Система охлаждения

3.1. Устройство системы охлаждения

Во время работы двигателя внутреннего сгорания происходит большое выделение тепла, температура газов в камере сгорания в момент воспламенения смеси доходит до 2500°С. Средняя температура в камере сгорания находится в пределах от 650°С до 925°С. Происходит интенсивный нагрев цилиндров, поршней, головки блока и других деталей. На нагрев деталей двигателя расходуется около 20-35 % энергии, выделяющейся при сгорании топлива.

Таким образом, система охлаждения должна давать двигателю возможность прогреваться до необходимой рабочей температуры как можно быстрее и затем поддерживать эту температуру.

Существуют две системы охлаждения ДВС – воздушная и жидкостная. Воздушная система охлаждения успешно применяется в двигателях мопедов, мотоциклов, газонокосилок и сравнительно маломощных двигателях автомобилей. Двигатели с воздушной системой охлаждения легче, компактнее и проще в обслуживании.

На автомобилях наибольшее распространение получили системы жидкостного охлаждения (рис. 1).

Рис. 1. Схема жидкостной системы охлаждения двигателей: I – с одним отопителем; II – с двумя отопителями и электронасосом (для фургонов с двумя рядами сидений и автобусов); 1 – расширительный бачок; 2 – термостат; 3 – датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 4 – радиатор; 5 – сливная пробка (кран) радиатора; 6 – вентилятор; 7 – ремень привода вентилятора; 8 – ремень привода насоса охлаждающей жидкости; 9 – насос охлаждающей жидкости; 10 – сливной кран блока цилиндров; 12 – электронасос системы отопления; 11; 13 – кран отопителя; 14 – радиатор дополнительного отопителя; 15, 16 – радиатор основного отопителя; 17 – основной клапан термостата; 18 – байпасный клапан.

По сравнению с системами воздушного охлаждения, системы с жидкостным охлаждением обеспечивают более равномерное и эффективное охлаждение и являются менее шумными. Кроме того, жидкостная система охлаждения дает возможность создать простую и эффективную систему отопления салона (кабины) автомобиля.

В современных двигателях с жидкостной системой охлаждения применяются антифризы – жидкости с низкой температурой замерзания. Большинство антифризов представляет собой смесь воды с этиленгликолем. Кроме этих двух составляющих, в состав антифриза входят различные присадки: антикоррозионные, антипенные и др.

Блок цилиндров и головка блока двигателя с жидкостной системой охлаждения имеют каналы для прохода охлаждающей жидкости. Такой канал называется рубашкой охлаждения (рис. 2).

Рис. 2. Рубашка охлаждения: на фотографии этого блока цилиндров, с которого срезана плита, видны каналы системы охлаждения, окружающие цилиндры; охлаждающая жидкость омывает цилиндры со всех сторон и проходит также в промежутках между ними.

Рубашка охлаждения соединяется эластичными патрубками с радиатором, который служит для охлаждения нагретой жидкости и является теплообменником. В нем тепло от жидкости передается воздуху, проходящему через сердцевину радиатора. Рубашка охлаждения и радиатор заполняются охлаждающей жидкостью через заливную горловину, закрывающуюся пробкой. В пробке имеются специальные клапаны, через которые система охлаждения сообщается с атмосферой. Такая система называется закрытой. В закрытой системе охлаждения поддерживается избыточное давление. Оптимальным температурным режимом двигателя является такой, при котором температура охлаждающей жидкости находится в пределах 80-110°С. Повышенное давление в системе охлаждения поднимает температуру кипения до 120°С, вследствие чего происходит меньшее выкипание жидкости.

Антифризы меняют свой объем при изменении температуры: при нагревании объем увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Для компенсации температурного изменения объема служит расширительный бачок, подключаемый к системе охлаждения.

При работе двигателя охлаждающая жидкость принудительно циркулирует в системе охлаждения с помощью насоса, который приводится в действие от коленчатого вала или от электродвигателя.

Движение воздуха через радиатор обеспечивается встречным напором при движении автомобиля и принудительно с помощью вентилятора.

Для того чтобы система охлаждения обеспечивала оптимальный температурный режим и быстрый прогрев двигателя после пуска, в контур циркуляции жидкости включают специальное устройство – термостат. В термостате имеется клапан, управляемый теплочувствительным элементом. Пока жидкость в системе охлаждения холодная, клапан термостата закрыт и жидкость циркулирует по так называемому малому кругу циркуляции – от насоса по рубашке охлаждения, минуя радиатор. Поскольку жидкость не попадает в радиатор и не охлаждается в нем, она быстро нагревается.

Когда температура жидкости поднимается до оптимальной, клапан термостата открывается и жидкость начинает проходить через радиатор и охлаждаться в нем (большой круг циркуляции). Проходное сечение термостата изменяется при изменении температуры, и это дает возможность в определенных пределах автоматически регулировать температурный режим двигателя.

3.2. Проблемы, возникающие в двигателе при низких рабочих температурах

Если рабочая температура слишком низкая, то не хватает тепла для нормального испарения топлива, требующегося для получения необходимого состава топливно-воздушной смеси. Вследствие этого приходится увеличивать расход топлива, чтобы создать концентрацию его паров, обеспечивающую возгораемость рабочей смеси. Тяжелые, обладающие меньшей летучестью компоненты бензина не испаряются и остаются в виде несгоревшего жидкого топлива. Вдобавок к этому, часть рабочей смеси, соприкасаясь с холодными стенками двигателя, остывает, что приводит к неполному сгоранию топлива и образованию нагара.

Переохлаждение двигателя помимо ухудшения топливной экономичности приводит к повышенному износу движущихся деталей двигателя из-за того, что присадки в масле «работают» только при достижении определенной температуры.

Сгорание бензина – это бурный окислительный процесс, представляющий собой химическую реакцию соединения углеводородного топлива с кислородом, содержащемся в воздухе. При сжигании топлива образуется вода в виде паров. Часть этой влаги конденсируется и попадает в масляный поддон вместе с несгоревшим топливом и сажей, что приводит к образованию отложений шлама. Конденсированная влага вступает в реакцию с несгоревшими углеводородами и присадками, в результате чего образуются кислоты: угольная, серная, азотная, бромисто-водородная и соляная. Эти кислоты ответственны за износ двигателя, вызванный внутренней коррозией и ржавлением.

При температуре охлаждающей жидкости ниже 65°С происходит быстрый износ стенок цилиндров. Когда температура охлаждающей жидкости опускается ниже 55°С, появляется ржавчина. При температуре ниже 45°С вода, образующаяся в процессе сгорания топлива, скапливается в масле.

3.3. Проблемы, возникающие в двигателе при высоких рабочих температурах

Перегрев вызывает снижение мощности двигателя, большое температурное расширение металлических деталей.

Высокие температуры вызывают окисление масла. Под их действием происходит диссоциация масла с образованием кокса и олиф. При продолжительном перегреве кокс откладывается на поршневых кольцах, забивая их. Лакообразный нагар вызывает заедание плунжеров гидравлических толкателей клапанов. При высокотемпературном нагреве неизбежно происходит снижение вязкости масла и уменьшение толщины слоя смазки. Если слой смазки становится слишком тонким, возникает сухой контакт поверхностей движущихся деталей. При этом возрастает коэффициент трения, что вызывает снижение мощности двигателя и ускоренный износ его узлов. При повышенной текучести масла поршневые кольца и направляющие втулки клапанов уже не в состоянии удержать его, и масло проникает в камеру сгорания и сгорает в ней, что увеличивает его расход.

Высокая температура охлаждающей жидкости вызывает рост температуры сгорания, которая, дойдя до определенной точки, приводит к нарушению нормального режима сгорания – детонации и преждевременному воспламенению смеси.

3.4. Радиатор

Радиатор состоит из двух бачков, между которыми находятся соединительные трубки (рис. 3-7).

Рис. 3. Радиатор системы охлаждения двигателя легкового автомобиля с автоматической коробкой передач: 1 – бачок радиатора; 2 – охладитель жидкости автоматической трансмиссии; 3 – прокладка; 4 – радиатор системы охлаждения; 5 – боковая соединительная скоба; 6 – основание каркаса; 7 – бачок масляного радиатора; 8 – масляный радиатор; 9 – муфта; 10 – вентилятор.

Для того чтобы радиатор эффективно отдавал тепло, необходимо выполнение двух условий: трубки радиатора должны быть выполнены из материала, который имеет хорошую теплопроводность, и радиатор должен иметь достаточную площадь поверхности.

Раньше радиаторы изготавливали из меди и сплавов на ее основе, т. к. медь имеет высокую теплопроводность и коррозионную стойкость. Трубки, которые, как правило, имели плоскую форму, припаивались к бачкам. Для увеличения теплоотдачи (увеличения площади поверхности) между трубками устанавливались гофрированные металлические ленты.

Современные радиаторы, как правило, изготавливают из алюминиевых сплавов, с пластмассовыми бачками, которые прижаты к трубкам радиатора через резиновые прокладки. Такие радиаторы обладают высокой коррозионной стойкостью, высокой теплопроводностью и легко обрабатываются, дешевле, легче, технологичнее в производстве, но плохо ремонтируются в случае повреждения.

В легковых автомобилях широко используются радиаторы с сердцевинами двух типов: трубчато-ленточными и трубчато-пластинчатыми.

Трубки сердцевины радиатора из листовой латуни или алюминия имеют толщину от 0,1 до 0,3 мм.

Основным фактором, ограничивающим теплопередачу в системе охлаждения, является теплопередача от радиатора в окружающую среду. Передача тепла от охлаждающей жидкости к ребрам охлаждения происходит в семь раз быстрее, чем от ребер охлаждения – воздуху, при равных площадях поверхностей охлаждения. Чем выше мощность двигателя, тем жестче требования к производительности системы охлаждения.

Производительность радиатора можно увеличить, окружив вентилятор охлаждения кожухом, усиливающим поток воздуха через радиатор.

Нижний передний спойлер, устанавливаемый на автомобилях, используется для увеличения потока воздуха, обдувающего радиатор. Поломка или отсутствие этого элемента могут привести к перегреву двигателя, особенно при движении по высокоскоростной магистрали, вследствие снижения потока обдува радиатора.

В конструкции радиатора охлаждения может быть предусмотрен теплообменник охлаждения трансмиссионного масла. Воздух охлаждает нагретую охлаждающую жидкость, которая в свою очередь охлаждает трансмиссионную жидкость.

Рис. 4. Радиатор старой конструкции с вертикальным расположением трубок сердцевины.

Рис. 5. Радиатор типичной конструкции с горизонтальным расположением трубок сердцевины.

Рис. 6. Секции сердцевины радиатора трубчато-ленточной конструкции.

Рис. 7. Отложения на стенках трубок сердцевины, снижающие пропускную способность радиатора.

3.5. Гермопробка радиатора

Заливная горловина радиатора герметично закрывается гермопробкой. В гермопробке установлен пружинный предохранительный клапан, перекрывающий вентиляционное отверстие системы охлаждения, сообщающееся с внешней средой. В результате давление в системе возрастает на величину, на которую рассчитана гермопробка. Как только оно достигает установленного предела, клапан открывается и стравливает избыточное давление во избежание повреждения системы охлаждения.

Под гермопробкой, повышающей рабочее давление вода будет закипать при температуре 125°С, которая является максимально допустимой рабочей температурой двигателя.

Большинство гермопробок, устанавливаемых на радиаторы серийных автомобилей, рассчитаны на номинальное рабочее (избыточное) давление в пределах от 97 до 110 кПа.

3.6. Водяной насос

Для обеспечения интенсивной циркуляции охлаждающей жидкости в системе используется насос (рис. 8).

Рис. 8. Центробежный насос системы охлаждения четырехцилиндрового двигателя объединен в один узел с насосом гидроусилителя и корпусом термостата.

Водяной насос (который называют также насосом системы охлаждения) приводится в действие ременной передачей от коленчатого вала или распределительным валом.

Водяной насос представляет собой центробежный насос, который способен перекачивать мощный поток охлаждающей жидкости, не вызывая повышения давления в системе охлаждения. Охлаждающая жидкость, отбрасываемая крыльчаткой, попадает в так называемую «улитку». «Улиткой» называется спиралевидный выпускной канал, который направляет поток охлаждающей жидкости с минимальными потерями скорости (рис. 9).

Рис. 9. Направление движения потока жидкости через крыльчатку и «улитку» водяного насоса системы охлаждения.

Износ крыльчатки водяного насоса приводит к снижению потока охлаждающей жидкости, прогоняемого через двигатель.

3.7. Термостат

Термостат (рис. 10) способствует ускорению прогрева двигателя и регулирует количество охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор.

Рис. 10. Устройство термостата с твердым наполнителем: 1 – нижняя рамка; 2 – верхняя рамка; 3 – регулировочный винт; 4 – шток; 5 – резиновая буфер-мембрана; 6 – седло основного клапана; 7 – основной клапан; 8 – пружина; 9 – капсула; 10 – направляющее кольцо; 11 – перепускной клапан; 12 – упругое кольцо; 13 – поджимная пружина; 14 – седло перепускного клапана.

Термостат устанавливается в патрубке или канале, соединяющем радиатор с рубашкой охлаждения.

Внутри термостата закреплен металлический баллон с твердым наполнителем – церезином (кристаллический воск) и медными опилками. Баллон герметично закрыт резиновой мембраной. При нагревании церезин расплавляется и увеличивает свой объем (медные опилки нужны для лучшей теплопроводности). Мембрана прогибается и перемещает шток, управляющий клапаном термостата. Когда двигатель холодный, клапан термостата закрыт. При нагревании охлаждающей жидкости до температуры свыше 70°С шток термочувствительного элемента начинает открывать клапан, позволяя части жидкости проходить в радиатор, а если температура поднимается выше 80°С, клапан открывается полностью, и вся жидкость начинает циркулировать по большому кругу.

В таблице 1 приведены примеры технических параметров термостатов.

Таблица 1 - Технические параметры термостатов

Номинальная рабочая температура термостата	Термостат начинает открываться при температуре	Термостат полностью открыт при температуре
82°С	82°С	93°С
91°С	91°С	102°С

Для проверки работоспособности термостата используются три основных метода.

1). Метод нагревания в воде. Если термостат, снятый с двигателя, находится в закрытом положении, под клапан термостата просовывается пластина калиберного щупа толщиной 0,4 мм, - так, чтобы термостат держался на нем. Затем висящий на лезвии калиберного щупа термостат погружают в сосуд с водой и опущенным в нее термометром (рис. 11). Вода нагревается до тех пор, пока термостат не раскроется настолько, что соскользнет с подвеса. Температура, при которой это происходит, является температурой открывания термостата. Если измеренная температура открывания отличается от значения, выштампованного на крышке термостата, не более чем на 4°С, термостат годен для работы. Если разность температур оказывается больше, термостат подлежит замене.

Рис. 11. Измерительная установка, используемая для проверки температуры открытия термостата.

2). Метод с использованием ИК-пирометра. Температуру охлаждающей жидкости, омывающей термостат, можно измерить с помощью ИК-пирометра. Термостат установлен в том месте двигателя, в котором температура охлаждающей жидкости – наивысшая. Если система охлаждения функционирует нормально, показания пирометра будут следующими. При прогреве двигателя температура достигает температуры открытия термостата. Как только термостат открывается, направляя охлаждающую жидкость через радиатор, температура сразу же снижается.

В процессе циклического открытия-закрытия термостата температура колеблется в пределах от температуры открытия термостата до температуры, превышающей температуру открытия термостата на 11°С. Если температура охлаждающей жидкости возрастает более чем на 11°С, необходимо проверить систему охлаждения на величину расхода потока охлаждающей жидкости и выяснить, что вызывает ее ограничение или снижение. Причиной чрезмерного повышения температуры может оказаться также засоренный радиатор.

3). Метод с использованием программы, заложенной в компьютерную систему контроля двигателя. Во многих автомобилях можно узнать фактическое значение температуры охлаждающей жидкости с помощью заложенной в компьютерную систему программы контроля, которая выдаст показание датчика температуры охлаждающей жидкости.

3.8. Вентиляторы охлаждения

Вентилятор (рис. 12-13) служит для повышения скорости прохождения воздуха через радиатор с целью улучшения охлаждения.

Вентилятор рассчитан таким образом, чтобы потока воздуха, прогоняемого через радиатор на самой низкой скорости его вращения, было достаточно для охлаждения двигателя, работающего при максимальной температуре охлаждающей жидкости.

Вентилятор обычно располагают за радиатором в специальном направляющем кожухе. Вентиляторы системы охлаждения могут иметь различный привод. Самый простой привод – постоянный, с помощью ременной или другой передачи от коленчатого вала двигателя, но такой способ – самый неэффективный. Любой вентилятор забирает часть мощности двигателя, и поэтому, если температура охлаждающей жидкости не превышает оптимального значения, вентилятор можно отключить.

В современных автомобилях широко применяются вентиляторы с электроприводом. Электродвигатель такого вентилятора включается только в том случае, если электрический датчик температуры, установленный в системе охлаждения, сигнализирует о превышении температуры выше определенного значения.

В целях экономии энергии вентиляторы охлаждения обычно выключаются на скорости автомобиля выше 55 км/час. При движении автомобиля на такой скорости напора встречного потока воздуха должно хватать для охлаждения радиатора.

Рис. 12. Вал водяного насоса стандартной конструкции, на котором запрессована ступица вентилятора; вентилятор снят.

Рис. 13. Стандартный электрический вентилятор охлаждения.

В наиболее совершенных системах охлаждения работой вентилятора управляет процессор, который не только дает команду на включение-выключение вентилятора, но и регулирует частоту его вращения в зависимости от режима работы.

В системах охлаждения большого числа двигателей современных легковых автомобилей используются вентиляторы с вязкостной муфтой (рис. 14).

Рис. 14. Привод вентилятора дизеля осуществляется с помощью вязкостной муфты.

Ступица такого вентилятора имеет постоянный привод от вала двигателя, а лопасти соединяются со ступицей через муфту, внутри которой находится специальная жидкость, которая увеличивает свою вязкость при увеличении температуры. Если воздух, проходящий через радиатор, имеет низкую температуру, между ступицей и лопастями нет жесткой связи. По мере нагревания воздуха вязкость жидкости повышается и муфта начинает блокироваться, а при температуре воздуха 80°С происходит полная блокировка муфты и лопасти вентилятора вращаются с максимальной частотой при данных оборотах коленчатого вала.

Рис. 15. Установка гидравлической муфты в приводе вентилятора: 1 – вал привода вентилятора; 2, 6 – сальники (манжеты); 3 – гайка вала; 4 – стопорная шайба; 5 – втулка сальника; 7 – рабочее колесо; 8 – гидромуфта; 9 – корпус вентилятора; 10 – крышка; 11 – уплотнительное кольцо; 12 – корпус центрифуги; 13 – шайба; 14 – маслопроводный болт; 15 – подшипник скольжения.

В конструкциях некоторых двигателей для привода вентилятора используются более сложные, гидравлические, муфты (рис. 15), которые изменяют скорость вращения вентилятора системы охлаждения в зависимости от температурного режима двигателя путем изменения количества масла внутри муфты.

3.9. Охлаждающая жидкость

Вода при замерзании расширяется в объеме примерно на 9%. Если вода замерзнет в двигателе, то, расширяясь, она легко разорвет блок цилиндров, головку блока цилиндров и радиатор. Всеми производителями рекомендуется для защиты от этой опасности использовать в качестве незамерзающей охлаждающей жидкости смесь этиленгликоля с водой.

На рис. 16 приведен график зависимости точки замерзания охлаждающей жидкости от процентного содержания антифриза в растворе. Из этого графика видно, что при повышении концентрации антифриза выше 60% температура замерзания раствора возрастает. Обычно используется смесь воды с антифризом в пропорции 50% на 50%. Антифризы на основе этиленгликоля содержат в своем составе антикоррозионные добавки, ингибиторы коррозии и вещества, предназначенные для смазки водяного насоса.

Антифриз на основе этиленгликоля имеет также более высокую температуру кипения, чем вода (рис. 17). При кипении охлаждающая жидкость превращается в пар и перестает выполнять роль теплоносителя, потому что она уже не находится в жидкой фазе и не контактирует с охлаждаемыми поверхностями.

На графиках температура указана в градусах по Фаренгейту. Примерные соотношения: 32°Ф = 0°С; -40°Ф = -40°С; 284°Ф = 140°С; 230°Ф = 110°С.

Рис. 16. График зависимости точки замерзания охлаждающей жидкости от процентного содержания в ней антифриза.

Рис. 17. График зависимости точки кипения охлаждающей жидкости от процентного содержания в ней антифриза.

Чистый антифриз обычно представляет собой 95% раствор этиленгликоля, в котором содержится от 2% до 3% воды, и от 2% до 3% добавок.

Антифриз на основе пропиленгликоля считается менее токсичным веществом, чем этиленгликолевый антифриз. Хотя пропиленгликоль и оказывает меньшее отравляющее действие на людей и животных, но все же при попадании в организм он также опасен.

Точка замерзания чистой вода составляет 0°С, чистого антифриза – минус 18°С, их смеси 50/50 – минус 37°С.

Точка кипения смеси антифриза с водой также зависит от концентрации компонентов смеси (таблица 2).

Таблица 2 - Точки кипения смеси антифриза с водой

Охлаждающая жидкость	Точка кипения на уровне моря	Точка кипения при повышенном давлении
Чистая вода	100°С	125°С
Смесь 50/50	103°С	130°С

Охлаждающую жидкость можно проверить с помощью ареометра. Ареометром измеряется плотность охлаждающей жидкости. Чем выше ее плотность, тем выше концентрация антифриза в воде. Большинство ареометров для охлаждающей жидкости сразу показывают точку замерзания и точку кипения. Лучше всего, когда точка замерзания используемой охлаждающей жидкости находится ниже -29°С, а точка кипения – выше 112°С.

При повышении концентрации антифриза до 70% температура кипения возрастает, температура замерзания снижется, однако снижется и эффективность теплопередачи смеси.

3.10. Проверка системы охлаждения

С помощью ручного устройства для проверки герметичности можно быстро и просто испытать систему охлаждения под давлением. Для этого с горловины радиатора снимается гермопробка (двигатель должен быть холодным!) и вместо нее к радиатору присоединяется устройство для проверки герметичности. С помощью ручного насоса в системе охлаждения создается избыточное давление (рис. 18).

Большинство систем охлаждения рассчитано на избыточное давление не выше 100 кПа. Превышение этой границы может привести к выходу из строя водяного насоса, радиатора, теплообменника отопителя салона и шлангов. Если в системе охлаждения отсутствуют утечки, давление в ней должно держаться, не снижаясь.

Рис. 18. Проверка системы охлаждения под давлением с помощью устройства для проверки герметичности, оснащенного ручным насосом.

Одним из самых эффективных методов выявления утечек является метод капиллярной дефектоскопии с использованием флуоресцентного красителя, добавляемого в охлаждающую жидкость. После добавки красителя в охлаждающую жидкость прогревают двигатель до рабочей температуры. Осматривают все участки системы охлаждения под ультрафиолетовым освещением. Любая утечка, если таковые есть, легко обнаруживается, поскольку краситель, добавленный в охлаждающую жидкость, в ультрафиолетовых лучах светится ярко-зеленым светом.

Распространенные причины перегрева двигателя:

- низкий уровень охлаждающей жидкости;

- засоренный, грязный или заблокированный радиатор;

- неисправная муфта привода вентилятора или неисправный электрический вентилятор;

- неправильно установленный угол опережения зажигания;

- низкий уровень масла в системе смазки двигателя;

- оборванный ремень привода вентилятора;

- неисправная гермопробка радиатора;

- неисправный термостат;

- неисправный водяной насос системы охлаждения.

Дата добавления: 2015-07-08