Системы охлаждения двигателя используется для стабилизации тепловой нагрузки мотора в ходе его эксплуатации. Основное назначение устройства – защита элементов конструкции ДВС от перегрева и размораживания.
Общие сведения
Сгорание топлива в цилиндрах двигателя сопровождается огромным выделением тепловой энергии, и только 25–40% от ее объема считается полезной составляющей. Температура газов в камере сгорания автомобильного силового агрегата может достигать 1900–2400°C. Проектируемое среднее значение этого параметра должно составлять 650–920°C. Дальнейшее увеличение теплового режима может нанести вред силовому агрегату. Поэтому лишние 60% тепла необходимо удалить из подкапотного пространства.
Перегрев двигателя может привести к следующим последствиям:
1. Увеличение силы трения в местах контакта соприкасающихся деталей.
2. Повышенный износ элементов конструкции.
3. Уменьшение допустимого теплового зазора между рабочими элементами.
4. Воспламенение моторного масла и др.
Для поддержания теплового баланса двигателя и эффективного отвода лишнего тепла в атмосферу предусмотрена система охлаждения. В задачи системы входит не только защита агрегата от перегрева. Чрезмерный отвод тепла также отрицательно сказывается на работе мотора: увеличивается вязкость масла, повышается коэффициент трения, влияющий на величину износа трущихся поверхностей.
Температура ОЖ, а значит и тепловой баланс двигателя должны находится в границах 85–95°C.
Тип структуры, ее конструктивные особенности зависят от мощности и условий эксплуатации мотора.
Характерные особенности
Основное предназначение оборудования, способствующее комплексному охлаждению мотора – это быстрый запуск двигателя, нагрев до нужной температуры, а впоследствии – сохранение этих параметров на протяжении всей работы агрегата. На всех современных ДВС устанавливают два типа устройств, которые по способу действия делятся на воздушные и жидкостные системы.
Воздушная схема для современного легкового и грузового транспорта применяется не часто. Все больше для сохранения теплового баланса применяют способ охлаждения двигателя с использованием низкозамерзающих жидкостей, это:
1. Открытый, где контакт с внешним контуром происходит посредством паровыпускного патрубка.
2. Закрытый. Смесь движется в замкнутом пространстве по кругу без контакта с атмосферным воздухом.
В зависимости от схемы циркуляции ОЖ способы охлаждения мотора разделяют на следующие виды:
1. Принудительные. Оборот охлаждающих жидкостей реализуется с помощью водяной помпы, размещенной на корпусе двигателя.
2. Термосифонные. Здесь перемещение охладителя осуществляется за счет разницы температур и изменения плотности ОЖ. В течение функционирования агрегата раствор, омывающий корпус двигателя в случае повышения температуры устремляется вверх и самопроизвольно перемещается в верхнюю емкость радиатора. Продвигаясь через сердцевину радиатора, она теряет тепловую энергию и попадает в нижнюю секцию, а затем самотеком возвращается в каналы охлаждения блока цилиндров.
3. Комбинированные. В этом случае головку мотора охлаждают по принудительной схеме, а сам корпус агрегата кондиционируется по термосифонной схеме.
Воздушные системы
Способ воздушного охлаждения мотора предусматривает оребрение поверхности головки и блока цилиндров двигателя. В этом случае излишки тепла выводятся в атмосферу при помощи мощного вентилятора, который создавая плотный воздушный поток для обдува ребер мотора, способствует стабилизации теплового баланса работающего агрегата.
Воздушное охлаждение отличается своей компактностью, так как в его конструкции отсутствует радиатор, помпа и подводящие патрубки. В результате получаем ряд преимуществ, это:
• снижение веса агрегата;
• простота обслуживания;
• из-за отсутствия жидкости, исключается риск размораживания агрегата.
Из недостатков такой схемы – это сравнительно сложный запуск мотора в случае низкой температуры воздуха, и падение производительности механизма в момент запуска вентилятора.
Сегодня обдув применяется только на отдельных моделях мотоциклов, лодочных моторов, мотоблоков и др.
Охлаждение жидкостное
Структура жидкостного охлаждения устроена следующим образом:
• рубашка охлаждения;
• вентилятор;
• диффузор;
• насос;
• отопитель салона;
• термостат;
• резиновые патрубки;
• расширительный бачок.
Нагретый антифриз по отводящим патрубкам перемещается в радиаторный отсек двигателя, где производится забор лишней тепловой энергии и затем, уже охлажденная смесь, подается в рубашку блока цилиндров. Кругооборот охладителя осуществляется благодаря присутствию перекачивающего устройства (помпы), а отвод тепла от сердцевины радиатора осуществляется за счет потока воздуха, проходящего через соты устройства. Эффективность отвода тепла контролируется термостатом и реле запуска вентилятора.
Для наполнения систем охлаждения применяют спиртосодержащие низкозамерзающие жидкости – антифризы. Количество заливаемого антифриза зависит от типа транспортного средства и производительности агрегата (2–15 л). Для слива антифриза в корпусе мотора предусмотрены заглушки, расположенные в теле блока цилиндров и нижней секции радиатора.
Радиатор
Присутствие радиатора в подкапотном пространстве сводится к его способности отводить лишнюю тепловую энергию от нагретых элементов двигателя. Оптимальные тепловые режимы для систем охлаждения находятся в границах 85–95°C. Поэтому, одна из главных задач устройства – поддержание расчетных показателей на протяжении всего рабочего цикла независимо от температуры атмосферного воздуха и условий эксплуатации механизма.
Каркас радиаторной секции производят из медного или алюминиевого сплава. Его конструкция комплектуется из следующих элементов:
• верхнего и нижнего бачка;
• сердцевины;
• отводов для соединительных патрубков;
• проушин для крепления корпуса.
Классифицируют радиаторы с учетом строения их средней части, это:
• трубчатая;
• пластинчатая;
• сотовая.
Устройство трубчатых моделей вмещает в себя квадратную или прямоугольную рамку, вверху и внизу которой размещаются емкости для приема нагретого раствора. Средняя секция собрана из вертикально установленных медных или алюминиевых профилей овального или круглого сечения, соединенных между собой горизонтально размещенными пластинами, выполненными из того же материала.
Концы профилей запаяны в верхнюю и нижнюю емкости. Установленные пластины способствуют усилению прочности конструкции, и повышения коэффициента теплоотдачи для протекающей сквозь профили ОЖ.
Средняя секция пластинчатого радиатора монтируется из вертикальных, полых внутри, пластинчатых профилей волнистой формы. Внутренняя часть устройства омывается антифризом, наружная – атмосферным воздухом. Верхние и нижние части плоского каркаса соединяются в единую конструкцию при помощи бачков для приема жидкости.
Сотовые радиаторы представляют собой набор шестигранных профилей с круглым внутренним сечением. Трубки в каркасе расположены горизонтально, навстречу движения автомобиля. Внутренняя круглая часть сердцевины обдувается проходящим атмосферным воздухом, а по каналам, расположенным в стенках профиля поступает нагретый антифриз.
Вверху радиатора находится горловина с заливным отверстием и впускным патрубком. Горловина оснащается крышкой, устройство которой включает в себя паровой и воздушный клапаны, пружину и паровыпускную трубку. При сильном нагреве двигателя антифриз начинает кипеть, напор в шлангах увеличивается, в это время срабатывает паровой дроссель, и выводит излишки пара наружу.
После удаления пара в каналах создается разряжение, способное отрицательно повлиять на состояние резиновых отводов. Для защиты подводящих трубок от повреждения служит воздухоспускной дроссель, который срабатывает в нужный момент, и поступающий внутрь воздух стабилизирует обстановку в магистрали.
Для регулирования объема ОЖ в двигателе предусмотрена расширительная емкость. Корпус бачка изготавливают из полимерных материалов. Вверху резервуара находится заливное отверстие с пробкой, конструкция которой аналогична устройству крышки радиатора.
С радиаторной секцией емкость соединяется посредством резиновой трубки, по которой добавленный антифриз попадает в общую систему. На боковую плоскость резервуара наносятся ограничительные метки (max, min), обозначающие оптимальный объем антифриза.
Помпа для антифриза
Насос, установленный в передней части мотора, предназначен для перекачивания ОЖ от двигателя к радиатору и затем – обратно. Структура насоса содержит в себе корпус, рабочий вал, опирающийся на подшипники и крыльчатку. В верхней части кожуха находится уплотнительное кольцо и приводное колесо, установленное на центральной оси. Кожух перекачивающего устройства выполнен из алюминиево-магниевого сплава, крыльчатка – из полимерного композита.
Запуск механизма производится посредством клинообразного ремня, соединяющим шкив устройства с приводным колесом, расположенным на коленчатом валу. Лопасти помпы захватывают антифриз из нижней емкости радиатора, и перекачивают его к блоку цилиндров, где он нагревается и переходит в верхний резервуар радиаторного отсека, там охлаждается и перетекает обратно.
Вентилятор
Для интенсификации восстановления теплового баланса мотора к радиатору подсоединяют электровентилятор с диффузором. Быстрое вращения лопастей увеличивает объем воздушной массы, проходящей через соты приспособления. Запуск вентилятора происходит при повышении температуры работающего мотора, вследствие этого срабатывает датчик, расположенный в корпусе блока цилиндров, и включает электродвигатель, вращающий лопасти прибора.
Современные модели автомобилей укомплектовываются электровентиляторами, работающими под управлением бортового компьютера. Время пуска электроприбора в этом случае зависит не только от температуры, но и от скорости движения. Если скорость автомобиля ниже 60 км/ч – электродвигатель отключается.
Термостат
Назначение устройства заключается в регулировании термических параметров силового агрегата, и форсирования нагрева мотора в случае запуска его в зимний период. Термостат устанавливается в рубашку охлаждения, перед отрезком, осуществляющим подачу охладителя в верхнюю емкость радиатора.
Устройства регулирования тепловых параметров двигателя изготавливаются двух видов – с жидким и твердым заполнителем. Модели, заполненные жидкостью, включают в себя следующие элементы:
• кожух;
• латунную гофрированную гильзу;
• клапан;
• шток.
Внутри гофры находится жидкое химическое вещество, которое может кипеть при +75°C. При пуске холодного мотора заслонка прибора закрыта, и смесь движется в замкнутом пространстве: помпа – рубашка блока – терморегулятор – помпа. Когда термические параметры ОЖ достигнут верхней границы со значением +75°C, состав в гильзе закипает, гофра разжимается и воздействует на стержень управления дросселем. Заслонка открывает проход, и раствор подается в верхнюю емкость радиатора.
Образец с твердым реагентом представляет собой кожух из алюминиево-магниевого соединения, внутри у него находится медный или латунный баллон, заполненный сухим раствором, состоящим из медной пудры и церезина (разновидность воска). Между емкостью и крышкой располагается резиновая мембрана с управляющим стержнем. Стержень верхним концом соединяется с клапаном. Над крышкой установлена прижимная пружина, фиксирующая тарелку дросселя в закрытом положении.
Разогретая ОЖ, омывающая баллон с реагентом, расплавляет церезин, который расширяясь воздействует на резиновую перепонку. Перепонка, изгибаясь поднимает стержень, и заслонка освобождает выпускное отверстие, что позволяет жидкой смеси перетекать в верхнюю емкость радиатора. С уменьшением температурного показателя до значения +65°C, воск кристаллизуется, дроссель закрывает окошко, и раствор продолжает уже двигаться по малой схеме.
Антифриз для автомобиля
Антифризы – это морозоустойчивые жидкие растворы, предназначенные для регулирования термического состояния двигателя, и сохраняющие свои эксплуатационные характеристики на протяжении всего срока службы. Основным преимуществом охлаждающих жидкостей является их способность в момент кристаллизации превращаться в пластичную массу, которая при расширении не разрушает каналы рубашки охлаждения.
Основой для производства антифризов служат одно- и двухатомные спиртовые соединения:
• этиленгликоль;
• пропиленгликоль;
• соли органических карбоновых кислот.
Для придания перечисленным веществам морозостойкости, их смешивают с дистиллированной водой и модифицирующими присадками. Применение модификаторов обусловлено приданием антифризу специальных свойств с учетом технических требований, предъявляемых к автомобилю в период эксплуатации. Тип добавок и их структурные составляющие определяют сферу использования ОЖ.
В зависимости от материала, на базе которого изготавливались реагенты, они делятся на три вида:
1. Органические.
2. Гибридные.
3. Неорганические.
Охлаждающие смеси на основе неорганических веществ – это составы с пакетом присадок, в которых присутствуют соли силикатных соединений. Примером низкозамерзающих жидкостей этой группы служит – Тосол. Применение «Тосола» допускается только для старых моделей автомобилей, укомплектованных медным радиатором.
Жидкость не рекомендуется применять для моторов, корпус и радиатор которых изготовлен из алюминиевых сплавов. Кроме того, ОЖ с неорганическими присадками быстро теряют свои свойства. Результатом таких изменений могут быть: помутнение раствора, появление осадка, кислотные или щелочные отложения на внутренних поверхностях рубашки охлаждения блока цилиндров.
Хорошей заменой неорганическим смесям служат карбоксилатные антифризы, изготовленные на основе производных органических карбоновых кислот. Отличие таких растворов в том, что они создают защитную пленку не по всей поверхности, а только на участках, где активно коррозионное воздействие. Это свойство жидкостей позволяет сократить расход модификаторов и тем самым увеличить срок использования ОЖ.
Средний вариант между органическими и неорганическими смесями занимают жидкости, изготовленные по гибридной технологии. Набор добавок у таких композитов может включать как соли силикатов, фосфатов, аминов, так и соли органических кислот.
Охлаждающие жидкости производятся в форме готовых к применению растворов, тарой для них служат емкости, изготовленные из химически стойких полимерных материалов. Отдельный вид антифриза составляют концентрированные составы, которые для приведения в рабочее состояние необходимо разбавить дистиллированной водой. Соотношение веществ рассчитывается заводом изготовителем и указывается на тыльной стороне резервуара.
Для удобства применения смесей, отличающихся между собой свойствами, их принято окрашивать в разные цвета. У каждого из производителей ОЖ может быть своя цветовая гамма, поэтому совпадение колера жидкости не может служить показателем совместимости растворов.
