vi luftkjølte bensinmotorer i småfly … Og luftkjøling trenger ti ganger så stor kjøleflate, derfor de store kjølefinnene på sylindrene.

Luft trenger dessuten 2000 ganger større strømningshastighet, men det går fint så lenge vi suser rundt i en Piper Super Cub i 180 km/t … slik vi i årevis gjorde på Saab, i flyklubben.

Passer fint

Vann koker ved omtrent den samme varme som den i en forbrenningsmotor. Dette er flott fordi vann tar opp mye energi med liten temperaturøkning – det heter fordampningsvarme. Dette er flott for å holde ting temperert, særlig når vi leder kjølevæske over varme enheter og skaffer jevn driftstemperatur.

I motsetning varmes kjøleluft opp i hvert trinn når den kjøler varme enheter etter hverandre, det første elementet kan bli altfor sterkt avkjølt og det siste altfor lite – en konstant utfordring med sekssylindrede boksermotorer. Særlig når vi fløy dem vinterstid.

Koking

Når vann koker blir det fort en isolator, med brått tap av kjøleevne pga dampbobler. Damp blir igjen til vann når vannet blandes med en annen kjølevæske, så en motortemperaturmåler kan vise OK temperatur selv om lokale temperaturer er så høye at deler skades.

Før kokte bilmotorer så dampen sprutet over det hele. I dag er dette sjeldent – med gode termostater og så lenge pumpa går. Og det takker vi for ..

Les også: Herr Diesel og hans varmemotor