یک تحقیق علمی؛ فن های خنک کننده چه مقدار قدرت موتور را هدر می دهند؟

موتور خودروها امروزه همگی از نوع خنک شونده با مایع هستند. مایع خنک کننده ی موتور پس از دریافت حرارت موتور به سمت رادیاتور حرکت می کند تا در آنجا دمای آن کاهش پیدا کند و دوباره روانه ی موتور شود.

گرچه رادیاتورها تاثیر بسزایی در کاهش دمای موتور دارند اما باری افزایش کارایی رادیاتور نیاز است تا یک فن نیز در کنار رادیاتور بکار گرفته شود تا کارایی آن بهبود پیدا کند. البته بهتر است اینطور بگوییم که رادیاتور بدون وجود فن کارایی کافی را در خنک کردن مایع خنک کننده نخواهد داشت.

فن اکثر خودروها امروزه از انواع برقی است. به این صورت که یک الکتروموتور اقدام به چرخاندن پروانه ی فن می کند. این موتور برقی نیروی خود را از برق تولید شده توسط آلترناتور دریافت می کند، بنابراین فن به صورت مستقیم با پیشرانه ارتباط ندارد و نیروی خود را به صورت غیر مستقیم از پیشرانه دریافت می کند. اما برخی خودروهای عموما قدیمی هستند که پروانه ی فن آنها نه توسط یک موتور برقی بلکه توسط خود موتور چرخانده می شود.

شاید در نگاه اول به نظر برسد که چرخاندن فن مگر به چقدر نیرو نیاز دارد؟ اما در جواب باید گفت که با افزایش دور پیشرانه و همزمان افزایش دور پروانه، مقاومت هوا در برابر پره های فن نیز افزایش پیدا می کند، ضمن اینکه حجم هوای جابجا شده توسط فن نیز افزایش پیدا می کند پس نیروی بیشتری برای چرخاندن فن لازم است.

در ادامه به بررسی چهار مدل فن مختلف خواهیم پرداخت تا ببینیم که چه میزان از اسب بخار تولیدی موتور توسط این فن ها مصرف می شوند.

برای این کار یک موتور از موتورهای هشت سیلندر تولیدی جنرال موتورز انتخاب شده و به آزمایشگاه آورده شد تا دستگاه های سنجش روی آن نصب شود و قدرت و گشتاور خروجی موتور در حالات مختلف مورد بررسی قرار گیرد.

در آغاز کار برای اینکه قدرت واقعی موتور مشخص شود موتور بر روی استند آزمایشگاه قرار گرفته و فن آن جدا می شود تا انرژی برای چرخاندن فن صرف نشود. در این حالت موتور توانست ۳۴۹ اسب بخار قدرت را در ۵۲۰۰ دور بر دقیقه و ۴۰۶ پوند فوت گشتاور را در ۳۹۰۰ دور بر دقیقه تولید کند.

اولین فنی که مورد بررسی قرار می گیرد فن کلاچ دار است که این نوع فن بیشتر در خودروهای اس یو وی استفاده می شود. در این نوع فن، پروانه و محوری که توسط موتور و تسمه چرخانده می شوند جدا از هم بوده و لزوما با چرخش تسمه پروانه، فن به چرخش در نمی آید. اما در بین این دو یک کلاچ وجود دارد که با افزایش حرارت درگیر شده و سبب انتقال نیروی چرخشی به پروانه می شود.

پس از نصب این نوع فن بر روی موتور مشاهده شد که قدرت موتور به ۳۳۵ اسب بخار و گشتاور آن به عدد ۴۰۰ پوند فوت کاهش پیدا کرد. این نوع فن 14 اسب بخار قدرت و 6.9 پوند فوت از گشتاور موتور را مصرف می کند.

فن بعدی که مورد آزمایش قرار گرفت فن پلاستیکی ساده بود که به دلیل وزن کم مورد توجه برخی خودروسازان است. این نوع فن دارای پره های زاویه دار است یعنی پره های آن دارای لبه های زاویه دار هستند تا هوای بیشتری را به سمت رادیاتور روانه کنند.

نکته ای که در مورد این فن وجود دارد این است که به دلیل انعطاف پذیر بودن فن در دورهای بالا تیغه های آن تغییر شکل داده و زاویه ی آنها کاهش پیدا می کند. یعنی زاویه ی لبه فن که در حالت عادی چیزی نزدیک به ۹۰ درجه است در دورهای بالا کاهش پیدا می کند.

فن پلاستیک ۲۳ اسب بخار از قدرت موتور را کم کرده و قدرت را به ۳۲۵ اسب بخار کاهش داد، ضمن اینکه گشتاور موتور نیز با ۱۸.۶ پوند فوت کاهش به ۳۸۸ پوند فوت رسید که همه ی اینها عدد کمی نیستند و نشان می دهد که فن پلاستیکی انرژی زیادی از موتور می گیرد.

فن سومی که مورد بررسی قرار گرفت فن آلومینیومی بود که پره های این نوع فن ثابت هستند و همانند فن پلاستیکی تغییر زاویه نمی دهند.

ضمن اینکه فن آلومینیومی وزن کمی نیز دارد. پس از تست مشخص شد که فن آلومینیومی ۲۰.۳ اسب بخار از قدرت و ۱۲ نیوتون متر از گشتاور موتور را مصرف می کند که در مقایسه با قبلی بهتر بوده اما همچنان به خوبی فن کلاچ دار نیست.

آخرین فن مورد آزمایش در این تست فن فولادی ثابت بود که امروزه استفاده ی کمتری دارد. این فن نیز دارای پره های ثابت است و طراحی آن شبیه به فن آلومینیومی اما با وزن بیشتر است.

پس از نصب این فن روی موتور، قدرت موتور با ۳۰ واحد کاهش به ۳۱۸ اسب بخار و گشتاور آن نیز با نزدیک به ۱۹ پوند فوت کاهش به عدد ۳۸۸ پوند فوت رسید که نشان می دهد بالاترین هدر رفت قدرت را در این نوع فن می توان تجربه کرد.

نتایج این تست از چند منظر قابل توجه است. یکی اینکه هیچ یک از فن ها کارایی به اندازه ی فن کلاچ دار نداشتند و همگی آنها قدرت زیادی را از موتور می گرفتند. نکته ی دیگر اینکه بر اساس نتایج این آزمایش عدد قدرتی که فن برای چرخش نیاز دارد ثابت است، یعنی اگر فن ۲۰ اسب بخار از قدرت موتور ۳۵۰ اسبی کم می کند. اگر موتور را تا ۷۵۰ اسب هم تیونینگ کنیم با این فن قدرت خروجی موتور ۷۳۰ اسب بخواهد بود.

بنابراین پر واضح است که چرا خودروسازان در سال های اخیر فن الکتریکی را جایگزین فن مکانیکی کرده اند و به چه علت مهندسان شرکت های پیشتاز خودروسازی در زمینه الکتریکی کردن پمپ هیدرولیک، پمپ روغن و پمپ آب تلاش می کنند، در واقع هر کدام از این قطعات با اتصالات مکانیکی سنتی به شکل پیوسته در مدار هستند و باعث اتلاف قدرت موتور و افزایش مصرف سوخت می شوند.