Система охлаждения двигателя: схема, устройство, неисправности, ремонт

Устройство системы охлаждения двигателя

  • тепловая мощностью ДВС (быстрота выделения тепла),
  • габаритов радиатора, вентилятора и водяной помпы, 
  • давления в СО,
  • конструктивных особенностей термостата.
  • перемычкам между гнездами клапанов (самым горячим местам головки цилиндров), если речь касается бензиновых ДВС.
  • форсункам, если в фокусе внимания – дизельные двигатели.

Устройство воздушной СО

  • вентилятор, состоящий из диффузора с неподвижными лопастями (направляют воздух) и ротора. Как правило, запускается при помощи ремня и работает от шкива коленвала охладительные ребра цилиндров и головки (или головок), 
  • съемный кожух, 
  • дефлекторы (монтируются непосредственно над вентканалом) и контрольные приборы. 

Принцип работы системы охлаждения двигателя автомобиля на антифризе

  • Антифриз циркулирует (движется по маршруту) принудительно. 
  • Движение жидкости производится через «рубашку охлаждения» двигателя.
  • Охлаждение ДВС и нагрев охлаждающей жидкости осуществляются синхронно. 
  • Антифриз к водяной рубашке движется от первого цилиндра к последнему или от выпускного коллектора к впускному (в зависимости от потоков)
  • Жидкость циркулирует по малому (до нагрева) или большому кругу (после нагрева).Свой путь антифриз начинает  по большому кругу. Путь к маломому кругу до достижения определённой температуры  жидкости недоступен, это происходит благодаря закрывающемуся клапану. Когда температура, напротив, падает, то клапан  срабатывает снова, и рабочим путем антифриза, как и в начале работы, становится  малый круг.
  • В момент запуска ДВС антифриз  – холодный. При включении системы он нагревается, проходит через радиатор, охлаждается встречным потоком воздуха, в том числе, при необходимости  –  потоком воздуха от вентилятора.
  • Чаще всего у ДВС горячая охлаждающая жидкость выходит из корпуса термостата (температурно-регулирующего клапана), протекает через радиатор поток жидкости охлаждается потоком воздуха, 
  • Назад жидкость возвращается через выходной патрубок основного бачка и через шланг идёт к входному патрубку циркуляционного насоса. Он и прогоняет поток жидкости через рубашку охлаждения двигателя. На некоторых двигателях (например, Chrysler и General Motor’s) альтернативой термостату выступает водяной насос. 
Воздушное охлаждение
  • Вентилятор создает поток воздуха
  • Наружная область блоков цилиндров и головки омываются мощным потоком воздуха,
  • Излишки тепла направляются в атмосферу.

ДВС

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.

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:

Как работает система охлаждения автомобильного двигателя?

Автомобильный двигатель выделяет много тепла во вр

Автомобильный двигатель выделяет много тепла во время движения и должен постоянно охлаждаться, чтобы избежать перегрева и повреждения. Чтобы понять как работает охлаждительная система в машине, необходимо знать все основные ее компоненты.

Система охлаждения автомобиля — это сеть компонентов, которая отводит тепло от работающего двигателя. Современные автомобили достигают этого, используя жидкую охлаждающую жидкость и воду, циркулирующие по всей системе, предназначенные для отвода тепла от двигателя.

Круги циркуляции

Система охлаждения в автомобиле имеет два круга циркуляции: большой и малый. Основным считается именно малый, поскольку при запуске агрегата по нему сразу же начинает циркулировать охлаждающая жидкость. В работе малого круга задействованы только каналы блока цилиндров, помпа, а также радиатор отопления салона. Циркуляция проходит по малому кругу до тех пор, пока ДВС не достигнет нормальной рабочей температуры, после чего срабатывает термостат и открывает большой круг. Благодаря такой системе прогрев двигателя значительно сокращается, а в зимнюю пору система не столько охлаждает агрегат, сколько поддерживает его нормальный температурный режим.

Малый и большой круги циркуляции охлаждающие жидко

Малый и большой круги циркуляции охлаждающие жидкости

В работе большого круга задействованы вентилятор, радиатор охлаждения, впускные и выпускные каналы, термостат, расширительный бочок, а также те элементы, которые принимают участие в функционировании малого круга. Внешний круг, он же большой круг, начинает работать, когда температура охлаждающей жидкости достигает 80-90оС, и обеспечивает её охлаждение.

Причины засорения

Основной причиной загрязнения системы является использование в качестве охлаждающей жидкости обычной воды. Проточная вода из крана имеет в составе большое количество солей, создаёт накипь и ржавчину на стенках магистралей. Использование дистиллированной воды менее пагубно, но полноценное охлаждение в жаркий период она не способна обеспечить. Кроме того, зимой при минусовой темпе вода замёрзнет и расширяясь может нарушить целостность отдельных деталей и соединений.

Применение качественного антифриза или тосола более целесообразно. Специальные вещества для охлаждения имеют значительный ресурс и не замерзают даже при очень низких температурах. Однако присадки содержащиеся в составе, с течением времени начинают выпадать в осадок засоряя систему.

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.

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.

(охлаждение с наддувом воздуха)

Тенденции в разработке автомобильных двига­телей демонстрируют постоянное увеличение удельной мощности. Эта тенденция идет рука об руку с переходом от безнаддувных двига­телей к двигателям с турбонаддувом и далее к двигателям с турбонаддувом и промежуточ­ным охлаждением. Необходимость в промежу­точном охлаждении (охлаждении воздуха над­дува) вызвана увеличением плотности воздуха на выходе турбонагнеталя и, следовательно, количества кислорода в воздухе для горения смеси. Промежуточное охлаждение также позволяет снизить содержание вредных вы­бросов в отработавших газах. При отсутствии промежуточного охлаждения (охлаждения воздуха наддува) на двигателе с турбонад­дувом и искровым зажиганием необходимо было бы принимать соответствующие меры по предотвращению детонации, возникающей вследствие обогащения смеси или при позд­нем зажигании. Поэтому система промежуточ­ного охлаждения косвенно способствует сни­жению расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах.

Конструктивные особенности промежуточного охлаждения

Для охлаждения наддувочного воздуха мо­гут использоваться охлаждающая жидкость или окружающий воздух. За некоторым ис­ключением, в настоящее время на легковых и коммерческих автомобилях применяются промежуточные охладители с воздушным охлаждением.

Промежуточный охладитель с воздушным охлаждением можно установить перед ра­диатором двигателя или после него, или в любом ином месте над модулем охлаждения. Он также может быть полностью отделен от радиатора и работать с использованием либо внешнего потока воздуха, либо создаваемого собственным вентилятором. Если промежуточ­ный охладитель установлен перед радиатором, охлаждающий вентилятор обеспечивает достаточный воздушный поток даже при низких скоростях движения автомобиля. Однако такая компоновка имеет тот недостаток, что при этом нагревается сам охлаждающий воздух. Чтобы скомпенсировать этот эффект, необходимо со­ответственно увеличивать размеры радиатора.

Промежуточный охладитель с жидкостным охлаждением может быть установлен прак­тически в любом месте моторного отсека, поскольку технические трудности с обеспе­чением подачи в систему охлаждающей жид­кости отсутствуют. Кроме того, благодаря своим скромным размерам, промежуточный охладитель этого типа требует значительно меньше пространства, чем промежуточный охладитель с воздушным охлаждением. Промежуточные охладители с жидкостным охлаждением отличаются высокой плотно­стью мощности. Однако, для эффективного охлаждения воздуха наддува температура охлаждающей жидкости должна быть очень низкой. Это требование имеет особенно боль­шое значение в отношении коммерческих ав­томобилей и тяжелых грузовых автомобилей, поскольку в этом случае необходимо нагреть воздух наддува на 15 К выше температуры наружного воздуха. Следовательно, чтобы обеспечить требуемую температуру охлаж­дающей жидкости, может потребоваться установить в охлаждающем модуле низко­температурный радиатор. Без такого радиа­тора воздух наддува может быть охлажден только до уровня, близкого к температуре охлаждающей жидкости двигателя.

Промежуточный охладитель изготавли­вается из гофрированных алюминиевых пластин и трубок, которые аналогичны тем, что используются в радиаторе основной си­стемы охлаждения. Широкие трубки с охлаж­дающими пластинами позволяют получить благоприятные характеристики и конструк­тивную целостность охладителя. Плотность Ребер на стороне охлаждающего воздуха от­носительно невелика и приблизительно со­ответствует плотности внутренних ребер для Достижения хорошего распределения сопро­тивления теплопередаче.

Особенно важным параметром промежу­точного охладителя является коэффициент рассеяния теплоты Ф. Этот параметр опреде­ляет зависимость между эффективностью охлаждения наддувочного воздуха и разно­стью между температурами наддувочного и охлаждающего воздуха:

Ф = (tt1A) / (t — t2A)

где:

Ф — коэффициент рассеяния теплоты;

t — температура наддувочного воздуха на входе;

t1A — температура наддувочного воздуха на выходе;

t2A — температура охлаждающего воздуха на входе.

Для легковых автомобилей: Ф = 0,4 — 0,7.

Для грузовых автомобилей: Ф = 0,9 — 0,95.

По возможности, напорная воздушная камера изготавливается методом литья под давлением из армированного волокном полиамида, как цельная отливка со всеми соединениями и кре­плениями. Напорные камеры, подвергающиеся повышенным напряжениям на стороне впуска наддувочного воздуха, изготавливаются мето­дом литья под давлением из термостойкого полифталамида или полифениленсульфида. Они крепятся к радиатору при помощи флан­цев и уплотняются при помощи уплотнений из эластомерных материалов. Напорные камеры с поднутрением, предназначенные для работы в условиях высоких температур, изготавлива­ются методом литья из алюминиевого сплава и привариваются к радиатору.

Териология систем охлаждения

В то время как охлаждающий модуль вклю­чает компоненты, выполняющие опреде­ленные функции, система охлаждения охватывает все компоненты, относящиеся к охлаждению, в том числе и те, которые не входят в состав законченных конструктив­ах узлов. Сюда относятся компоненты, не входящие в состав модуля охлаждения, такие как соединительные трубопроводы и шланги, насосы, расширительные бачки и элементы Управления.

Технология систем охлаждения имеет целый ряд технических и экономических преимуществ:

  • Снижение паразитных потерь за счет опти­мизации гидравлической части системы;
  • Оптимизация процессов управления и динамики;
  • Оптимизация системы отопления салона автомобиля;
  • Большое количество вариантов, что по­зволяет выбрать наиболее подходящий для данного автомобиля и условий экс­плуатации;
  • Стандартизованная концепция сборки всех компонентов системы охлаждения;
  • Снижение затрат на разработку благодаря уменьшению количества интерфейсов.

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.

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.