Что такое система охлаждения двигателя
Система охлаждения двигателя
Назначение и характеристика
Системой охлаждения называется совокупность устройств, осуществляющих принудительный регулируемый отвод и передачу теплоты от деталей двигателя в окружающую среду.
Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального температурного режима, обеспечивающего получение максимальной мощности, высокой экономичности и длительного срока службы двигателя.
При сгорании рабочей смеси температура в цилиндрах двигателя повышается до 2500 °С и в среднем при работе двигателя составляет 800. 900°С. Поэтому детали двигателя сильно нагреваются, и если их не охлаждать, то будут снижаться мощность двигателя, его экономичность, увеличиваться изнашивание деталей и может произойти поломка двигателя.
При чрезмерном охлаждении двигатель также теряет мощность, ухудшается его экономичность и возрастает изнашивание.
Для принудительного и регулируемого отвода теплоты в двигателях автомобилей применяют два типа системы охлаждения (рисунок 1). Тип системы охлаждения определяется теплоносителем (рабочим веществом), используемым для охлаждения двигателя.
Рисунок 1 – Типы систем охлаждения
Применение в двигателях различных систем охлаждения зависит от типа и назначения двигателя, его мощности и класса автомобиля.
Жидкостная система охлаждения
Так, при охлаждении антифризом температура стенок цилиндров на 15. 20°С выше, чем при охлаждении водой. Это ускоряет прогрев двигателя и уменьшает изнашивание цилиндров, но в летнее время может привести к перегреву двигателя.
Это возможно при условии, что с охлаждающей жидкостью уносится в окружающую среду 25. 35 % теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. При этом в бензиновых двигателях величина отводимой теплоты больше, чем в дизелях.
На рисунке 2 приведена диаграмма распределения теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателей автомобилей при жидкостной системе охлаждения.
Рисунок 2 – Диаграмма распределения теплоты
Из диаграммы следует, что в механическую работу преобразуется 20. 35% теплоты, уносится с отработавшими газами 35. 40%, теряется на трение 5 % и уносится с охлаждающей жидкостью 25. 35 % теплоты.
По сравнению с воздушной жидкостная система охлаждения более эффективная, менее шумная, обеспечивает меньшую среднюю температуру деталей двигателя, улучшение наполнения цилиндров горючей смесью и более легкий пуск двигателя при низких температурах, а также использование жидкости для подогрева горючей смеси и отопления салона кузова автомобиля. Однако в системе возможно подтекание охлаждающей жидкости и имеется вероятность переохлаждения двигателя в зимнее время.
В двигателях автомобилей жидкостная система охлаждения получила наиболее широкое распространение.
Воздушная система охлаждения
В воздушной системе охлаждения отвод теплоты от стенок камер сгорания и цилиндров двигателя осуществляется принудительно потоком воздуха, создаваемым мощным вентилятором. Для более интенсивного отвода теплоты от цилиндров и головок цилиндров они выполнены с оребрением. Вентилятор у V-образного двигателя установлен в развале между цилиндрами и приводится клиноременной передачей от шкива коленчатого вала. Двигатель сверху, с передней и задней сторон закрыт кожухами, направляющими потоки воздуха к наиболее нагреваемым частям двигателя. Вентилятор отсасывает воздух из внутреннего пространства, ограниченного развалом цилиндров. Поток воздуха, входящий снаружи в пространство между развалом цилиндров, проходит между ребрами цилиндров и головок и охлаждает их. На режиме максимальной мощности вентилятор потребляет 8 % мощности, развиваемой двигателем.
Интенсивность воздушного охлаждения двигателей существенно зависит от организации направления потока воздуха и расположения вентилятора.
Оптимальным температурным режимом двигателя с воздушным охлаждением считается такой, при котором температура масла в смазочной системе двигателя составляет 70. 110°С на всех режимах работы двигателя. Это возможно при условии, что с охлаждающим воздухом рассеивается в окружающую среду до 35 % теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах двигателя.
Воздушная система охлаждения уменьшает время прогрева двигателя, обеспечивает стабильный отвод теплоты от стенок камер сгорания и цилиндров двигателя, более надежна и удобна в эксплуатации, проста в обслуживании, более технологична при заднем расположении двигателя, переохлаждение двигателя маловероятно. Однако воздушная система охлаждения увеличивает габаритные размеры двигателя, создает повышенный шум при работе двигателя, сложнее в производстве и требует применения более качественных горюче-смазочных материалов.
Воздушная система охлаждения имеет ограниченное применение в двигателях.
Конструкция и работа жидкостной системы охлаждения
В двигателях автомобилей применяется закрытая (герметичная) жидкостная система охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Внутренняя полость закрытой системы охлаждения не имеет постоянной связи с окружающей средой, а связь осуществляется через специальные клапаны (при определенном давлении или вакууме), находящиеся в пробках радиатора или расширительного бачка системы. Охлаждающая жидкость в такой системе закипает при 110. 120 °С. Принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивается жидкостным насосом.
Система охлаждения двигателя состоит из рубашки охлаждения головки и блока цилиндров, радиатора, насоса, термостата, вентилятора, расширительного бачка, соединительных трубопроводов и сливных краников. Кроме того, в систему охлаждения входит отопитель салона кузова автомобиля.
Работа системы
При прогретом двигателе дополнительный клапан термостата закрыт, а основной клапан открыт. В этом случае большая часть жидкости из головки блока цилиндров попадает в радиатор, охлаждается в нем и через открытый основной клапан термостата поступает в насос. Меньшая часть жидкости, как и при непрогретом двигателе, циркулирует через обогреватель впускного трубопровода двигателя и отопитель салона кузова. В некотором интервале температур основной и дополнительный клапаны термостата открыты одновременно, и охлаждающая жидкость циркулирует в этом случае по двум направлениям (кругам циркуляции).
Количество циркулирующей жидкости в каждом круге зависит от степени открытия клапанов термостата, чем обеспечивается автоматическое поддержание оптимального температурного режима двигателя. Расширительный бачок 6, заполненный охлаждающей жидкостью, сообщается с атмосферой через резиновый клапан, установленный в пробке 7 бачка. Бачок соединен шлангом с наливной горловиной радиатора, которая имеет пробку 9 с клапанами. Бачок компенсирует изменения объема охлаждающей жидкости, и в системе поддерживается постоянный объем циркулирующей жидкости.
Для слива охлаждающей жидкости из системы охлаждения имеются два сливных отверстия с резьбовыми пробками, одно из которых находится в нижнем бачке радиатора, а другое в блоке цилиндров двигателя. Температура жидкости в системе контролируется указателем, датчик которого установлен в головке блока цилиндров двигателя.
Жидкостный насос
Жидкостный насос обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости в системе охлаждения двигателя. На двигателях автомобилей применяют лопастные насосы центробежного типа (рисунок 4).
Рисунок 4 – Жидкостный насос (а) и вентилятор (б) двигателя
Привод насоса и вентилятора осуществляется клиновым ремнем 12 от шкива 13, который установлен на переднем конце коленчатого вала двигателя. С помощью этого ремня также вращается шкив 14 генератора. Нормальную работу насоса и вентилятора обеспечивает правильное натяжение ремня.
Натяжение ремня регулируют путем перемещения генератора в сторону от двигателя (показано на рисунке 4 (а) стрелкой). Насос корпусом 2, отлитым из алюминиевого сплава, крепится к фланцу блока цилиндров в передней части двигателя.
Жидкостный насос с приводом от зубчатого ремня
Рассмотрим устройство насоса, привод которого осуществляется зубчатым ремнем (рисунок 5).
Рисунок 5 – Жидкостный насос двигателя
Вал насоса приводится во вращение через шкив 1 зубчатым ремнем привода распределительного вала от коленчатого вала. При вращении вала жидкость поступает к центру крыльчатки и под действием центробежной силы направляется в рубашку охлаждения двигателя. Насос крепится корпусом к блоку цилиндров двигателя через уплотнительную прокладку.
Термостат
Термостат способствует ускорению прогрева двигателя и регулирует в определенных пределах количество охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор. Термостат представляет собой автоматический клапан. В двигателях автомобилей применяют неразборные двухклапанные термостаты с твердым наполнителем.
Рисунок 6 – Термостат
1, 6, 11 – патрубки; 2, 8 – клапаны; 3, 7 – пружины; 4 – баллон; 5 – диафрагма; 9 – шток; 10 – наполнитель
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.
Расширительный бачок
Расширительный бачок служит для компенсации изменений объема охлаждающей жидкости при колебаниях ее температуры и для контроля количества жидкости в системе охлаждения. Он также содержит некоторый запас охлаждающей жидкости на ее естественную убыль и возможные потери.
На автомобилях применяют полупрозрачные пластмассовые бачки с заливной горловиной, закрываемой пластмассовой пробкой. Через горловину система заполняется охлаждающей жидкостью, а через клапаны, размещенные в пробке, осуществляется связь внутренней полости бачка и системы охлаждения с атмосферой. В пробке расширительных бачков часто имеется один резиновый клапан, срабатывающий при давлении, близком к атмосферному. При сливе охлаждающей жидкости из системы пробку снимают с расширительного бачка. Расширительный бачок размещается в подкапотном пространстве отделения двигателя, где крепится к кузову автомобиля.
Радиаторы автомобилей
Радиатор обеспечивает отвод теплоты охлаждающей жидкости в окружающую среду. На легковых автомобилях применяются трубчато-пластинчатые радиаторы.
Рисунок 7 – Неразборный радиатор (а) и кожух (б) вентилятора двигателя
1 – пробка; 2 – горловина; 3, 4 – бачки; 5 – сердцевина; 6 – патрубок; 7, 8 – клапаны; 9 – кожух; 10 – уплотнитель
Радиатор установлен нижним бачком 4 на кронштейны кузова на двух резиновых опорах, а вверху закреплен двумя болтами через стальные распорки и резиновые втулки. Для направления воздушного потока через радиатор и более эффективной работы вентилятора за радиатором установлен стальной кожух 9 вентилятора (рисунок 7, б), состоящий из двух половин. Обе половины кожуха имеют резиновые уплотнители 10, которые уменьшают проход воздуха к вентилятору помимо радиатора и предохраняют от поломок кожух и радиатор при колебаниях двигателя на резиновых опорах крепления. Радиатор не имеет жалюзи и утепляется в случае необходимости специальным съемным чехлом-утеплителем.
Разборный радиатор
Рисунок 8 – Разборный радиатор (а) и электровентилятор (б) двигателя.
Бачки радиатора пластмассовые. Левый бачок 8 имеет три патрубка, через которые соединяется с расширительным бачком, термостатом и выпускным патрубком головки блока цилиндров. Правый бачок 1 имеет сливную пробку 10, в нем установлен датчик 3 включения вентилятора. К бачкам через резиновые уплотнительные прокладки 4 крепится сердцевина 2 радиатора. Она состоит из двух рядов алюминиевых круглых трубок и алюминиевых пластин с насечками. В части трубок вставлены пластмассовые турбулизаторы в виде штопоров. Двойной ход жидкости через радиатор, насечки на охлаждающих пластинах и турбулизаторы в трубках обеспечивают турбулентное движение жидкости и воздуха, что повышает эффективность охлаждения жидкости в радиаторе.
Вентилятор
Вентилятор увеличивает скорость и количество воздуха, проходящего через радиатор. На двигателях автомобилей устанавливают четырех- и шестилопастные вентиляторы.
Как работает система охлаждения двигателя
Система охлаждения двигателя автомобиля разработана для того, чтобы избежать перегрева ДВС. Во время работы двигатель непрерывно производит тепло и преобразует его в мощность. Это тепло получается при сжигании топлива в двигателе. Но в мире нет двигателя, который был бы на 100% эффективен. Всегда остается некоторое количество тепловой энергии, которая теряется в процессе работы.
Если не передать ее в атмосферу, это тепло будет перегревать двигатель, что приведет к его заклиниванию. При заклинивании из-за перегрева поршень расплавляется внутри цилиндра. Во избежание этой проблемы в автомобиле и стоит система охлаждения.
Что такое система охлаждения двигателя и как работает
По сути это система, интегрированная с двигателем. Она отводит избыточное тепло с помощью специальной жидкости.
В системе жидкостного охлаждения двигатель окружен водяными рубашками. С помощью насоса эта вода циркулирует в этой водяной рубашке.
Вода, текущая в этих рубашках, отводит тепло от двигателя. Эта горячая вода затем течет через радиатор, где охлаждается от холодного тепла, выдуваемого через вентилятор.
В этой системе вода отбирает тепло у двигателя, и охлаждается воздухом, а затем снова циркулирует в двигателе.
Это косвенный процесс охлаждения, когда фактическое охлаждение, то есть воздух, не охлаждает систему напрямую. При этом воздух охлаждает воду, а вода охлаждает двигатель.
Система жидкостного или непрямого охлаждения используется в больших двигателях, в таких как легковые и грузовые автомобили.
Преимущества жидкостной системы охлаждения
Недостатки системы жидкостного охлаждения
Система воздушного или прямого охлаждения
В системе прямого охлаждения двигатель охлаждается непосредственно с помощью воздуха, проходящего через него. Это такая же система охлаждения, которая используется для мотоциклетных двигателей.
В ней воздух находится в непосредственном контакте с двигателем, следовательно, она также известна как система прямого охлаждения.
Система воздушного охлаждения используется для небольших двигателей, таких как велосипеды, газонокосилки и т. д.
Преимущества системы воздушного охлаждения
Недостатки двигателей воздушного охлаждения
Эффективная система охлаждения двигателя: какая она
Она должна быть способна отводить около 30% тепла, выделяемого двигателем, при этом поддерживая оптимальную рабочую температуру.
Она должна отводить тепло с большей скоростью, когда двигатель горячий, и снимать двигатель с меньшей скоростью, когда двигатель холодный.
Примечание: двигатели в автомобилях повышенной проходимости и внедорожниках необходимо охлаждать по крайней мере по двум причинам. Одна основана на температуре горящих газов в цилиндрах, превышающей температуру плавления материала блока и цилиндров.
Если не убрать тепло, двигатель может выйти из строя. Вторая причина – поддержание оптимальной температуры двигателя помогает поддерживать его эффективную работу (подумайте об экономии топлива) и оптимизирует объемную эффективность (подумайте о лошадиных силах).
Радиатор охлаждения двигателя
В то время как существуют разные типы радиаторов, распространенный тип называется радиатором с зазубренной трубкой. Он состоит из трубок (для переноса жидкости), к которым прикреплены кольца или ребра для рассеивания тепла.
Горячая вода подается по трубам в верхний резервуар (верх радиатора) с помощью водяного насоса. Охлажденная вода направляется из нижнего резервуара (нижняя часть радиатора) обратно в двигатель для циркуляции через блок двигателя через небольшие каналы.
Жидкость, проходящая через блок двигателя, помогает отводить тепло, в дополнение к дополнительному воздуху, пропускаемому через него вентилятором и при движении.
Помпа
Водяной насос обычно устанавливается в передней части двигателя и приводится в движение ремнем. Нижняя часть радиатора (нижняя емкость) соединена со стороной всасывания насоса.
Шпиндель насоса приводится в движение ремнем, который соединяется со шкивом, установленным на конце коленчатого вала. Назначение насоса — просто извлекать горячую и впрыскивать более холодную жидкость (часто смесь воды и охлаждающей жидкости на основе спирта).
Приводы вентилятора
Вентилятор радиатора прикрепляется с помощью шкива и ремня. Скорость его вращения определяется частотой вращения двигателя и механической конструкцией механизма шкива / ремня.
Вентиляторы для системы охлаждения
Вентиляторы различаются по многим параметрам, включая материал, из которого они состоят, и способ их изготовления или сборки, по диаметру, количеству лопастей, длине лопасти, шагу лопасти и типу ступицы. Материалы включают нейлон или пластик, металл и гибридные материалы, например, вентилятор Horton HTEC (термореактивный композит).
Формованные вентиляторы являются наиболее распространенными и интенсивно используются как на дорогах, так и вне дорог. Они изготавливаются из пластика или нейлона и имеют цельный дизайн.
Модульные вентиляторы обычно используются в условиях бездорожья и обеспечивают значительную гибкость конструкции. При этом в одной и той же втулке могут использоваться различные длины лезвий, их шаг, конфигурации и материалы для оптимизации производительности. Различные варианты ступиц увеличивают их пригодность для многих применений.
Металлические вентиляторы используются в внедорожных транспортных средствах, а также в транспортных средствах, предназначенных для дорог. Прочные и относительно легкие, они могут быть изготовлены по индивидуальному заказу с учетом точных требований к воздушному потоку, размеру, длине лопасти, ширине лопасти, типу кожуха, зазору наконечника, диапазону скоростей передаточного числа вентилятора и другим факторам.
Устройство и принцип работы системы охлаждения двигателя
Помимо главной функции отвода тепла от основных узлов двигателя автомобиля, система охлаждения решает ряд дополнительных задач. Фактически она участвует в работе системы смазки, отопления салона, выхлопа и рециркуляции отработавших газов, турбонаддува и коробки передач. О том, как она устроена, а также в чем заключается принцип работы охлаждающей системы и пойдет речь далее.
Виды систем охлаждения двигателя
Регулирование температуры автомобильного двигателя может осуществляться при помощи охлаждающей жидкости (антифриза, ОЖ) и посредством циркуляции воздуха. Исходя из этого различают три вида систем:
Системы охлаждения на основе жидкости также разделяются на открытые и закрытые. Первые имеют сообщение с атмосферой при помощи пароотводной трубки, а во вторых жидкость полностью изолирована от окружающей среды. В закрытых системах давление антифриза больше, а следовательно, выше и температура кипения. Это позволяет использовать их при высоких температурах нагрева жидкости (до 120°C).
Устройство и принцип работы системы охлаждения ДВС
Наиболее популярной в современных автомобилях является комбинированная система охлаждения двигателя с принудительной циркуляцией воздуха и жидкости. Она состоит из следующих элементов:
В момент запуска двигателя насос начинает перекачку жидкости по малому контуру. Когда двигатель нагревается до рабочей температуры, срабатывает термостат и открывает второй (большой) контур охлаждения. Проходя через узлы мотора, охлаждающая жидкость нагревается и расширяется. При увеличении температуры часть жидкости поступает в расширительный бачок. Это позволяет компенсировать излишний объем, независимо от того, какое давление установилось в системе.
Проходя через участок радиатора системы охлаждения, антифриз вновь остывает и возвращается на новый цикл. Если этот режим снижения температуры оказывается недостаточным, срабатывает температурный датчик, передающий сигнал блоку управления двигателя и запускающий вентилятор воздушного охлаждения. Если и его оказывается недостаточно, на приборную панель (индикатор) поступает сигнал о перегреве двигателя.
Масляный радиатор и радиатор рециркуляции отработавших газов может присутствовать не во всех системах охлаждения. Они необходимы для синхронного снижения температуры смазки и выхлопа, что делает эксплуатацию автомобиля более безопасной и экономичной. В автомобилях с турбонаддувом также может присутствовать еще один охлаждающий контур для снижения температуры воздуха наддува.
Как устроен радиатор охлаждения двигателя
Радиатор системы охлаждения ДВС состоит из следующих элементов:
Принцип работы радиатора основан на многоуровневой циркуляции воздуха в его сердцевине, что делает снижение температуры охлаждающей жидкости, проходящей через него, более интенсивным.
Наиболее эффективными являются радиаторы пластинчатого типа, но они подвержены быстрому загрязнению, а потому самой популярной конструкцией стали трубчатые.
Особенности работы датчика температуры ОЖ
Температурный датчик позволяет контролировать состояние системы. Определить, где находится датчик температуры охлаждающей жидкости просто: как правило, он расположен в канале головки блока цилиндров. Он представляет собой терморезистор в герметичном корпусе, который может быть изготовлен из бронзы, пластика и латуни. На корпусе имеется резьба для установки в канал.
Принцип работы датчика основан на следующем эффекте: при повышении температуры сопротивление чувствительного элемента снижается, а при ее уменьшении увеличивается. Показатель сопротивления передается на электронный блок управления двигателем. Чтобы при этом данные состояния охлаждающей жидкости были точными, датчик должен быть полностью погружен в нее. При температуре 100°C сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости должно быть порядка 177 Ом. С учетом погрешностей измерения допускается показатель сопротивления 190 Ом. Если же отклонения больше допустимых, датчик необходимо заменить.
Проверить автомобиль на наличие неисправностей, в том числе и датчика температуры ОЖ, проще всего при помощи автомобильного диагностического сканера. К примеру, это можно сделать недорогим мультимарочным устройством Rokodil ScanX.
После диагностики авто, сканер укажет на имеющиеся коды ошибок. В частности если появились ошибки P0115 — P0119, причина неисправности будет в самом датчике ОЖ, разъеме подключения или проводке. После чего необходимо более детально рассмотреть причину неисправности. Также с помощью Rokodil ScanX можно проверить показания датчика в режиме реального времени. На “холодном” двигателе его показания должны быть примерно равны температуре окружающей среды, а на горячем не превышать 150 ˚С.
В некоторых моделях автомобилей может быть предусмотрено два датчика температуры. Один отвечает исключительно за включение вентилятора радиатора, а второй представляет собой датчик указателя текущей температуры охлаждающей жидкости.
Что используют в качестве охлаждающих жидкостей
В роли рабочей жидкости в системах охлаждения изначально применялась дистиллированная или деионизированная вода. Однако для современных двигателей она не обеспечивает нужный диапазон рабочих температур. Помимо этого, она склонна к коррозионной активности в отношении металлов, что снижает срок эксплуатации системы охлаждения. Для устранения этих недостатков в качестве охлаждающей жидкости сегодня применяются составы со специальными присадками (этиленгликоль, ингибиторы коррозии), что повышает характеристики всей системы. Чаще всего используется антифриз, который имеет более низкий порог замерзания.
При возникновении ситуации, когда требуется экстренный долив охлаждающей жидкости, можно использовать обычную чистую воду. Однако для корректной работы системы при первой возможности такой раствор необходимо заменить на качественный антифриз.
Замена охлаждающей жидкости проводится каждые 60-100 тысяч километров пробега. В охлажденном состоянии (при выключенном двигателе) ее количество должно быть на уровне нижнего края патрубка расширительного бачка охлаждающей системы. Для удобства на нем выполнены отметки “Min” и “Max”. Когда количество жидкости ниже минимальной отметки – выполняют долив. Если после работы уровень вновь упал – это свидетельствует о разгерметизации системы.
Значимость системы охлаждения двигателя не вызывает сомнений. А потому стоит регулярно проводить профилактический осмотр ее основных узлов. Это позволит избежать перегрева двигателя и возникновения критических поломок.