Het koelsysteem zorgt ervoor dat je motor snel op temperatuur komt en dat deze op de juiste werktemperatuur blijft. De koelvloeistof is daarbij verantwoordelijk voor het transport van de warmte. Maar er zijn verschillende soorten koelvloeistof en die hebben niet het eeuwige leven.
De belangrijkste taak van een koelsysteem is het afvoeren van overtollige warmte. Maar tegenwoordig heeft een koelsysteem veel meer taken. We hebben het dan ook eigenlijk niet meer over koelsystemen, maar over temperatuurmanagementsystemen. Natuurlijk is het afvoeren van de verbrandingswarmte nog een belangrijke taak: ongeveer 30% van de warmte die bij de verbranding vrijkomt, wordt nuttig gebruikt, de rest verdwijnt ofwel in de uitlaat of trekt in de cilinderwanden, de cilinderkop en de zuigerbodem. Dat zou zonder koeling een aantal problemen opleveren. Het eerste is dat het benzine-luchtmengsel spontaan – en dus op het verkeerde moment – zou ontbranden als de verbrandingskamer te heet wordt. Een tweede probleem is dat aluminium, waarvan zuigers, motorblokken en cilinderkoppen zijn gemaakt, uitzet en vervormt als ze heet worden. Bij 660°C zal aluminium zelfs smelten. En dan zijn er de emissies: NOx ontstaat bij hoge temperaturen, dus die moet het koelsysteem voorkomen.
Antivries
Voor de koeling van het motorblok gebruiken we water. Dat is bijna een ideaal koelmedium, omdat het een hele hoge warmtegeleidingscoëfficiënt heeft, een hoge soortelijke warmte en een lage viscositeit. Met andere woorden, het neemt snel warmte op, het kan veel warmte opslaan en het is lekker ‘dun’, waardoor het snel door het koelsysteem kan worden rondgepompt. Nadeel is echter dat het bij 100°C al kookt en bij 0°C al bevriest. Daarom wordt er antivries aan toegevoegd.
Het hoofdbestanddeel van antivries is doorgaans mono-ethyleenglycol, ook wel 1,2-ethaandiol of etheenglycol genoemd. Soms wordt mono-propyleenglycol gebruikt, omdat ethyleenglycol giftig is en mono-propyleenglycol niet. Dat heeft echter een lagere warmtecapaciteit, vandaar dat ethyleenglycol favoriet is.
Ethyleenglycol behoort tot de familie van alcoholen. De chemische formule is C2H6O2. Ethyleenglycol heeft een hoog kookpunt van 197°C. Gemengd met 50% water is het kookpunt nog altijd 135°C. Dat heeft dus een gunstige invloed en dat maakt het mengsel prima geschikt om een motor te koelen. Minstens zo belangrijk is de vorstbeveiliging. Vreemd genoeg heeft pure ethyleenglycol een vriespunt van -13°C, het bevriest dus vrij snel. Gemengd met water blijkt het vriespunt echter te dalen: een mengsel van 30% ethyleenglycol en 70% water heeft een vriespunt van -15°C, bij een 50%-50% verhouding daalt dat tot -38°C. Toch biedt nog meer antivries niet nog meer bescherming tegen vorst: vanaf 70% ethyleenglycol stijgt het vriespunt weer.
Omdat ethyleenglycol zwaarder is dan water – het weegt 1,11 g/cm3 – kun je aan de hand van het soortelijk gewicht met een ‘antivriesweger’ vrij gemakkelijk bepalen wat de mengverhouding is en wat dus de vorstbeveiliging is.
Techniek Schokdempers: Bucking Bronco
Dopes
Vorstbeveiliging is niet de enige functie van antivries. De koelvloeistof moet de waterpomp en andere bewegende delen een beetje smeren, het moet sludgevorming voorkomen en het mag niet gaan schuimen, want dat zou cavitatie veroorzaken, vooral in de waterpomp. Cavitatie is een effect dat optreedt als luchtbelletjes door drukverandering ineens ineenklappen. Bij dit imploderen ontstaan drukgolven die zelfs stukjes uit metalen kunnen rukken.
Om koelvloeistof te verbeteren worden er dus dopes of additieven toegevoegd. Er zijn dopes om sludgevorming tegen te gaan, om schuimvorming te voorkomen en dopes om de smerende eigenschappen te verbeteren. Nog belangrijker zijn de anti-corrosiedopes. Water en metalen zijn geen vrienden van elkaar: metalen lossen een beetje op in water, de een doet dat liever dan de ander. De verschillen in ‘neiging’ om op te lossen geeft een soort batterij-werking: tussen de verschillende metalen ontstaat een elektrische spanning. Zijn de verschillende metalen geleidend met elkaar verbonden – en meestal is dat zo – dan ontstaat er een stroomkringetje waarbij een van de twee metalen corrodeert. Dat gebeurt sterker als het water door onzuiverheden ook een beetje zouten of zuren bevat, die het geleidend maken. Dat is een van de redenen dat er tegenwoordig meestal kant-en-klare koelvloeistof wordt gebruikt. Die is vervaardigd met gedemineraliseerd water, waarin geen onzuiverheden zitten. Maar daarmee is het probleem niet uit de wereld, want antivries zelf is ook corrosief voor metalen. Daarom worden er aan antivries ook anti-corrosiedopes toegevoegd.
Silicaten
Oorspronkelijk waren dopes, die aan koelvloeistof werden toegevoegd, vervaardigd op basis van fosfaten, boraten, amines en nitrieten, maar die waren nogal slecht voor de gezondheid en beschermden ook aluminium niet. Daarom worden de dopes tegenwoordig van silicaten vervaardigd. Deze minerale anti-corrosiedopes vormen een beschermlaagje op het metaal. Dat is op zich gunstig, alleen wordt het laagje na verloop van tijd dikker, waardoor het de warmteoverdracht bemoeilijkt. Bovendien zijn de silicaten na verloop van tijd allemaal ‘gebruikt’. Ook de andere dopes raken uitgewerkt, waardoor de koelvloeistof op den duur zijn beschermende werking verliest. Conventionele antivries moet daarom elke twee jaar of elke 50.000 km worden vervangen. Vaak worden verversingstermijnen door onwetendheid overschreden of zelfs helemaal niet uitgevoerd. Hierdoor kun je op termijn worden geconfronteerd met hoge reparatiekosten door een niet goed functionerend koelsysteem. Veel voorkomende defecten zijn bijvoorbeeld: lekkage van de waterpomp, lekkende afdichtingen en pakkingen, een verstopte radiator, een defecte thermostaat en afzettingen op de wanden van het koelsysteem.
Nieuwe generatie
In de laatste decennia is er veel veranderd in de motorenbouw. Veertig jaar geleden waren motorblokken meestal van gietijzer. De radiateur, waarin het water werd afgekoeld, was van koper dat met tin was gesoldeerd. Koppakkingen waren van asbest met koperen randjes. Tegenwoordig wordt er veel meer aluminium en kunststof gebruikt, soms ook magnesium. Radiateurs zijn niet meer van koper, pakkingen zijn vaak van staal, waterslangen van siliconenrubber, waterpomprotors van kunststof of blik en er is een veelvoud aan koelers gemonteerd, zoals EGR-koelers, transmissiekoelers en inlaatluchtkoelers. Motoren krijgen meer vermogen, moeten meer warmte afvoeren en moeten dat vaak met minder koelvloeistof doen. Conventionele anti-corrosiedopes blijken vaak niet in staat om de combinaties van verschillende metalen afdoende te beschermen, bovendien kunnen ze in bepaalde omstandigheden schurende poeders vormen, die waterpompen razendsnel kunnen eroderen. Ook kunnen ze veranderen in een gel, die koelkanaaltjes verstoppen of ze kunnen bepaalde kunststoffen verharden, waardoor deze kunnen barsten. Om die reden is er een nieuwe generatie koelvloeistoffen ontwikkeld, waarin dopes zitten die zijn vervaardigd van organische carboxylzuren. Deze stoffen vormen geen ‘afdeklaagje’ om de metalen te beschermen, maar reageren ermee en vormen op die manier een beschermende laag. Die laag blijft dun, omdat de dopes die het metaal niet raken er ook niet mee kunnen reageren. De beschermende werking van deze vloeistoffen is dus veel duurzamer, vandaar dat deze koelvloeistoffen vaak wel vijf jaar of 150.000 km kunnen blijven zitten. De hogere kostprijs is dus relatief, door de langere levensduur verdien je dat al terug, terwijl er ook minder reparaties ten gevolge van een slecht functionerend koelsysteem te verwachten zijn.
Techniek automatisch schakelen: Koppel en schakelassistenten
Kleurcodes
Conventionele koelvloeistof moet elke twee jaar of elke 50.000 km worden vervangen, koelvloeistof met organische dopes mag in principe langer blijven zitten. Al moet je je realiseren dat er op den duur wel vervuiling in terechtkomt via zwetende pakkingen, slijtage van de waterpomp en de eroderende werking van een waterstroom. Die vuildeeltjes zorgen voor meer slijtage. Het is dus verstandig om ook bij motoren, die met de moderne, organische koelvloeistof zijn afgevuld, van tijd tot tijd de koelvloeistof te verversen. Uiteraard is het dan belangrijk dat er die koelvloeistof in gaat, waarvan de motorfabrikant heeft gesteld dat die in de betreffende motor voldoet. In principe kun je een conventionele koelvloeistof vervangen door een organische vloeistof, maar omgekeerd niet. Voor bijvullen geldt hetzelfde: een traditionele koelvloeistof kun je wel bijvullen met een organische koelvloeistof. Omgekeerd mag dat wel, maar je doet dan wel de voordelen van de organische vloeistof teniet. Om de verschillende vloeistoffen uit elkaar te houden, zijn organische koelvloeistoffen vaak rood, geel of oranje, de traditionele koelvloeistoffen meestal blauw of groen.
Foto’s: Peter Aansorgh
Wederom een goed informerend artikel!