Как это работает: система охлаждения ДВС

    Сегодня из нашей постоянной рубрики «

Как это работает

» Вы узнаете устройство и принцип работы системы охлаждения двигателя, для чего нужен термостат и радиатор, а так же почему не получила широкого распространения воздушная система охлаждения.

    Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания осуществляет отвод теплоты  от деталей двигателя и передачу её в окружающую среду. Кроме основной функции система выполняет ряд второстепенных: охлаждение масла в системе смазки; нагрев воздуха в системе отопления и кондиционирования; охлаждение отработавших газов и др.

    При сгорании рабочей смеси, температура в цилиндре может достигать 2500°С, в то время как рабочая температура ДВС составляет 80-90°С. Именно для поддержания оптимального температурного режима существует система охлаждения, которая может быть следующих типов, в зависимости от теплоносителя: жидкостная, воздушная и комбинированная. Следует отметить, что жидкостная система в чистом виде уже практически не используется, так как не способна длительное время поддерживать работу современных двигателей в оптимальном тепловом режиме.

    Комбинированная система охлаждения двигателя:

    В комбинированной системе охлаждения в качестве охлаждающей жидкости часто используется вода, так как имеет высокую удельную теплоемкость, доступность и безвредность для организма. Однако вода имеет ряд существенных недостатков: образование накипи и замерзание при отрицательных температурах. В зимнее время года в систему охлаждения необходимо заливать низкозамерзающие жидкости – антифризы (водные растворы этиленгликоля, смеси воды со спиртом или с глицерином, с добавками углеводородов и др. ).

    Рассматриваемая система охлаждения состоит из: жидкостного насоса, радиатора, термостата, расширительного бачка, рубашки охлаждения цилиндров и головок, вентилятора, датчика температуры и подводящих шлангов.

    Стоит оговорить, что охлаждение двигателя принудительное, а значит в нём поддерживается избыточное давление (до 100 кПа), вследствие чего температура кипения охлаждающей жидкости повышается до 120°С.

    При запуске холодного двигателя происходит его постепенный нагрев. Первое время охлаждающая жидкость, под действием жидкостного насоса, циркулирует по малому кругу, то есть в полостях между стенками цилиндров и стенками двигателя (рубашка охлаждения), не попадая в радиатор.  Это ограничение необходимо для быстрого введения двигателя в эффективный тепловой режим. Когда температура двигателя превышает оптимальные значения, охлаждающая жидкость начинает циркулировать через радиатор, где активно охлаждается (называют большим кругом циркуляции).

    Далее рассмотрим отдельно каждый элемент системы охлаждения двигателя.

ТЕРМОСТАТ.  По своей сути, это маленькое устройство работает как автоматический клапан. Термостат в закрытом состоянии не позволяет охлаждающей жидкости проникнуть в радиатор. Но при температуре среды 85-95°С он открывается и тогда циркуляция жидкости проходит по большому кругу (через радиатор). Причем чем выше температура среды, тем шире термостат открывается, что увеличивает его пропускную способность.

    Устройство и принцип работы:

ЖИДКОСТНОЙ НАСОС. Насос обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости в системе охлаждения двигателя. Чаще всего применяют лопастные насосы центробежного типа.        Вал 6 насоса установлен в крышке 4 с использованием подшипника 5. На конце вала напрессована литая чугунная крыльчатка 1. При вращении вала насоса охлаждающая жидкость через патрубок 7 поступает к центру крыльчатки, захватывается ее лопастями, отбрасывается к корпусу 2 насоса под действием центробежной силы и через окно 3 в корпусе направляется в рубашку охлаждения блока цилиндров двигателя.

    Охлаждающая жидкость «бегая» по трубкам радиатора, охлаждается при движении встречным потоком воздуха.

    ВЕНТИЛЯТОР усиливает поток воздуха через сердцевину радиатора. Ступицу вентилятора крепят на валу жидкостного насоса. Они вместе приводятся во вращение от шкива коленчатого вала ремнями. Вентилятор заключен в установленный на рамке радиатора кожух, что способствует увеличению скорости потока воздуха, проходящего через радиатор. Чаще всего применяют четырех- и шестилопастные вентиляторы.

РАСШИРИТЕЛЬНЫЙ БАЧОК служит для компенсации изменений объема охлаждающей жидкости при колебаниях ее температуры и для контроля количества жидкости в системе охлаждения. Он также содержит некоторый запас охлаждающей жидкости на ее естественную убыль и возможные потери.

    Воздушная система охлаждения:

    В воздушной системе охлаждения отвод теплоты от стенок камер сгорания и цилиндров двигателя осуществляется принудительно потоком воздуха, создаваемым мощным вентилятором. Эта система охлаждения является самой простой, так как не требует сложных деталей и систем управления. 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. Теплоёмкость воздуха мала, что не позволяет равномерно отводить от двигателя большое количество тепла и, соответственно, создавать компактные мощные силовые установки.

Устройство системы охлаждения двигателя

Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального теплового режима двигателя, чтобы он не перегревался и не переохлаждался.

Требования к системе охлаждения:

• автоматическое поддержание оптимального теплового режима в двигателе, независимого от режима работы и внешних условий;
• быстрый прогрев двигателя до рабочей температуры;
• длительное сохранение теплоты после остановки двигателя;
• малые энергетические затраты, связанные с приводом агрегатов системы охлаждения.

Сгорание горючей смеси сопровождается выделением значительного количества теплоты. Если двигатель не охлаждать или охлаждать недостаточно, го его детали могут нагреться до высокой температуры, а это уменьшает их прочность и наполнение цилиндров, ухудшает условия работы смазочной системы вследствие снижения вязкости перегретого масла, ускоряет срабатывание присадок к маслам и увеличивает количество отложений и нагара на деталях.

«Большинство автомобильных двигателей имеют жидкостные системы охлаждения закрытого типа» .

Жидкостная система охлаждения

Жиддкостная система охлаждения более инерционна, двигатель медленно прогревается, но и медленно остывает. Кроме того, большая теплоемкость охлаждающей жидкости обеспечивают интенсивный и равномерный теплоотвод и меньшую температуру деталей.

Теплота, отводимая от двигателей, используется для подогрева впускного трубопровода и улучшения смесеобразования, а также для отопления кабины или салона автомобиля в холодную погоду.

Приборы системы охлаждения:

радиатора 3, вентилятора 1, жидкостного насоса 8, рубашки охлаждения блока цилиндров, рубашки охлаждения головки блока цилиндров, термостата 10, патрубков 6,17 шлангов 9, расширительного бачка, приборов контроля температуры жидкости 13, сливных краников 18, 19.

Работа системы охлаждения

Циркуляцию жидкости в системе охлаждения осуществляют по двум кругам: малому и большому.

По малому кругу жидкость циркулирует при пуске холодною двигателя, обеспечивая его быстрый прогрев в такой последовательности: жидкостной насос — распределительные трубы — рубашка охлаждения блока цилиндров — рубашка охлаждения головки блока цилиндров — верхний патрубок термостата (клапан закрыт) — перепускной шланг приемная полость жидкостного насоса.

По большому кругу жидкость циркулирует при прогретом двигателе: жидкостной насос (как и по малому кругу) — термостат (клапан открыт) — резиновый шланг — патрубок радиатора — верхний бачок радиатора — сердцевина радиатора — нижний бачок радиатора — патрубок — шланги — приемная полость жидкостного насоса.

Переохлаждение двигателя сопровождается ростом механических потерь из-за повышения вязкости масла, ухудшением процессов смесеобразования и сгорания, следствием чего является повышенный расход топлива. Конденсация паров воды в картерной полости холодного двигателя и на стенках цилиндров приводит к коррозии. В отрабатавших газах повышается содержание углеводородов не сгоревшего топлива и высокотоксичных альдегидных соединений.
Принудительный отвод теплоты от деталей двигателя осуществляется с помощью жидкости или воздуха, в связи с чем различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.

Радиатор является теплообменником системы охлаждения, где поступающая из двигателя жидкость передаст теплоту потоку воздуха.

Радиатор состоит из верхнего и нижнего бачков, соединенных между собой трубками, образующими его охлаждающую решетку (сердцевину ра­диатора). Верхний бачок радиатора имеет наливную горловину с пробкой, а нижний — сливной кран. В наливную горловину впаяна пароотводная трубка, соединенная с расширительным бачком. Пароотводная трубка за­глублена в радиатор, где отводимые пары конденсируются. К верхнему и нижнему бачкам припаяны боковые стойки. Стойки и пластина образуют каркас радиатора. Сердцевина радиатора состоит из нескольких рядов тру­бок, впаянных в верхний и нижний бачки. К трубкам крепятся гонкие ох­лаждающие пластины или гофрированные ленты, изготовленные из лату­ки, алюминия или красной меди.

Пробка заливной горловины в закрытых системах жидкостного охлажде­ния имеет два предохранительных клапана с уплотнительными резиновы­ми прокладками и пружинами. Паровой клапан регулируют на избыточное давление (0,145—0,160 МПа), воздушный клапан открывается при падении давленияв системе против атмосферного не более чем на 0,01 МПа.

При нормальном функционировании клапанов система охлаждения только кратковременно может сообщаться с окружающей средой или поло­стью расширительного бачка.

Жалюзи устанавливаются перед радиатором, с их помощью регулирует­ся количество воздуха, проходящего через сердцевину радиатора. Жалюзи изготовляются в виде набора вертикальных иди горизонтальных пластин — створок из оцинкованного железа, которые объединены общей рамкой и снабжены шарнирным устройством, обеспечивающим одновременный или групповой поворот их вокруг своей оси. Жалюзи прикрепляют к каркасу радиатора или к его наружной облицовке. Управление створками осущест­вляется вручную или с помощью устройства с термостатом.

Жидкостной насос создаст в системе охлаждения принудительную цир­куляцию жидкости. Применяют одноступенчатые жидкостные насосы цен­тробежного типа. Привод насоса, как правило, работает от шкива коленча­того вала посредством клиноременной передачи.

Жидкостной насос состоит из корпуса, вала привода с крыльчаткой, ступицы для крепления шкива привода, самоподжимной уплотняющей манжеты, двух латунных обойм, резиновой манжеты» уплотняющей шайбы ипружинного кольца. Вал насоса вращается на двух шарикоподшипниках.

Центробежные насосы одноступенчатого типа, рассчитанные на давле­ние и 0,04 —0,1 МПа, отличаются компактностью и обеспечивают доста­точную подачу жидкости при сравнительно больших зазорах между крыль­чаткой и стенками корпуса.

Вентилятор служит для создания воздушного потока, проходящего че­рез сердцевину радиатора, для охлаждения жидкости, протекающей по трубкам.

Обслуживание системы охлаждения гарантия нормальной работы вашего двигателя.

Все, что вам нужно знать о системах охлаждения

Так много автолюбителей считают свои системы охлаждения чем-то само собой разумеющимся, что может привести к внезапным и катастрофическим последствиям, если ими пренебречь. Так что откиньтесь на спинку кресла и приготовьтесь потенциально спасти свой автомобиль, имея немного знаний!

Напомнить позже

Перегрев; пожалуй, самое страшное происшествие в жизни автомобилиста-любителя. Истории о выходе из строя головных прокладок, облаках пара и неизбежных катастрофических отказах двигателей окружают мир модифицированных автомобилей, в частности, просто потому, что люди не уделяют системе охлаждения столько внимания, сколько следовало бы.

Поскольку основная функция системы охлаждения заключается в отводе тепла, выделяемого в процессе сгорания топлива в вашем двигателе, вы должны сначала понять, сколько тепловой энергии производит ваш автомобиль. Это можно сделать с помощью простого преобразования количества крутящего момента, развиваемого вашим двигателем, и числа оборотов, при которых возникает этот пиковый крутящий момент.

Используя приведенное ниже уравнение, вы сможете рассчитать, сколько энергии (в киловаттах) производит ваш автомобиль:

Далее на повестке дня общая эффективность вашего двигателя. Можно предположить, что термический КПД обычного двигателя внутреннего сгорания составляет около 33%, а это означает, что около 67% производимой энергии должно рассеиваться в окружающую среду, в данном случае за счет звуковой и тепловой энергии. Так что умножьте вашу общую выходную мощность на 0,67 и бум, у вас есть количество потраченной впустую энергии, которую необходимо отвести от вашего двигателя, большую часть ее через систему охлаждения.

Так, например, McLaren F1 производит 410 киловатт на колесах; это означает, что BMW V12 на самом деле произвел в общей сложности около 1230 киловатт, но две трети из них были потрачены впустую из-за присущей ему неэффективности. Простое вычитание показывает, что 820 киловатт необходимо вывести из системы, чтобы избежать перегрева.

Обычно это делается с использованием теплообменников или, говоря автомобильным языком, радиаторов и промежуточных охладителей посредством так называемого теплопереноса.

Теплопередача — это просто перемещение тепловой энергии внутри жидкости, а в случае автомобилей это, как правило, перемещение тепла от жидкости (хладагента) к газу (воздуху) через теплообменник.

Используя следующее уравнение, вы можете взять избыточную энергию и использовать ее для расчета размера теплообменника, который вам нужен с точки зрения площади его поверхности.

Таким образом, чем больше площадь поверхности, тем больше потенциал для передачи тепла. Сами теплообменники спроектированы так, чтобы иметь чрезвычайно большую площадь поверхности, используя обширную комбинацию ребер и труб, которые позволяют свободному потоку воздуха проходить через них и отводить тепло от охлаждающей жидкости, которая циркулирует по всей трансмиссии.

Теплообменники используются почти во всех зонах охлаждения автомобиля, будь то основной радиатор двигателя или промежуточные охладители меньшего размера, используемые для отвода тепла от масла и воды, используемых для охлаждения и смазки вспомогательных компонентов, таких как турбокомпрессоры и нагнетатели. Теперь давайте попробуем убрать использование термина «радиатор» из автомобильного лексикона. Радиатор — это то, что вы используете для обогрева дома, а «теплообменник» — это то, что используется для рассеивания нежелательной тепловой энергии в окружающую среду, чтобы охлаждать жидкость.

Система охлаждения Suzuki, показывающая поток охлаждающей жидкости вокруг блока цилиндров

Охлаждение двигателя и трансмиссии имеет важное значение из-за повреждения, которое может произойти, когда определенные области становятся слишком горячими, особенно прокладки и уплотнения. Достаточно, чтобы одна прокладка вышла из строя, вода попала туда, куда не должна (например, в цилиндр), и вы моментально разобьете свой автомобиль на запчасти. Поэтому, учитывая, что автомобильные компании тратят миллионы на исследования и разработку систем охлаждения своих автомобилей, следует соблюдать меры предосторожности, особенно если вы планируете модифицировать свой автомобиль. Как вы можете видеть из предыдущих уравнений, увеличение мощности означает, что большее количество тепловой энергии необходимо рассеивать в окружающую среду, а это означает, что система охлаждения также должна быть соответствующим образом изменена.

Слишком много домашних механиков полагаются на стандартную систему охлаждения своего автомобиля, что может привести к катастрофе, если двигатель работает на пределе возможностей. Шероховатую поверхность теплообменника можно рассчитать для прогнозируемой выходной мощности, и найти подходящую установку для охлаждения силового агрегата не составит труда. Помните также, что от двигателя с эффективной системой охлаждения можно получить больше мощности, поскольку автомобиль можно настроить на более высокий предел в рамках системы безопасности эффективной системы охлаждения.

Не будь таким парнем

Для улучшения охлаждения можно использовать и другие методы, в том числе использование металлических трубопроводов для транспортировки охлаждающей жидкости вместо стандартных силиконовых трубопроводов, двухходовые теплообменники (которые фактически имеют два радиатора в одном) и использование специализированных хладагенты, которые имеют более высокую удельную теплоемкость, что означает, что они могут поглощать больше тепловой энергии, чем при использовании простой воды.

Есть так много других областей, о которых можно было бы поговорить, таких как вентиляторы, влияющие на поток воздуха и различные конфигурации теплообменников, поэтому их придется подождать до другого раза. А до тех пор держите охлаждающую жидкость на должном уровне, проверяйте, находятся ли ваши теплообменники в хорошем рабочем состоянии, и постоянно держите датчик температуры в поле зрения!

Системы охлаждения двигателя | Horton

Жидкостная система охлаждения двигателя (принудительная циркуляция) является наиболее распространенной для приводов и вентиляторов Horton. Эта система состоит из:

• Радиатора
• Водяной насос
• Термостат
• Привод вентилятора (или муфта вентилятора)
• Вентилятор

Радиатор

Несмотря на то, что существуют разные типы радиаторов, наиболее распространенный тип называется радиатором с решетчатой ​​трубкой. Он состоит из трубок (для переноса жидкости), к которым прикреплены кольца или ребра для рассеивания тепла. Горячая вода по трубкам подается в верхний бак (верх радиатора) с помощью водяного насоса. Более холодная вода направляется из нижнего бака (нижняя часть радиатора) обратно в двигатель, чтобы циркулировать через блок двигателя по небольшим каналам. Жидкость, проходящая через блок двигателя, помогает отводить тепло, в дополнение к дополнительному воздуху, проходящему через него вентилятором и движением.

Водяной насос

Водяной насос обычно устанавливается в передней части двигателя и приводится в действие ремнем. Нижняя часть радиатора (нижний бак) соединена с всасывающей стороной насоса. Шпиндель насоса приводится в движение ремнем, который соединяется со шкивом, установленным на конце коленчатого вала. Назначение насоса состоит в том, чтобы просто извлекать горячую и впрыскивать более холодную жидкость (часто смесь воды и охлаждающей жидкости на спиртовой основе) через радиатор и блок двигателя для достижения охлаждения.

Термостат

Термостат является частью циркуляционной системы. В зависимости от оптимальной температуры двигателя, он будет направлять больше или меньше жидкости (путем открытия и закрытия клапана) от радиатора к блоку цилиндров. Термостат радиатора работает в паре с термостатом привода вентилятора. Термостат привода вентилятора заставляет вентилятор вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от потребности двигателя в охлаждении.

Привод вентилятора (или муфта вентилятора)

В некоторых приложениях и рабочих средах вентилятор радиатора некоторым образом крепится непосредственно к двигателю, часто с помощью шкива и ремня. Таким образом, скорость его вращения определяется числом оборотов двигателя и механической конструкцией шкива/ремня. В более сложных системах охлаждения двигателя вращение вентилятора регулируется приводом вентилятора или муфтой вентилятора, которые включаются или отключаются от системы привода двигателя в зависимости от потребности в охлаждении. Два термина, «муфта вентилятора» и «привод вентилятора», являются взаимозаменяемыми, но обычно муфта вентилятора используется для обозначения конструкции с фрикционным диском, а привод вентилятора обычно используется для обозначения вязкой конструкции. Измерение температуры может осуществляться биметаллической сенсорной системой или электронным управлением.

Муфта вентилятора предназначена для поддержания двигателя в пределах установленных параметров рабочей температуры, обычно определяемых производителем. В то время как привод вентилятора приводится в действие двигателем, он предназначен для «свободного вращения», когда он не задействован, и включается (используя двигатель в качестве первичного двигателя) при повышении температуры двигателя.

Существует три основных типа приводов вентиляторов , каждый из которых имеет преимущества с точки зрения характеристик и цены: двухскоростные, двухскоростные и с переменной скоростью.

Вентиляторы

Вентиляторы различаются по многим параметрам, в том числе по материалу, из которого они сделаны, а также по способу изготовления или сборки. Они также различаются по диаметру, количеству лопастей, длине лопастей, шагу лопастей и типу втулки. Материалы включают нейлон или пластик, металл и гибридные материалы, такие как вентилятор Horton HTEC (термореактивный композит).