Het doel van het koelsysteem is niet alleen het koelen van de motor. De belangrijkste taak
van het koelsysteem is het op bedrijfstemperatuur houden van de motor. Dat wil zeggen dat
het koelsysteem ook ervoor moet zorgen dat de motor zo snel mogelijk op
bedrijfstemperatuur komt. Als de motor op bedrijfstemperatuur is, mag hij niet te veel
afkoelen en ook niet te heet worden. Dat beheersen van de bedrijfstemperatuur is de taak
van het koelsysteem.
Het rendement van de motor is een belangrijk gegeven. Bij een motor is het rendement de
verhouding tussen de energie die wordt toegevoerd om de motor te laten draaien en datgene
wat de motor produceert. Dat laatste met als doel het in beweging brengen van de auto.
De toegevoerde energie bij een verbrandingsmotor is de brandstof. Dat is energie in
chemische vorm die in mechanische energie wordt omgezet. Die mechanische energie wordt
omgezet in koppel en vermogen. Dat kunnen we meten. Dat gebeurt op een
motorproefstand.
De brandstof verbrandt. Dat levert warmte op. Niet alle verbrande brandstof wordt voor de
aandrijving gebruikt. Veel verbrandingswarmte verdwijnt gewoon door de uitlaat in de
buitenlucht. En heel veel warmte wordt door de koelvloeistof afgevoerd.
Maar weinig energie is uiteindelijk bestemd om de wielen te laten draaien.
Het is dan ook heel belangrijk dat de motor op bedrijfstemperatuur draait. Dat de motor op de
juiste bedrijfstemperatuur draait is belangrijk, omdat:
De bedrijfstemperatuur moet zo snel mogelijk bereikt zijn. Daardoor zullen de verschillende
motoronderdelen zo min mogelijk slijten. En dat komt omdat dan ook de motorsmering op z’n
best werkt.
Onder sommige bedrijfsomstandigheden kan de motor ook te warm worden. Dat is
bijvoorbeeld als de rijwind wegvalt of sterk verminderd. Zoals dat gebeurt bij filerijden. Maar
ook als de motor zwaar belast wordt. Dat komt voor in het warme seizoen, tijdens het
berijden van een kilometers lange helling in het buitenland. Extra motorbelasting ontstaat
dan ook nog door het trekken van bijvoorbeeld een caravan. De motorkoeling moet dan ook
echt als koeling werken.
Luchtkoeling zien we meestal bij tweewielers. De auto’s die tegenwoordig geproduceerd
worden hebben altijd vloeistofkoeling. Er komen echter nog regelmatig auto’s met
luchtkoeling in de werkplaats.
En dan zijn er twee soorten luchtkoeling.
De ene is rijwindkoeling. Dat zie je bij veel motorfietsen. De rijwind blaast over en langs de koelribben.
De andere soort luchtkoeling is de geforceerde koeling. Daarbij is plaatwerk om de
koelribben gemonteerd. Dat zorgt voor de geleiding van de lucht. Die lucht wordt door een ventilator
(schoepenwiel) langs de koelribben geblazen. Omdat de ventilator aan het einde van de krukas is bevestigd, draait deze met dezelfde snelheid als de motor.
Het voordeel van luchtkoeling is dat het geen onderhoud nodig heeft.
De luchtkoeling kan niet geregeld worden. Om een verbrandingsmotor zo snel en zo
constant mogelijk op bedrijfstemperatuur te houden is vloeistofkoeling noodzakelijk.
Een verbrandingsmotor op bedrijfstemperatuur draait op z’n zuinigst. En ook:
Figuur 1: Weergave van een koelsysteem; belangrijke onderdelen zijn de radiateur (1), de
thermostaat in het thermostaathuis (2), de kachelradiateur (4), de blower voor het interieur
(5) en het expansiereservoir (8).
Het koelsysteem zorgt er voor dat de warmte die ontstaat ten gevolge van de verbranding en
het bewegen van de onderdelen wordt afgevoerd. Belangrijk is een voldoende circulatie –
aan- en afvoer – van de koelvloeistof.
De taak van de koelvloeistof is dan ook het opnemen van warmte. Natuurlijk kan dat niet
onbeperkt doorgaan – op een gegeven moment zal de koelvloeistof gaan koken – dus moet
de door de koelvloeistof opgenomen warmte ook weer afgevoerd worden.
Figuur 2: Autofabrikanten schrijven een bepaald type koelvloeistof voor. Welk type dat moet
zijn kan je opzoeken in de werkplaatsdocumentatie.
Het motorblok en de cilinderkop zijn als het ware dubbelwandig geconstrueerd. Tussen die
twee wanden stroomt de koelvloeistof. In de cilinderkop zijn er nog speciale
koelvloeistofkanalen aangebracht.
Het koelsysteem heeft tot taak het verzorgen van de koelvloeistofcirculatie, warmteafvoer en
het op bedrijfstemperatuur brengen en houden van de motoronderdelen.
1. voor de koelvloeistofcirculatie zorgt een koelvloeistofpomp.
2. de radiateur zorgt, bijgestaan door de rijwind, voor de warmteafvoer. Valt de rijwind
weg dan wordt bij het bereiken van een bepaalde koelvloeistoftemperatuur een
ventilateur ingeschakeld.
3. voor het zo snel mogelijk op bedrijfstemperatuur brengen en houden van de motor
zorgt een thermostaat.
Thermomanagement is het beheersen van de temperaturen in een motor. Het zorgt er voor
dat de temperatuur van de motor zo snel mogelijk op ongeveer 90º C wordt gebracht.
Hierdoor wordt de wrijving in de motor door de snelle opwarming van de motorolie gunstig
beïnvloed. Het kleppenmechanisme werkt dan optimaal; zeker als de kleppen hydraulische
stoters hebben.
Ook de katalysator komt eerder op de temperatuur waarop deze actief
schadelijke uitlaatgassen kan omzetten. De starttemperatuur ligt zo rond de 250º C. Dat heet
de light-off temperatuur.
Thermomanagement wordt tot stand gebracht door warmtewisselaars of
volumestroomgeregelde koelvloeistofpompen. Die koelvloeistofpompen zijn elektrisch en
kunnen dus in de opwarmfase uitgeschakeld worden.
Daarvoor zorgt het motormanagementsysteem. Afhankelijk van de motorbelasting wordt de koelvloeistofpomp
ingeschakeld. Thermomanagement kan op die manier een brandstofbesparing van 1 tot 3%
opleveren. En door de snelle opwarming is er aanzienlijk minder motorslijtage.
De meeste motoren hebben echter nog een door de ventilatorriem of multiribriem
aangedreven koelvloeistofpomp.
Figuur 3: Dit is een elektrische volumestroomgeregelde koelvloeistofpomp. In het kort komt
het er op neer, dat de snelheid van de pomp zich aanpast aan de gewenste koeling. Het
volume aan koelvloeistof dat wordt rondgepompt kan worden aangepast door het verhogen
of verlagen van het pomptoerental.
Als de motor nog niet op bedrijfstemperatuur is, neemt de koelvloeistof de korte route door
het koelsysteem. De thermostaat is dan gesloten. Dat wil zeggen dat de koelvloeistof niet door de radiateur
kan stromen.
De korte route bestaat uit de koelvloeistofpomp, het motorblok en de cilinderkop. En weer
terug langs de gesloten thermostaat naar de koelvloeistofpomp.
Als op een gegeven moment de koelvloeistoftemperatuur boven een door de autofabrikant
vastgestelde temperatuur komt, gaat de thermostaat langzaam open. Bij een temperatuur die
daar weer bijvoorbeeld 15º C boven ligt, staat de thermostaat helemaal open.
De thermostaat in het koelsysteem zorgt voor een geleidelijke omschakeling van de stroming
van de koelvloeistof tussen de korte route en de lange route met de radiateur.
Het doel is de motor zo snel mogelijk op bedrijfstemperatuur te brengen en deze ook hier op
– met zo weinig mogelijk temperatuurschommelingen – te houden.
De regeling door de thermostaat van de koelvloeistoftemperatuur is dan ook van invloed op:
- de motorslijtage;
- het brandstofverbruik;
- de samenstelling van de uitlaatgassen.
Er zijn inmiddels ook motoren die een aparte circulatie hebben door het motorblok en een
aparte koelvloeistofcirculatie door de cilinderkop. Een dergelijk voor een deel dubbel
uitgevoerd koelsysteem werkt overigens net als een ‘gewoon’ enkel systeem.
De thermostaat is een capsule met daarin een waselement. Door het op temperatuur komen
van de motor zet het waselement uit.
Aan één zijde van de thermostaat is een klep gemonteerd. Door het uitzetten van het waselementwordt de klep naar buiten gedrukt. Dat gebeurt niet al te snel. Namelijk net zo snel als dat de motor warmer wordt. En pas vanaf een door de autofabrikant vastgelegde temperatuur. Het koelvloeistofkanaal naar de radiateur wordt daardoor steeds groter. Er kan bij het warmer worden van de motor dan ook een grotere hoeveelheid koelvloeistof door de radiateur stromen.
De radiateur is zoveel mogelijk in de stroom van de rijwind geplaatst. De grootte en inhoud
van de radiateur zijn afhankelijk van de beschikbare ruimte in de auto en de hoeveelheid
koelvloeistof die gekoeld moet worden.
De radiateur is opgebouwd uit een bovenste en onderste koelvloeistofkast, zijpanelen en het
koelblok. Het koelblok is samengesteld uit lamellen. Deze zijn van metaal. De overige
genoemde onderdelen zijn van metaal of kunststof (polyamide).
In de bovenste koelvloeistofkast is een aansluiting voor een koelvloeistofslang gemaakt.
Deze slang loopt vanaf de thermostaat. Ook kan in de bovenste koelvloeistofkast een
vulopening met radiateurdop zijn aangebracht. Tegenwoordig is dat vaak niet meer het geval
en vullen we het koelsysteem via het expansiereservoir.
In de onderste koelvloeistofkast zien we de aansluiting voor de koelvloeistofslang naar de
motor. Vaak treffen we daar ook een thermoschakelaar aan voor de elektrisch aangedreven
ventilateur.
Het expansiereservoir en de radiateurdop zijn onderdelen van het koelsysteem die een
drukopbouw mogelijk maken.
Water kookt bij een temperatuur van 100º C. Dat is op het hoogteniveau van Nederland.
Kom je op grotere hoogten, dan zal het kookpunt van water dalen.
Om er voor te zorgen dat water altijd pas bij 100º C gaat koken is het koelsysteem volledig
gesloten. Het geldt namelijk ook voor koelvloeistof. De druk in het koelsysteem wordt dan
wel hoger. Om de te hoge druk te laten ontsnappen is er het expansiereservoir en de
radiateurdop. Niet ieder koelsysteem heeft een radiateurdop. Veel auto’s met een gesloten
koelsysteem met expansiereservoir hebben hem niet.
Figuur 4. De radiateurdop heeft een klep die tegen de veerdruk in geopend wordt. Dat
gebeurt bij een te hoge druk in het koelsysteem. De koelvloeistof zet uit, drukt de klep open.
Het te veel aan koelvloeistof stroomt dan via de overloop in het expansiereservoir.
Figuur 5. Beeld van het expansiereservoir van een gesloten koelsysteem. De radiateur koelt
de door de motor verwarmde koelvloeistof af. De thermostaat of het kenveld in de
motorregeleenheid ‘merken’ dat de koelvloeistof te warm wordt. Vervolgens zal de
thermostaat de korte route direct naar de koelvloeistofpomp afsluiten en de koelvloeistof
naar de radiateur doorlaten. Of het koelsysteem geen lekkages vertoont kun je controleren
met behulp van een drukmeting.
Om de koelvloeistof door het koelsysteem te laten circuleren moet de vloeistof verplaatst
worden. Er moet stroming ontstaan, omdat de koelvloeistof warmte moet opnemen en ook
weer kunnen afgeven. Van belang is dat er heel wat liters koelvloeistof per minuut in
beweging wordt gehouden. Daar zorgt de koelvloeistofpomp voor.
De koelvloeistofpomp is aan het motorblok aangebouwd. In het pomphuis draait een
schoepenwiel dat de circulatie op gang houdt. De koelvloeistofpomp wordt vanaf de krukas aangedreven door een riem. Dat is ook de riem die de dynamo aandrijf. Maar steeds vaker wordt hiervoor ook de distributieriem gebruikt.
En er zijn ook koelvloeistofpompen die door een elektromotor worden aangedreven. Dit gebeurt
bij een kenveldgeregeld koelsysteem; dus door de elektronische motorregeleenheid. Dat
vormt onderdeel van het thermomanagement.
Het voordeel van een elektrisch aangedreven koelvloeistofpomp is dat de snelheid waarmee
de pomp draait variabel geregeld kan worden. Ook is het mogelijk om – nadat de motor is
afgezet – de pomp nog enige tijd te laten draaien. Hiermee wordt warmtestuwing in de motor
en cilinderkop voorkomen.
Figuur 6. Het schoepenwiel van een koelvloeistofpomp. Dit is een open wiel.
Je kan over het algemeen drie typen ventilatoren aantreffen. Dat zijn:
1. de direct door de motor aangedreven ventilateur;
2. de ventilateur met visco-koppeling;
3. de elektrisch aangedreven ventilateur.
Deze treffen we alleen nog aan op auto’s van vóór 1985. Het voordeel van de direct aangedreven ventilateur was dat hij altijd draaide als de motor draaide. Het nadeel van deze ventilateur was echter ook dat hij altijd meedraaide.
Draaide de motor met een laag toerental, dan draaide de ventilateur ook met een laag toerental. Als de motor tijdens filerijden extra koeling nodig had, omdat er praktisch geen rijwind was, kreeg hij dat niet van de ventilateur. Deze draaide in deze situatie ook met een laag toerental.
Werd er op een snelweg flink doorgereden, met veel koelende rijwind, dan draaide de ventilateur meestal ook met een hoog toerental wat onnodig veel brandstof kostte.
Bij de ventilator met visco-koppeling is de ventilateur verbonden met een koppeling. Deze
koppeling heeft twee ruimten; een arbeidsruimte en een voorraadruimte. In de arbeidsruimte
draait een aandrijfschijf, die door de ventilatorriem (v-snaar of poly-V-aandrijfriem) met een
aandrijfas is verbonden.
Siliconenvloeistof zorgt voor de krachtoverbrenging. Deze siliconenvloeistof kan van de voorraadruimte naar de arbeidsruimte stromen. En ook
andersom; de vloeistof stroomt door een klep die door een bimetaal wordt aangestuurd.
Vóór de aandrijfschijf is een tussenschijf geplaatst. Aan die tussenschijf is een pompelement
gemonteerd. Dat pompelement zorgt voor de vloeistofcirculatie tussen arbeidsruimte en
voorraadruimte.
Als de motor nog koud is wordt de opening (klep) in de tussenschijf door het bimetaal
gesloten gehouden. Er is dan geen vloeistofcirculatie mogelijk tussen de arbeidsruimte en de
voorraadruimte. De siliconenvloeistof wordt door het pompelement uit de arbeidsruimte in de
voorraadruimte getransporteerd. Het vloeistofpeil in de voorraadruimte wordt hoger. De
aandrijfschijf heeft hierdoor geen verbinding met de ventilateurnaaf. Dat is de aandrijfas. De
ventilateur is niet gekoppeld.
De rijwind stroomt door de radiateur. Als de motor warm wordt, stroomt de opgewarmde
rijwind ook over het bimetaal aan de voorkant van de visco-koppeling. Het bimetaal zorgt
ervoor dat de klep in de tussenschijf opent. Het vloeistofniveau in de arbeidsruimte komt
gelijk te staan met het niveau in de voorraadruimte. Tussen de aandrijfschijf en de
ventilateurnaaf wordt traploos een verbinding tot stand gebracht, door de wrijving tussen
deze onderdelen. Dit komt door de werking van de siliconenvloeistof.
Het pompelement aan de tussenschijf zorgt echter altijd voor een vloeistofcirculatie. Dat
komt door het altijd aanwezige verschil in toerental tussen de aandrijfschijf (bijv. 2500 1/min)
en het koppelingselement (bijv. 2300 1/min). Dat toerentalverschil is het gevolg van de niet
starre verbinding. Er is dus altijd slip. Het toerentalverschil kan afhankelijk van het type motor
tot 25% bedragen.
Afgezien van een juiste spanning van de riem heeft de visco-koppeling geen onderhoud
nodig. Belangrijk is wel dat als een visco-koppeling langere tijd wordt opgeslagen, dit
verticaal gebeurt. Dus een visco-koppeling niet plat liggend bewaren.
Bij de elektrisch aangedreven ventilateur is de ventilateur op de aandrijfas van een
elektromotor gemonteerd.
Het moment waarop de ventilateur moet gaan draaien, wordt bepaald door een
thermoschakelaar.
De thermoschakelaar voor het aansturen van de ventilator is meestal onder in de radiateur
geplaatst. Bij een door de autofabrikant vastgelegde koelvloeistoftemperatuur sluit een
contact in de thermoschakelaar.
Deze temperatuur ligt bij de meeste auto’s op ongeveer 93ºC. Het contact in de thermoschakelaar opent als de koelvloeistoftemperatuur weer gedaald
is. Dat is bij de meeste auto’s rond de 85º C. De elektromotor van de ventilateur wordt dan weer uitgeschakeld.
Bij verschillende auto’s heeft de ventilateur twee snelheden of wordt de snelheid traploos
geregeld. Dit gebeurt meestal door de motorelektronica (het elektronisch
motormanagementsysteem).
Figuur 7. De elektrische ventilateur wordt alleen ingeschakeld als de
koelvloeistoftemperatuur een vastgestelde hoge temperatuur bereikt. De ventilateur kan
meerdere snelheden hebben. Deze worden ingeschakeld al naar gelang de hoogte van de
temperatuur. Het inschakelen gebeurt door een thermoschakelaar (thermocontact) onder in
de radiateur. Als de temperatuur een bepaald niveau bereikt, loopt er een stroom naar
massa; vanaf de accu, via het contactslot, ventilateurmotor en thermocontact.
Een voordeel van de elektrisch aangedreven ventilateur is dat deze ook nog kan werken als
de motor is afgezet. Als de auto een snelle rit heeft afgelegd of lang in de file heeft gestaan,
zal zich als het ware warmte ophopen in de motor.
Deze warmtestuwing kan er voor zorgend at de auto met afgezette motor nog met koelingsproblemen te maken krijgt. De koelvloeistof kan gaan koken, waardoor ernstige motorschade kan ontstaan. Op die momenten kan dus de ventilateur nog een keer aanslaan om de stilstaande auto met afgezette motor van motorkoeling te voorzien.
Figuur 8. De elektrische schakelingen van de elektromotor die de ventilateur aandrijft
Ook speelt de elektronische motorregeleenheid steeds vaker een belangrijke rol bij het in- en
uitschakelen van de koelventilateur.
Hierbij wordt een temperatuursensor gebruikt. Deze temperatuursensor heeft een Negatieve Temperatuur Coëffiënt (NTC). Dat wil zeggen dat
als de koelvloeistoftemperatuur stijgt, de elektrische weerstand in de sensor daalt. Dat signaal wordt doorlopend door de motorregeleenheid in de gaten gehouden. Bij een
bepaalde koelvloeistoftemperatuur zal de motorregeleenheid de koelventilateur inschakelen.
Dat kan op één snelheid, maar bij een hogere temperatuur een – tweede – hogere snelheid
of traploos. In het deel ‘Elektro’ kan je daar meer over leren.
Om de bedrijfstemperatuur van de motor nog beter te kunnen regelen is er de
kenveldgeregelde thermostaat. De kenveldthermostaat wordt aangestuurd door de
elektronische motorregeleenheid.
De koelvloeistoftemperatuur wordt door de kenveldthermostaat bij een niet vol belaste motor
(dat noemen we deellast) tussen de ongeveer 95º tot 115º C gehouden.
Als de motor vol wordt belast – dat heet draaien onder vollast – wordt de
koelvloeistoftemperatuur tussen ongeveer 85º en 95º C gehouden.
Figuur 9. Thermostaat(huis) van het kenveldgeregelde koelsysteem
De kenveldthermostaat is een combinatie van de thermostaat met waselement en met een
verwarmingselement.
Verder is een drukveer gemonteerd om de koelvloeistofkanalen af te sluiten. Bovendien
heeft de kenveldthermostaat een kleine klepschotel om het korte koelvloeistofcircuit af te
sluiten. En dus ook een grote klepschotel om het lange circuit af te sluiten.
Het waselement werkt hetzelfde als dat van de ‘normale’ thermostaat. Alleen pas bij een
hogere temperatuur. Als de koelvloeistof een temperatuur van 110º tot 115º C heeft bereikt is
het waselement uitgezet. Het waselement bedient dan een stift (een pen) die de
thermostaatklep opent.
In het waselement is ook een warmteweerstand opgenomen. Dit is te vergelijken met een
verwarmingselement. Wordt aan die weerstand een elektrische stroom toegevoerd, dan
wordt het waselement verwarmd. De slag van de stift wordt dan dus niet alleen geregeld
door het uitzetten van het waselement door de koelvloeistof.
De verwarming van de weerstand wordt door de elektronische motorregeleenheid geregeld.
In een geheugen – een kenveld – liggen de gegevens opgeslagen die te maken hebben met
de motortemperatuur, dus ook de koelvloeistoftemperatuur.
Met behulp van deze gegevens – die omgezet worden in elektrische signalen voor de kenveldthermostaat – kan de
motorregeleenheid de koelvloeistoftemperatuur regelen. En wel zodanig dat bijna onder elke
bedrijfsomstandigheid de optimale bedrijfstemperatuur van de motor wordt ingesteld.
Atte Roskam
