Что применяют для системы охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя представляет собой комплекс устройств, предназначенный для принудительного регулируемого отвода тепла от деталей двигателя и передачи в окружающую среду.

Обязательный нормированный отвод тепла от поршневых двига­телей обусловлен необходимостью поддержания определенного тем­пературного состояния их деталей при различных режимах и усло­виях работы. Известно, что в процессе сгорания рабочей смеси температура в цилиндрах двигателя повышается до 1700—2500°С, и хотя к концу процесса (такта) выпуска она резко снижается но все-таки остается достаточно высокой и составляет около 700÷900°С. В результате этого детали двигателя сильно нагреваются и не успевают охладиться за время впуска в цилиндры относительно холодного свежего заряда. Неизбежное при этом рассеивание тепла в окружающую среду и отвод тепла в смазочное масло не обеспечи­вают понижения температуры деталей до желаемого уровня. А пере­грев любого двигателя в лучшем случае приводит к снижению весо­вого наполнения цилиндров и сопровождается понижением мощностных и экономических показателей. В карбюраторных двигате­лях это влечет за собой повышение требований к октановому числу топлива.

Переохлаждение двигателя тоже нежелательно, поскольку рез­ко увеличивается при этом износ цилиндров и поршневых колец, заметно повышается и вязкость масла, вследствие чего возрастают механические потери в двигателе и ухудшается его экономичность. Поэтому возникает необходимость в регулируемом принудительном отводе тепла.

Принудительный отвод тепла осуществляют с помощью жид­кости или воздуха, в связи с чем различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.

При использовании жидкого теплоносителя тепло отводится нагревом проточной жидкости; жидкостью, циркулирующей в замк­нутой системе, и путем испарения охлаждающей жидкости.

В проточных системах охлаждения жидкость после нагрева вбрасывается из системы наружу. Поэтому такие системы применяются только в случаях, когда охлаждение осуществляется водой естественных водоемов. Проточные системы отличаются большой простотой, но эффективность их зависит от качества воды и ее температуры в водоеме, изменяющейся по временам года. Проточные системы широко применяют в навесных лодочных и в некоторых судовых и стационарных двигателях.

Испарительные системы охлаждения обеспечивают отвод тепла засчет испарения жидкости, омывающей горячие детали двигателя, иконденсации ее паровв холодильнике системы. Испарительные системы отличаются высокой эффективностью, имеют относительно небольшую емкость, но в силу своих специфических особенностей применяются только в стационарных двигателях.

В автомобильных двигателях применяются циркуляционные жидкостные системы и воздушные системы охлаждения.

В циркуляционных системах жидкостного охлаждения тепло от горячих стенок цилиндров и их головок передается в охлаждаю­щую жидкость, которая, циркулируя в системе, переносит тепло в специальный теплообменник-радиатор, откуда оно частично рассеивается в окружающую среду (рис. 1).

Рис. 1 – Схема жидкостных систем охлаждения:

а) термосифонная система; б) с принудительной циркуляцией жидкости; в) смешанная, или комбинированная система

В системе воздушного охлаждения (рис. 2, а) теплоотвод от стенок камеры сгорания и цилиндров осуществляется непосредственно потоком воздуха без промежуточного агента, каковым служит жидкость в системе жидкостного охлаждения.

Рис. 2 — Схема воздушной системы охлаждения:

а) автомобильного двигателя; б) мотоциклетного двигателя

К основным преимуществам жидкостной системы охлаждения относятся: меньшая средняя температура деталей, благодаря чему улучшается весовое наполнение цилиндров, а в карбюраторных двигателях снижаются еще и требования к октановому числу топ­лива; меньший шум при работе двигателя, так как стенки цилиндров окружены рубашкой охлаждения; уменьшение длины двигателя за счет применения блочной конструкции; более легкий пуск дви­гателя в условиях низких температур и простота использования горячей жидкости для отопления кабины или кузова автомобиля, атакже для подогрева горючей смеси.

Недостатки жидкостных систем: возможность подтекания жид­кости, опасность замерзания системы в зимнее время при исполь­зовании для охлаждения воды и большая вероятность переохлажде­ния двигателя.

Преимущества воздушного охлаждения следующие: уменьшение времени прогрева двигателя; стабильность теплоотвода от стенок камеры сгорания и цилиндра; большая надежность системы вслед­ствие отсутствия подтекания и других неполадок, вызываемых наличием в системе жидкости; меньшая вероятность переохлажде­ния цилиндров; более удобная эксплуатация двигателя в зонах, удаленных от источников воды.

Недостатками систем воздушного охлаждения можно считать: увеличение габаритов двигателя; повышенный шум его работы; усложнение производства и необходимость применения более каче­ственных материалов для деталей; повышенные требования к смазочным маслам и топливу.

Большинство автомобильных двигателей снабжаются жидкост­ными системами охлаждения. Воздушное охлаждение широко используется для двигателей мотоциклетного типа (рис. 2, б) и находит ограниченное применение в автомобильных двига­телях.

Практикой установлено, что независимо от способа охлаждения двигателя для поддержания его нормального теплового состояния в окружающую среду дожно рассеиваться до 35% тепла от тепла, получаемого в результате сжигания топлива в цилиндрах, причем в карбюраторных двигателях доля отводимого тепла всегда состав­ляет большую величину, чем в дизелях.

Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.

Принцип работы системы охлаждения

Предлагаю сначала рассмотреть принципиальную схему системы охлаждения.

1 — отопитель; 2 — двигатель; 3 — термостат; 4 — насос; 5 — радиатор; 6 — пробка; 7 — вентилятор; 8 — расширительный бачок;
А — малый круг циркуляции (термостат закрыт);
А+Б — большой круг циркуляции (термостат открыт)

Циркуляция жидкости в системе охлаждения осуществляют по двум кругам:

1. Малый круг — жидкость циркулирует при пуске холодного двигателя, обеспечивая его быстрый прогрев.

2.Большой круг — движение циркулирует при прогретом двигателе.

Если говорить проще, то малый круг это циркуляция охлаждающей жидкости БЕЗ радиатора, а большой круг — циркуляция охлаждающей жидкости ЧЕРЕЗ радиатор.

Устройство системы охлаждения различаются по своему устройству в зависимости от модели автомобиля, однако, принцип действия един.

Итак, начало работы системы охлаждения происходит при запуске сердца данной системы — жидкостного насоса.

Жидкостной насос(water pump)

Жидкостный насос обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости в системе охлаждения двигателя. На двигателях автомобилей применяют лопастные насосы центробежного типа.

Искать наш жидкостной насос или же водяную помпу следует на передней части двигателя(передняя часть эта та, которая ближе к радиатору и там где расположен ремень/цепь).

Жидкостной насос соединён ремнём с коленчатым валом и генератором. Поэтому, чтобы найти наш насос достаточно найти коленчатый вал и найти генератор. Про генератор мы поговорим позже, но пока лишь покажу, что нужно искать. Генератор выглядит как цилиндр, прикрепленный к корпусу двигателя:

1 — генератор; 2 — жидкостной насос; 3 — коленчатый вал

Итак, с расположением разобрались. Теперь давайте рассмотрим его устройство. Напомним, что устройство всей системы и её деталей различно, но принцип работы этой системы одинаков.

1 — Крышка насоса; 2 — Упорное уплотнительное кольцо сальника.
3 — Сальник; 4 — Подшипник валика насоса.
5 — Ступица шкива вентилятора; 6 — Стопорный винт.
7 — Валик насоса; 8 — Корпус насоса; 9 — Крыльчатка насоса.
10 — Приемный патрубок.

Работа насоса заключается в следующем: привод насоса осуществляется от коленчатого вала через ремень. Ремень крутит шкив насоса, вращая ступицу шкива насоса(5). Тот в свою очередь приводит во вращение вал насоса(7), на конце которого находится крыльчатка(9). Охлаждающая жидкость поступает в корпус насоса(8) через приёмный патрубок(10), а крыльчатка перемещает её в рубашку охлаждения(через окошко в корпусе, видно на рисунке, направление движение из насоса показано стрелкой).

Таким образом, насос имеет привод от коленвала, жидкость поступает в него через приёмный патрубок и уходит в рубашку охлаждения.

Давайте теперь посмотрим, а откуда поступает жидкость в насос? А жидкость поступает через очень важную деталь — термостат. Именно термостат ответствен за температурный режим.

Термостат(thermostat)

Термостат автоматически регулирует температуру воды для ускорения прогрева двигателя после пуска. Именно работа термостата определяет, по каком кругу(большому или малому) пойдёт охлаждающая жидкость.

Выглядит сей агрегат примерно вот так в реальности:

Принцип работы термостата очень прост: термостат имеет чувствительный элемент, внутри которого находится твёрдый наполнитель. При определённой температуре он начинает плавиться и открывает основной клапан, а дополнительный наоборот, закрывается.

1, 6, 11 – патрубки; 2, 8 – клапаны; 3, 7 – пружины; 4 – баллон; 5 – диафрагма; 9 – шток; 10 – наполнитель

Термостат имеет два входных патрубка 1 и 11, выходной патрубок 6, два клапана (основной 8, дополнительный 2) и чувствительный элемент. Термостат установлен перед входом в насос охлаждающей жидкости и соединяется с ним через патрубок 6.

Соединение:

Через патрубок 1 соединяется с рубашкой охлаждения двигателя,

Через патрубок 11 — с нижним отводящим бачком радиатора.

Чувствительный элемент термостата состоит из баллона 4, резиновой диафрагмы 5 и штока 9. Внутри баллона между его стенкой и резиновой диафрагмой находится твердый наполнитель 10 (мелкокристаллический воск), обладающий высоким коэффициентом объемного расширения.

Основной клапан 8 термостата с пружиной 7 начинает открываться при температуре охлаждающей жидкости более 80 °С. При температуре менее 80 °С основной клапан закрывает выход жидкости из радиатора, и она поступает из двигателя в насос, проходя через открытый дополнительный клапан 2 термостата с пружиной 3.

При возрастании температуры охлаждающей жидкости более 80 °С в чувствительном элементе плавится твердый наполнитель, и объем его увеличивается. Вследствие этого шток 9 выходит из баллона 4, и баллон перемещается вверх. Дополнительный клапан 2 при этом начинает закрываться и при температуре более 94 °С перекрывает проход охлаждающей жидкости от двигателя к насосу. Основной клапан 8 в этом случае открывается полностью, и охлаждающая жидкость циркулирует через радиатор.

Работа клапана понятно и наглядно показана на рисунке ниже:

А — малый круг, основной клапан закрыт, перепускной — закрыт. Б — большому круг, основной клапан открыт, перепускной — закрыт.

1 — Входной патрубок (от радиатора); 2 — Основной клапан;
3 — Корпус термостата; 4 — Перепускной клапан.
5 — Патрубок перепускного шланга.
6 — Патрубок подачи охлаждающей жидкости в насос.
7 — Крышка термостата; 8 — Поршень.

Итак, мы разобрались с малым кругом. Разобрали устройство насоса и термостата, соединённых между собой. А теперь давайте перейдём к большому кругу и ключевому элементу большого круга — радиатору.

Радиатор(radiator/cooler)

Радиатор обеспечивает отвод теплоты охлаждающей жидкости в окружающую среду. На легковых автомобилях применяются трубчато-пластинчатые радиаторы.

Итак, различают 2 вида радиаторов: разборный и не разборный.

Снизу представлено их описание:

Хочу ещё раз сказать про расширительный бачок (expansion Tank)

Рядом с радиатором или же на нём устанавливается вентилятор. Давайте теперь перейдём к устройству этого самого вентилятора.

Вентилятор(fan)

Вентилятор увеличивает скорость и количество воздуха, проходящего через радиатор. На двигателях автомобилей устанавливают четырех- и шестилопастные вентиляторы.

Если применяется механический вентилятор,

Вентилятор включает шесть или четыре лопасти(3), приклепанные к крестовине(2). Последняя привернута к шкиву жидкостного насоса(1), который приводится в движение коленчатым валом с помощью ременной передачи(5).

Как мы уже ранее говорили, в зацепление входит так же генератор(4).

Если применяется электровентилятор,

то вентилятор состоит из электродвигателя 6 и вентилятора 5. Вентилятор — четырехлопастный, крепится на валу электродвигателя. Лопасти на ступице вентилятора расположены неравномерно и под углом к плоскости его вращения. Это увеличивает подачу вентилятора и уменьшает шумность его работы. Для более эффективной работы электровентилятор размещен в кожухе 7, который прикреплен к радиатору. Электровентилятор крепится к кожуху на трех резиновых втулках. Включается и выключается электровентилятор автоматически датчиком 3 в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.

Итак, давайте подведём итог.Не будем голословными и подведём итог по какой-нибудь картинке. Не стоит делать акцент на конкретное устройство, но вот принцип работы надо понять, ибо он одинаков во всех системах, как бы не различалось их устройство.

При пуске двигателя начинает вращаться коленчатый вал. Через ременную передачу(напомню, что на ней же находится и генератор) передаётся вращение на шкив жидкостного насоса(13). Тот приводит во вращение вал с крыльчаткой внутри корпуса жидкостного насоса(16). Охлаждающая жидкость поступает в рубашку охлаждения двигателя(7). Далее через выпускной патрубок(4) охлаждающая жидкость возвращается в жидкостной насос через термостат(18). В это время в термостате открыт перепускной клапан, но закрыт основной. Поэтому, жидкость циркулирует через рубашку двигателя без участия радиатора(9). Это обеспечивает быстрый прогрев двигателя. После того как охлаждающая жидкость нагревается, открывается основной клапан термостата и закрывается перепускной клапан. Теперь жидкость не может течь через перепускной патрубок термостата(3) и вынуждена течь через подводящий патрубок(5) в радиатор(9). Там жидкость охлаждается и поступает обратно в жидкостной насос(16) через термостат(18).

Стоит заметить, что некоторая часть охлаждающей жидкости поступает из рубашки охлаждения двигателя в отопитель через патрубок 2 и возвращается из отопителя через патрубок 1.

Современные системы охлаждения: концепции и воплощение

Научно-технический прогресс не стоит на месте, тем более в такой конкурентоемкой отрасли, как автомобилестроение. При изготовлении узлов и механизмов применяются новые технологии и материалы, дабы соответствовать уже современным реалиям, растет мощность, эффективность и, соответственно, требования.

Система охлаждения за последнее десятилетие с точки зрения конструкции и применяемых материалов вполне устоялась, во всяком случае, в области материалов. Чего-то революционного, обладающего сверхспособностями по передаче тепла, пока не изобрели, как и соответствующих рабочих жидкостей. Но на данном этапе этого и не требуется: конструкция механической части системы охлаждения всех устраивает, вернее, удовлетворяет, поскольку позволяет справиться со всеми возложенными на нее задачами.

Технология алюминиевой пайки Nocolok дала возможность создавать радиаторы любого размера и формы, кроме того, в отличие от сборных конструкций, которые присутствовали на рынке раньше, у цельнопаяных радиаторов долгий срок службы, и они не теряют эффективности в процессе эксплуатации. Форма трубок охлаждения также устоялась — плоскоовальное сечение интереснее как с точки зрения аэродинамики, так и с точки зрения гидравлики: потери меньше. В зависимости от технических требований можно сделать радиатор толще/тоньше, больше/меньше — для этого теперь не требуется особых усилий. Если раньше в России и странах Таможенного союза бóльшую долю в автомаркете занимала импортная продукция вроде Behr и Nissens, то теперь компания Luzar, например, выпускает целый спектр компонентов систем охлаждения, причем перспективная часть продукции сертифицирована по TUV и, соответственно, включена в глобальную европейскую базу по автокомпонентам TecDoc.

С рабочей жидкостью вопрос тоже со временем закрылся — все перешли на этиленгликоль с соответствующими антикоррозионными присадками: для авто попроще — G11, для машин поновее и посовременнее — G12. G13 — это полипропиленгликоль плюс присадки, он неядовитый, лучше разлагается, сделан с оглядкой на экологов, но у нас пока не выпускается. Вообще в обозначениях антифризов наблюдается некоторый бардак, особенно в связи с их окраской, когда разные производители подкрашивают одинаковую по составу жидкость в разные цвета. Однако разобраться при желании можно: технические требования по применяемости антифризов в легковых автомобилях и легких грузовиках регламентирует документ под названием ASTM D 3306. В общем, и с жидкостями определились, неужели ничего нельзя улучшить?

Можно улучшить, даже нужно, ну а если говорить прямо, уместнее здесь будет слово «придется». Естественно, прогресс не стоит на месте, само собой, удельные мощности растут, а агрегаты становятся сложнее и прецизионнее. Но есть еще один момент — нормы токсичности, с которыми как-то приходится работать каждому автопроизводителю. Не будем сейчас говорить о том, насколько оправданны столь жесткие требования, кивать на чадящие теплоэлектростанции, окружающие любой крупный город, океанские суда и нефтедобывающие платформы. Нормы Евро-6 уже приняты, и тут ничего не попишешь, остается только соответствовать.

Эффективность и, естественно, экологичность любого ДВС определяется в том числе и температурным режимом. Причем несколько лишних градусов в плюс или в минус могут здорово подпортить картину в целом, а сейчас, когда удельная мощность моторов, причем даже атмосферных, крутится вокруг отметки 100 л. с./литр, а АКПП имеют по девять передач, температурные допуски существенно ужесточаются.

Из ДВС выжали все, что получилось на данном этапе: прямой впрыск, фазовращатели, катализаторы, даунсайзинг и турбины с изменяемой геометрией. Для дизелей ныне безальтернативна система впрыска Common Rail даже при жестких условиях эксплуатации, фильтры с мочевиной и тому подобные реверансы в сторону экологов. Коробки передач все увеличивают количество передач, зачастую вопреки здравому смыслу, лишь бы уложиться в нормы токсичности. В этом смысле экологическое лобби неизменно напоминает одного деятеля стародавних времен — Прокруста.

Но кое с чем еще можно поработать, и речь как раз о системе охлаждения в целом. Не то чтобы модернизация оной — некое суперсовременное откровение, нет, прорывы были и раньше, вспомнить хотя бы мощные автомобили прошлого с классическим турбонаддувом. Развод единой системы на несколько контуров объяснялся когда-то не стремлением к чистоте выхлопа, а желанием обеспечить максимальную производительность силового агрегата.

Началось все с модернизации термостата: при достижении определенной температуры в рубашке охлаждения открывался один клапан, при дальнейшем повышении температуры охлаждающей жидкости (ОЖ) — второй, максимальной производительности. Это позволяло двигателю быстрее выходить на рабочие режимы. Ну а потом к стандартной рубашке охлаждения добавили еще одну — для охлаждения турбины, ведь наддувный воздух для повышения мощности ДВС также необходимо охлаждать, верно?

А так как оптимальный режим для радиатора двигателя и интеркулера сильно разнится, появилось два практически независимых контура, использующих, правда, один расширительный бачок. Дальше — больше, выяснилось, что оптимальная температура для головки блока — 87–90 градусов, при ее повышении вероятна детонация, а для самого блока лучше и побольше — 105 градусов как раз то, что нужно. Поэтому систему охлаждения самого мотора еще раз разделили, не давая перемешиваться охлаждающей жидкости в процессе охлаждения клапанов.

Стоит учесть, что высокофорсированные ДВС, а именно таких сейчас большинство на всех типах автомобилей, кроме бюджетных, охлаждаются еще и маслом, которое в процессе работы сильно нагревается. Рецепт борьбы с этим явлением давно известен — масляный радиатор. Вот только когда за бортом серьезный минус, этот радиатор выполняет скорее отрицательную роль — мешает мотору прогреваться.

Почему бы не поставить и на масляную систему термостат? И потом, температуру воздуха, попадающего в двигатель, тоже лучше бы проконтролировать для снижения потребления топлива и минимизации вредных выбросов. А система рециркуляции отработавших газов? А как охладить/нагреть коробку до нужной температуры? В общем, контуров охлаждения необходима масса, если мы, конечно, хотим двигаться в поступательном направлении, снижать энергопотребление и выполнять строгие нормы токсичности. Только как управлять всей этой кучей термостатов и как быть, если что-то выйдет из строя?

Все, оказывается, давно продумано и находит повсеместное применение. В современных автомобилях по три-четыре термостата, в перспективных моделях — и вовсе шесть, а управлять всем этим многообразием приходится централизованно, через головной блок управления: именно так достигается максимальная эффективность процессов нагрева / поддержания нужного режима. Теплоемкости и текучести ОЖ, масла и ATF совершенно разные, к тому же есть такой момент, как инерционность системы в целом: за одно мгновение температуру рабочей жидкости не изменить, нужно определенное время — для каждого узла, естественно, свое. В общем, алгоритмы поддержания процесса охлаждения в оптимальном режиме не такие уж простые.

А сами исполнительные механизмы — термостаты — представляют собой электронноуправляемый клапан, открывающийся/закрывающийся по команде «из центра». Общепризнанный лидер в производстве современных термостатов — французская компания Vernet, которая обеспечивает потребности производителей не только во Франции, поставляя свою продукцию Volkswagen Group, Volvo, MAN, DAF.

Каков итог?

Альтернативных путей развития у систем охлаждения, похоже, нет, поэтому автопроизводители в массовом порядке переходят на централизованное управление рабочими температурами. Безусловно, новые технологии и разработки увеличивают стоимость конечного продукта, да и на автомаркете она стоят недешево: например, электронноуправляемый термостат обходится потребителю примерно в десять раз дороже. Отрадно то, что надежность этой детали на очень высоком уровне: наработка на отказ в среднем 250 000 км.

Собственно, в этом векторе развития не видится ничего парадоксального — центральный блок управления автомобиля уже сложно назвать «мозгами» двигателя, вполне возможно, что в скором времени его нагрузят еще какими-то дополнительным функционалом, а каким именно — покажет время и тенденции развития автомобильной техники.