Задача системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания заключается в отводе тепла от нагретых деталей двигателя с помощью охлаждающей среды (жидкости, газа или того и другого) для поддержания рабочего диапазона температур двигателя и защиты его от перегрева независимо от условий эксплуатации. Как устроена система охлаждения, типы систем охлаждения и принцип работы подробно описаны в этой статье.
Функции системы охлаждения двигателя автомобиля
Система охлаждения двигателя выполняет и другие задачи, помимо отвода тепла от двигателя:
- Охлаждение смазочных материалов в автоматических трансмиссиях;
- Охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
- Охлаждение воздуха в системе турбонагнетателя;
- Охлаждение системы смазки двигателя;
- Нагрев воздуха в системе отопления и кондиционирования.
Выход из строя или низкая эффективность системы охлаждения приводит к повышенному износу и выходу из строя компонентов двигателя. Рабочая температура современных бензиновых двигателей составляет 100-120°C (или 70-90°C в случае дизельных двигателей), и, учитывая облегченную конструкцию современных двигателей и повышенное соотношение мощности к объему, даже кратковременный перегрев гарантирует немедленный или очень быстрый отказ двигателя. Поэтому правильная работа системы охлаждения в современных легковых автомобилях является гарантией эффективности и срока службы силового агрегата.
Виды систем охлаждения двигателя
Системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания делятся на три основных типа: жидкостные (водяные), воздушные и гибридные (комбинированные — для охлаждения используется и воздух, и жидкость).
Жидкостная система охлаждения
Системы жидкостного охлаждения делятся на несколько типов — закрытые, открытые и с замкнутым контуром. В незамкнутой системе жидкостного охлаждения охлаждающая жидкость (сокращенно СОЖ) подается извне, отводит тепло от своего источника и отводится во внешнюю среду.
Например, для охлаждения режущего инструмента смазочный материал самотеком стекает в масляный картер. В открытых системах жидкостного охлаждения нагревательный элемент находится в объеме теплоносителя, который, в свою очередь, размещен в радиаторе. Открытые системы используются, например, для охлаждения трансформаторов. В автомобилях используются только системы охлаждения с замкнутым контуром, в которых жидкость находится в герметичном контуре.
В дополнение к закрытой жидкостной системе может быть подключена воздушная система для ускорения теплообмена — такая комбинация широко используется в автомобильной промышленности и называется комбинированной (или гибридной) системой охлаждения.
Комбинированная (гибридная) система охлаждения
Жидкость проходит через контур под давлением, нагреваясь в рубашке охлаждения двигателя и остывая в радиаторе. Кроме того, рядом с радиатором установлен вентилятор, который включается, когда температура охлаждающей жидкости поднимается выше заданного значения. Эта система используется в подавляющем большинстве современных автомобилей.
Наиболее распространенной охлаждающей жидкостью, используемой сегодня, является антифриз — специальная жидкость на основе этиленгликоля, которая не замерзает при низких температурах (широко известная как «антифриз»). Ранее они использовали воду.
В Советском Союзе использовался антифриз марки «Тосол», под которой выпускалась линейка технических жидкостей для автомобилей. Охлаждающие жидкости этой марки под названиями Тосол-А и Тосол-АМ были настолько популярны, что слово Тосол стало синонимом антифриза.
Основная схема охлаждения одинакова как для бензиновых, так и для дизельных двигателей. В этой статье мы рассмотрим общую схему, которая применима к обоим типам двигателей. Порядок расположения компонентов может отличаться от автомобиля к автомобилю, но основные компоненты, обеспечивающие нормальную работу системы охлаждения, одинаковы.
Устройство жидкостной системы охлаждения двигателя
Схема системы жидкостного охлаждения
- Радиатор охлаждения
- Охлаждающий вентилятор;
- Водяной насос (помпа);
- Термостат;
- Обогреватель пассажирского салона;
- Обогреватель кабины;
- Расширительный бак.
Радиатор охлаждения (1):
Радиатор охлаждения автомобиля (или воздушный теплообменник) служит для отвода тепла в атмосферу. Он состоит из трубок, по которым течет антифриз, и большого количества ребер (плавников), которые увеличивают площадь поверхности для более быстрой теплопередачи. Радиаторы изготавливаются из материалов, которые легко проводят электричество — меди (трубки) и алюминия (ребра). Радиаторы с медными трубками более долговечны, но для удешевления их часто делают из алюминия, что сказывается на долговечности. Эти теплообменники иногда оснащаются крышкой радиатора (воздушным клапаном), которая выполняет ту же функцию, что и крышка расширительного бачка.
Вентилятор (2):
Вентилятор радиатора — создает сильный поток воздуха, ускоряя охлаждение радиатора (при движении на низкой скорости, в жаркую погоду, в пробках и т.д.) В современных автомобилях вентилятор радиатора приводится в действие электродвигателем и имеет несколько скоростей, которые автоматически выбираются и включаются бортовым компьютером на основании показаний датчика температуры. При включении кондиционера вентилятор радиатора принудительно разгоняется до максимальной скорости и работает непрерывно.
Водяной насос (3):
Водяной насос, или жидкостный насос, или помпа, отвечает за циркуляцию охлаждающей жидкости по системе. Он приводится в движение ременной передачей от вала двигателя (чаще) или электродвигателем (реже). Из-за жестких условий эксплуатации он является расходным компонентом — его заменяют вместе с зубчатыми ремнями и роликами в соответствии с требованиями нормативных документов. Для двигателей с цепной системой ГРМ производители автомобилей рекомендуют заменять насос ремня ГРМ каждые 90 000 км.
Термостат (4):
Термостат в системах охлаждения автомобилей регулирует поток охлаждающей жидкости (малого или большого круга) для ускорения прогрева двигателя и поддержания оптимальной температуры двигателя. Когда двигатель не прогрет до рабочей температуры, термостат закрыт и жидкость движется только по малому кругу (рубашка охлаждения двигателя и радиатор отопления), после прогрева термостат открывается и жидкость движется по большому кругу (через радиатор охлаждения). Термостат состоит из штока, клапана, пружины и цилиндра с термочувствительной жидкостью (термобаллон). Жидкость в колбе расширяется под воздействием температуры и преодолевает сопротивление пружины, тем самым открывая клапан.
Вентилятор отопителя (5):
Вентилятор отопителя — проталкивает грубые очищенные частицы через радиатор отопителя через салонный воздушный фильтр и таким образом отводит от него тепло, которое затем направляется через воздушные каналы в салон. В автомобилях с кондиционером тот же вентилятор дует на испаритель, снимая прохладу. Он состоит из электродвигателя, крыльчатки и корпуса. Чаще всего он расположен в салоне — непосредственно в системе воздуховодов, реже — за крышкой двигателя.
Радиатор отопителя (6):
Радиатор отопителя, или печка, представляет собой обычный теплообменник (конденсатор), который используется для отвода тепла в салон автомобиля. Конструкция, электрическая схема и принцип работы аналогичны основному нагревателю. Основное отличие заключается в том, что радиатор отопления меньше. Теплообменник постоянно нагревается, поскольку он напрямую соединен с системой охлаждения автомобиля. Тепло отводится вентилятором — если вентилятор выключен или заслонка конденсатора (обогрева салона) заблокирована — тепло в салон не поступает.
Расширительный бак (7):
Расширительный бачок предназначен для хранения избытка охлаждающей жидкости (антифриза), который образуется в результате расширения охлаждающей жидкости при нагреве. В автомобилях используются открытые расширительные бачки — крышка, закрывающая их, также является клапаном (в некоторых автомобилях это просто крышка, а клапан находится на радиаторе), который поддерживает давление охлаждающей жидкости. Бачки изготовлены из полупрозрачного пластика (для удобства контроля уровня жидкости) и расположены в верхней части системы охлаждения для предотвращения образования воздушных карманов.
Все компоненты соединены в замкнутый контур с помощью шлангов, кранов и втулок. Датчик температуры охлаждающей жидкости играет важную роль в правильной работе системы охлаждения; обычно их два — один выдает показания на приборную панель, а другой отправляет данные на бортовой компьютер. Например, топливно-воздушная смесь может быть изменена в зависимости от температуры, а вентилятор охлаждения может включаться или выключаться на более высоких (прогревочных) оборотах.
Система охлаждения двигателя часто также включает масляный радиатор (обычно теплообменник масло/жидкость), который охлаждает моторное масло до температуры, близкой к температуре охлаждающей жидкости.
Принцип работы жидкостной (гибридной) системы охлаждения автомобиля
Жидкость закачивается в каналы головки цилиндра и блока (так называемая рубашка охлаждения) с помощью водяного насоса. Жидкость забирает часть тепла от двигателя и охлаждается в радиаторе. Система охлаждения имеет два пути циркуляции охлаждающей жидкости — малый и большой. Термостат регулирует путь — когда он «холодный», охлаждающая жидкость проходит только через рубашку охлаждения (малый круг, иногда включающий радиатор печки), не достигая радиатора, тем самым ускоряя выход двигателя на рабочую температуру.
Схема системы охлаждения двигателя
Когда температура жидкости в системе повышается (что отслеживается температурными датчиками), термостат начинает открывать путь для жидкости к большому колесу, которое задействует все компоненты системы охлаждения, как показано на схеме выше. Чем выше температура жидкости — тем больше открыт термостат. Если после максимального открытия термостата и достижения определенного значения температура продолжает расти — включается вентилятор охлаждения радиатора для ускорения охлаждения жидкости.
Воздушная система охлаждения
V-образный двигатель с воздушным охлаждением
Системы воздушного охлаждения делятся на два типа — с естественным и принудительным охлаждением. Система естественного воздушного охлаждения является самым примитивным вариантом — тепло отводится с помощью ребер на поверхностях цилиндров (как на радиаторах воздушного охлаждения). Однако простота конструкции в сочетании с низкой теплоемкостью воздуха создает ряд ограничений и проблем:
- Неприменимость для компактных и мощных двигателей из-за плохого отвода тепла;
- Неравномерное охлаждение и, следовательно, необходимость решения проблем локального перегрева двигателей внутреннего сгорания, в частности, увеличение площади оребрения в зонах аэродинамической тени, размещение более горячих выпускных клапанов «вперед» воздушного потока;
- Необходимость избегать чрезмерного загрязнения охлаждающих пластин, так как это серьезно снижает эффективность отвода тепла.
Сегодня воздушное охлаждение естественного типа все еще можно встретить на мотоциклах, мопедах и самолетах. Он больше не используется в легковых автомобилях; в мототехнике он был заменен жидкостным охлаждением в связи с увеличением принудительного охлаждения двигателей.
Двигатель Yamaha XVS950A
Система охлаждения с принудительной подачей воздуха используется в стационарных установках и оборудовании, где доступ воздуха к двигателю ограничен из-за капота или других элементов, стоящих на пути воздушного потока. В этом случае обдув двигателя осуществляется с помощью вентилятора. По сравнению с системами охлаждения свободным воздухом, конструкция усложняется за счет использования только вентилятора, но в остальном она проста. Также очевидным преимуществом является отсутствие охлаждающей жидкости и системы ее циркуляции. Недостатками являются большие двигатели, низкая эффективность охлаждения и высокий уровень шума вентилятора. Как и при естественном охлаждении воздуха, существуют проблемы с неравномерным воздушным потоком.
Самым известным автомобилем с принудительной воздушной системой охлаждения является «Запорожец». Такой же тип охлаждения использовался в двигателях автомобилей Volkswagen Kafer, Fiat 500, Citroen 2CV, Tatra 613. Volkswagen Type 2. Система охлаждения принудительным воздухом не используется в современных автомобилях. Но иногда умельцы восстанавливают старые автомобили с двигателями с такой системой охлаждения. Примером может служить восстановленный Porsche 911 с четырехлитровым двигателем воздушного охлаждения (форсированным до 390 л.с. и конструктивно измененным):
Двигатель Porsche 911 с воздушным охлаждением
На этом мы завершаем рассмотрение системы охлаждения двигателя автомобиля. Типичные неисправности и отказы таких систем — тема для отдельной статьи. Если есть какие-либо вопросы — не стесняйтесь спрашивать.
