Принцип работы системы охлаждения двигателя

Виды систем охлаждения

Всего на двигателях внутреннего сгорания используется два типа охлаждения – воздушное и жидкостное.

Воздушная система охлаждения, ее конструкция, недостатки

Устройство воздушной системы охлаждения двигателя

Устройство воздушной системы охлаждения двигателя

В силу ряда недостатков на автомобильном транспорте воздушная система широкого распространения не получила, хотя конструктивно она значительно проще, чем жидкостная. Основным ее элементом являются ребра охлаждения на цилиндрах.

Тепло, выделяемое от цилиндров, распространялось на эти ребра, а проходящий через них поток воздуха осуществлял его отвод. Для создания потока дополнительно конструкция системы могла включать турбину – специальную крыльчатку, с приводом от коленчатого вала и рукав, которым создаваемый поток воздуха направлялся на цилиндры. Это  вся конструкция воздушной системы.

На автотранспорте воздушная система практически не используется потому, что:

  • невозможна регулировка температурного режима (зимой мотор не выходил на необходимую температуру, а летом – очень быстро перегревался);
  • чтобы обеспечить равномерное распределение потока воздуха, каждый цилиндр стоял отдельно;
  • во время стоянки с заведенным мотором даже при наличии турбины поток воздуха очень слабый, что приводит к быстрому перегреву;
  • невозможно организовать обогрев салона.

Из-за этих недостатков воздушная система на автомобилях не применяется, хотя единичные случаи все же были – ЗАЗ-968 «Запорожец» как раз и имел такую систему охлаждения. Зато она широко используется на мототранспорте и технике, оснащенной 2-тактными моторами (бензопилы, мотокосы, мотоблоки и т. д.).

Классификация

При работе мотора необходимо обеспечить отвод от 25 до 35% выделяемого тепла. Для его эффективного поглощения (отвода) чаще всего используют воду, воздух или специальную жидкость (тосол, антифриз). Материал теплоносителя определяет способ охлаждения силового агрегата.

Различают системы:

  1. Принудительного воздушного охлаждения.
  2. Жидкостного охлаждения с замкнутым циклом.

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.

Охлаждение отработавших газов

В связи с принятием новых более жестких норм предельно допустимого содержания вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей, объектом внимания специалистов становятся новые технологии по снижению ток­сичности. Одной из таких технологий является охлаждаемая система рециркуляции отработав­ших газов (EGR). Система рециркуляции отрабо­тавших газов размещается в области высокого давления двигателя. Часть отработавших газов отбирается из основного потока между блоком цилиндров и турбонагнетателем отработавших газов. Эти отработавшие газы охлаждаются охлаждающей жидкостью двигателя, а затем снова вводятся в поток свежего воздуха на выходе промежуточного охладителя. Система EGR состоит из клапана, регулирующего коли­чество рециркулирующих отработавших газов, выпускных трубопроводов и теплообменника, который подвергается воздействию очень вы­соких температурных нагрузок (например, в двигателях легковых автомобилей температура отработавших газов может достигать 450 °С, а в двигателях грузовиков — 700 °С), что требует применения термостойких материалов. (см. рис. «Схема системы рециркуляции охлаждаемых отработавших газов» )

Кроме того, материал должен обладать стой­костью к

Кроме того, материал должен обладать стой­костью к коррозии и иметь высокую механиче­скую прочность. Поэтому для этих целей при­меняются специальные нержавеющие стали.

Для достижения необходимой степени рециркуляции теплообменники должны обе­спечивать очень низкий перепад давления. Также должны быть приняты меры к пре­дотвращению их засорения. В конструкции охладителей отработавших газов применены пучки гладких или оребренных труб. Отрабо­тавшие газы проходят по трубкам, а охлаж­дающая жидкость циркулирует в рубашке охладителя.

Еще одним применением охладителей от­работавших газов является их предваритель­ное охлаждение на двигателях с искровым зажиганием. Предварительное охлаждение отработавших газов требуется для поддер­жания их температуры в пределах рабочего диапазона каталитических нейтрализаторов аккумуляторного типа.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Принцип работы системы охлаждения двигателя в действии

Налаженная работа охлаждения обусловлена наличием

Налаженная работа охлаждения обусловлена наличием системы управления.

В автомобилях с современными двигателями её действия основаны на математической модели, в которой учтены различные показатели параметров системы:

  • температура смазочного масла;
  • температура жидкости, используемой для охлаждения двигателя;
  • температура наружной среды;
  • другие важные показатели, влияющие на работу системы.

Система управления, оценивая различные параметры и их влияние на работу системы, компенсирует их влияние регулированием условий работы управляемых элементов.

С помощью центробежного насоса осуществляется принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе. Проходя через рубашку охлаждения жидкость нагревается, а попав в радиатор — остывает. Нагревая жидкость, сами детали двигателя остывают. В рубашке охлаждения жидкость может циркулировать как в продольном (по линии цилиндров), так и в поперечном направлении (от одного коллектора к другому).

От температуры охлаждающей жидкости зависит круг ее циркуляции. Во время запуска двигателя он сам и охлаждающая жидкость холодные, и чтобы ускорить его нагрев жидкость направляется на малый круг циркуляции, минуя радиатор. В дальнейшем, при нагревании двигателя, термостат нагревается и меняет свое рабочее положение на полуоткрытое. Вследствие этого охлаждающая жидкость начинает течь через радиатор.

Если встречного потока воздуха радиатора недостаточно для понижения температуры жидкости до требуемого значения, включается вентилятор, образующий дополнительный поток воздуха. Охлажденная жидкость вновь попадает в рубашку охлаждения и цикл повторяется.

Если в автомобиле используется турбонаддув, то он может быть оснащен двухконтурной системой охлаждения. Первый её контур охлаждает сам двигатель, а второй — наддувочный поток воздуха.

Смотрите познавательное видео про принцип работы системы охлаждения двигателя.

Структура системы

Подавляющее большинство ДВС имеют жидкостную систему охлаждения (закрытого типа), использующую принцип принудительной циркуляции. Именно она, с одной стороны, способно обеспечить максимально эффективное охлаждение, а с другой, — является более эргономичным и комфортным способом отвода избыточного тепла от двигателя. 
Устройство и принципиальная схема системы охлаждения двигателя (как дизельного, так и бензинового) включает в себя работу следующих компонентов:

  1. радиатора с вентилятором (электрическим, механическим или гидравлическим);
  2. радиатора отопителя («печки») с электрическим вентилятором;
  3. рубашек охлаждения блока цилиндров и головки блока;
  4. термостата;
  5. циркуляционного (водяного) насоса («помпы»);
  6. расширительного бачка;
  7. крана радиатора «печки»;
  8. соединительных патрубков и шлангов.


В качестве охлаждающей жидкости может использоваться вода, тосол, антифриз. Система охлаждения подавляющего числа автомобилей использует тосол, как более оптимальный вариант, из-за хорошего соотношения стоимости и функциональных характеристик.

Принцип работы системы

В целом работа системы довольно проста. Приведённый в действие гидравлический насос обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по рубашке блока цилиндров. Скорость циркуляции зависит от количества оборотов коленчатого вала ДВС.

Антифриз, проходящий по каналам в блоке цилиндров, отводит излишек тепла от агрегата и поступает обратно в приёмный отсек помпы, минуя термостат. Когда температура охлаждающей жидкости достигает 80-90оС, термостат открывает большой круг циркуляции, блокируя малый. Таким образом, жидкость после блока цилиндров направляется в радиатор охлаждения, где её температура снижается благодаря встречному потоку воздуха и вентилятору. Далее, процесс повторяется.

Несмотря на простоту конструкции, система охлаждения силового агрегата способна дать сбой во время эксплуатации транспортного средства. В связи с этим двигатель будет работать в повышенном температурном режиме, из-за чего ресурс его деталей значительно снизится. Причины некорректной работы охлаждения могут быть совершенно разные.

Интеллектуальные системы теплового регулирования

В настоящее время имеют место тенденции к разработке оптимизированных систем ре­гулирования различных потоков веществ и тепловых потоков.

Тепловое регулирование выходит далеко за пределы систем охлаждения в том отно­шении, что оно учитывает все потоки веществ и тепловые потоки, имеющие место в автомо­биле, т.е. в дополнение к системе охлаждения двигателя учитывается, например, система кондиционирования воздуха. Цели оптими­зации включают:

  • Снижение расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах;
  • Повышение эффективности кондициони­рования воздуха;
  • Увеличение срока службы компонентов;
  • Улучшение охлаждения при частичных на­грузках двигателя.

Один из основных принципов теплового регу­лирования заключается в том, что вспомога­тельная мощность, используемая для работы системы охлаждения, всегда представляет собой потери полезной мощности двигателя, и производительность тех или иных компо­нентов не может произвольно повышаться при неизменной доступной вспомогатель­ной мощности. Поэтому для достижения целей оптимизации система охлаждения снабжается «интеллектуальной» микропро­цессорной системой управления как с из­вестными, так и с новыми исполнительными механизмами. Например, в целях снижения интенсивности подачи охлаждающего воз­духа до необходимого минимума в зависи­мости от рабочих условий (регулирование по потребности) система может быть оборудована регулируемыми шторками радиатора или регулируемым приводом вентилятора. В дополнение к снижению коэффициента сопротивления cd, эти меры способствуют ускорению прогрева двигателя при низких наружных температурах и повышению эф­фективности системы отопления салона. Уменьшение части мощности, расходуемой на работу системы охлаждения, означает на­личие запаса мощности, который может быть использован при критических состояниях си­стемы охлаждения, с обеспечением в то же время выполнения целей оптимизации.

Другим важным принципом является под­держание, насколько возможно, постоянной температуры охлаждаемых компонентов не­зависимо от условий работы и окружающих условий. Примером применения этого прин­ципа является использование охлаждающей жидкости двигателя для регулирования тем­пературы рабочей жидкости трансмиссии. Быстрый прогрев рабочей жидкости после запуска двигателя и ее эффективное охлаж­дение, предотвращающее перегрев, снижают потери на трение в трансмиссии, увеличи­вают срок службы и позволяют увеличить интервалы технического обслуживания.

В конечном итоге, рассмотрение систем охлаждения и кондиционирования воздуха как единого целого открывает новые возмож­ности использования «тепловой интеграции». Тепловые потоки одной системы могут исполь­зоваться или рассеиваться другой системой без необходимости в каком-либо значительном увеличении вспомогательной мощности. При­мером такого подхода является использование отходящего тепла системы охлаждения отрабо­тавших газов для отопления салона автомобиля.

В целом система теплового регулирования включает:

  • Выравнивание температуры рабочей жид­кости трансмиссии;
  • Программируемый термостат;
  • Электрически регулируемую вязкостную муфту;
  •  Регулирование скорости насоса системы охлаждения;
  • Регулирование потока охлаждающего воздуха при помощи, например, шторок радиатора;
  • Охлаждение отработавших газов;
  • Жидкостное охлаждение воздуха наддува (промежуточное охлаждение).

Потенциал снижения расхода топлива за счет применения всех этих устройств и систем со­ставляет до 5 % (для легковых автомобилей). Кроме того, имеется ряд дополнительных преимуществ, соответствующих вышеуказанным целям оптимизации. Решающее значение в реа­лизации этого потенциала имеют пределы, в ко­торых система управления двигателем исполь­зует опции управления системой охлаждения.

В настоящее время на автомобилях в раз­личной степени реализуются те или иные отдельные меры по оптимизации темпера­турных режимов узлов автомобиля. В то же время комплексная система теплового регу­лирования остается резервом для будущих поколений автомобилей.

Износ термостата

Наиболее часто неполадки в системе связаны именно с клапаном переключающим круги циркуляции, он же термостат. Если деталь заклинивает в одном положении или клапан перекрывает каналы кругов циркуляции неплотно, прогрев двигателя может занять значительно больше времени или наоборот, агрегат начнёт сильно перегреваться без достаточного охлаждения.

Принцип работы термостата

Принцип работы термостата

Как правило, поломка термостата связана с нарушением его целостности. Основой клапана является термический воск, который при нагревании расширяется и сдавливает мембрану, открывающую большой круг циркуляции. Если воск по какой-либо причине вытек из детали, то клапан перестанет функционировать и антифриз не сможет полноценно охлаждаться. Также причиной износа может стать несвоевременная замена охлаждающей жидкости или её низкое качество. Коррозия пружины термостата вызывает заклинивание детали в открытом или реже закрытом положении. В обоих случаях двигатель не сможет работать в нормальном температурном диапазоне — жидкость будет либо постоянно охлаждаться, даже когда в этом нет необходимости, либо наоборот, всё время будет горячей.

Пружина термостата подверглась коррозии

Пружина термостата подверглась коррозии

Определить износ довольно просто и это можно сделать двумя способами. Проще всего проверку произвести несъёмным методом. Для этого сразу после запуска двигателя следует потрогать входной патрубок радиатора. Если он стал тёплым почти сразу после пуска ДВС, это говорит о том, что термостат заклинило в открытом положении. И наоборот, когда патрубок остаётся холодным, даже если показатель температуры находится в пиковом положении, это свидетельствует о неспособности термостата открываться.

Более точно удостовериться в том, что причина некорректной работы системы охлаждения заключается именно в неисправности термостата можно путём его демонтажа. Снятый клапан кладётся в ёмкость с водой и подвергается нагреву. Когда температура воды достигнет 90оС, исправный клапан обязательно должен сработать — шток термостата сместится. Если этого не происходит, можно с уверенностью считать деталь неисправной.

Вышедший из строя термостат не подлежит ремонту, а требует обязательной замены. Его стоимость для большинства автомобилей редко превышает 1000 рублей. Клапан вполне можно заменить самостоятельно, без посещения автосервиса.

Технология модульного охлаждения двигателя

Охлаждающие модули представляют собой конструктивные элементы, состоящие из раз­личных компонентов охлаждения и кондицио­нирования воздуха, используемых на легко­вых автомобилях, и содержащие вентилятор с приводом (например, гидростатическим дви­гателем, электродвигателем или вязкостной муфтой).(см. рис. «Управляемая система охлаждения» )

Технология модульного охлаждения охва­тывает конструкцию компонентов с учетом их взаимодействий, доступного пространства и связей с другими системами. Проблемы в от­ношении сопряжений включают:

  • Методы установки;
  • Вздуховоды;
  • Уплотнения на стороне охлаждающего воздуха;
  • Подсоединение к компонентам линий по­дачи масла и охлаждающей жидкости;
  • Разъемные электрические соединения.

К преимуществам модульной техники отно­сятся:

  • Упрощение логики управления за счет объединения компонентов в единый конструктивный блок;
  • Уменьшение количества соединений;
  • Простота установки и сборки;
  • Оптимальная конструкция компонентов;
  • Модульные системы, подходящие для различных двигателей и вариантов обо­рудования;
  • Повышение общего уровня качества сборки.

Для оптимизации конструкции компонентов модулей охлаждения используются различные методы моделирования и испытаний. Исходя из известных характеристик вентиляторов, при­водов и теплообменников, разрабатываются моделирующие программы, воспроизводящие условия как на стороне охлаждающего воздуха, так и на стороне охлаждаемого масла. Вклю­чая в модели отдельные компоненты, можно исследовать взаимодействия компонентов при различных условиях работы. Все более широ­кое применение находят инструменты системы компьютеризованного конструирования (CAD). При этом в систему CAD вводятся все геометри­ческие данные, которые затем обрабатываются системой соответствующим образом. Для ис­следования потоков охлаждающего воздуха в моторном отсеке используются методы вы­числительной гидроаэродинамики (CFD), для анализа прочности конструкции и устойчивости системы — анализ методом конечных элементов (FEM). Завершает этот процесс стадия испыта­ний на моделях или прототипах, которые могут проводиться в аэродинамических трубах или на вибростендах.

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

  1. Конструкция двигателя становится проще.
  2. Ремонт легко в случае повреждений.
  3. Отсутствие громоздкой системы охлаждения облегчает обслуживание системы.
  4. Нет опасности утечки охлаждающей жидкости.
  5. Двигатель не подвержен заморозкам.
  6. Это автономное устройство, так как оно не требует радиатора, жатки, резервуаров и т.д.
  7. Установка системы воздушного охлаждения проста.
Недостатки двигателей воздушного охлаждения

Недостатки двигателей воздушного охлаждения

  1. Их можно использовать только в местах, где температура окружающей среды ниже.
  2. Охлаждение не равномерное.
  3. Более высокая рабочая температура по сравнению с двигателями с водяным охлаждением.
  4. Производят больше аэродинамического шума.
  5. Удельный расход топлива выше.
  6. Более низкие максимально допустимые коэффициенты сжатия.
  7. Вентилятор, если он используется, потребляет почти 5% мощности, вырабатываемой двигателями.

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.

В рядных двигателях вентиляторы располагают спереди, сбоку или объединяют с маховиком, а в V- образных — обычно в развале между цилиндрами. В зависимости от расположения вентилятора цилиндры охлаждаются воздухом, который нагнетается или просасывается через систему охлаждения.

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.