Система охлаждения

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 c_d, 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.

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.

Принципы построения систем охлаждения

Снижение эффективности работы системы охлаждения приводит к увеличению температуры поршней, уменьшению зазоров между поршнем и цилиндром. Тепловые зазоры уменьшаются до нуля. Поршень задевает за стенки цилиндра, образуются задиры, перегретое масло теряет смазочные свойства и масляная плёнка разрывается. Такой режим работы может привести к заклиниванию двигателя. Перегрев сопровождается неравномерным расширением головки блока, болтов крепления, блока двигателя и пр. В дальнейшем разрушение двигателя неизбежно: трещины в головке блока, деформация плоскостей стыка головки и самого блока цилиндров, образуются трещины сёдел клапанов и т.п. — неприятно даже перечислял, всё это, поэтому лучше до этого не доводить!

Система охлаждения двигателя и масла призвана не допустить подобного развития событий, но для того, чтобы система справилась с поставленными задачами, необходимо использовать качественную охлаждающую жидкость (ОЖ). Низкозамерзающие ОЖ называют антифризами — от английского слова «antifreeze». Ранее ОЖ приготовляли на основе водных растворов одноатомных спиртов, гликолей, глицерина и неорганических солей. В настоящее время предпочтение отдано моноэтиленгликолю — бесцветной сиропообразной жидкости с плотностью примерно 1,112 г\см2 и температурой кипения 198 гр. Задача ОЖ не только охлаждать двигатель, но и не кипеть во всём диапазоне температур работы двигателя и его компонентов, иметь высокую теплоёмкость и теплопроводность, не пениться, не оказывать вредного воздействия на патрубки и уплотнения, обладать смазывающими и антикоррозийными свойствами.

В 70 х годах выпускался антифриз на основе водного раствора моноэтиленгликоля с температурой начала кристаллизации — 40 гр. Он не требовал разбавление водой при добавлении в систему охлаждения. Этот препарат получил название ТОСОЛ — по названию лаборатории «Технология Органического Синтеза». Т.к. название не запатентовано, то ТОСОЛом называют готовый к применению продукт, а «антифризом» — концентрированный раствор (хотя ТОСОЛ тоже антифриз).

Готовые антифризы окрашивают для безопасности и выбирают броские цвета: синий, зелёный, красный. В процессе эксплуатации антифриз теряет полезные свойства — снижаются антикоррозийные свойства, возрастает склонность к пенообразованию. Срок службы отечественных ОЖ от 2 до 5 лет, импортных 5-7 лет.

На рисунке, приведённом ниже, изображена схема системы охлаждения автомобиля. Ничего особенного или сложного в системе охлаждения нет и тем не менее…

При пуске двигателя начинает вращаться помпа (водяной насос). Привод помпы может иметь свой шкивок, приводимый во вращение ремнем вспомогательного оборудования или приводиться вращением ремня ГРМ. В системе охлаждения находится крыльчатка, которая вращаясь, приводит в движение охлаждающую жидкость. Для быстрого прогрева двигателя система «закорочена», т.е. термостат закрыт и не пропускает жидкость в радиатор охлаждения. По мере роста температуры охлаждающей жидкости открывается термостат, переводя систему в другое состояние, когда охлаждающая жидкость проходит по длинному пути — через радиатор системы охлаждения (короткий путь перекрыт термостатом). Термостаты имеют различные характеристики открытия. Обычно на кромке нанесена температура открытия. Наверное не стоит объяснять устройство радиатора. В нижней части радиатора установлен датчик включения вентилятора. Если температура охлаждающей жидкости достигнет определённой величины — датчик замкнётся, а т.к. электрически он соединён на разрыв цепи питания электровентилятора, то при замыкании — должен включиться вентилятор системы охлаждения. По мере остывания охлаждающей жидкости — вентилятор выключается, а термостат перекрывает длинный путь на короткий. Всё просто, но не очень…

Такая схема является основой, но жизнь не стоит на месте и различные производители усовершенствуют системы охлаждения. На некоторых автомобилях Вы не найдёте датчика включения вентилятора системы охлаждения, т.к. вентилятор включается от ЭБУ двигателем в зависимости от показаний датчика температуры охлаждающей жидкости

Стоит обратить внимание на ситуацию, при которой при вклинении зажигания — сразу включается вентилятор системы охлаждения. Или неисправен датчик температуры, или повреждены его цепи, или неисправен сам ЭБУ двигателем — он «не видит» температуру двигателя и на всякий случай включает сразу вентилятор

На некоторых а\м на пути к отопителю установлены специальные электроклапана, разрешающие или перекрывающие путь охлаждающей жидкости (БМВ, МЕРСЕДЕС). Такие клапана иногда «помогают» системе охлаждения выйти из строя.

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.

Как ремонтировать автомобиль

Система охлаждения выполняет важные функции, именно отводит лишнее тепло от двигателя. Для отвода тепла применяют принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости по системе. Охлаждающая жидкость двигателя имеет свой рабочий ресурс и подлежит замене через определенное количество километров пробега или времени. После истечения срока годности охлаждающая жидкость теряет свои свойства, что отображается на общей работе двигателя. Сроки эксплуатации охлаждающей жидкости, как правило, обозначаются на этикетке упаковки.

Как охлаждающая жидкость выполняет свои функции?

Для выполнения требуемых от охлаждающей жидкости функций в нее добавляют ряд химических присадок, каждая из которых имеет свою задачу. В процессе эксплуатации на охлаждающую жидкость оказывают влияниеи тепло, и частички металла, что приводит к потере важных свойств ОЖ. Такое воздействие делает ОЖ не пригодной к эксплуатации. Поэтому такая охлаждающая жидкость подлежит замене.

Что будет если не менять охлаждающую жидкость?

Лучше всего выполнять сроки замены охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя. И опытные мастера советуют не затягивать с заменой охлаждающей жидкости. Не надо ждать пока на стенках расширительного бачка появится бурый налет, который свидетельствует о наличие продукта распада присадок ОЖ.

Если не менять охлаждающую жидкость во время, это приведет к повышенному износу деталей двигателя, точечному или местному перегреву деталей, быстрому износу деталей системы охлаждения.

С чего начать замену охлаждающей жидкости?

Первым делом найдите руководство по технической эксплуатации автомобиля и выберете требуемую охлаждающую жидкость, которую рекомендует завод изготовитель.

Если вы не найдете такую информацию, следует проконсультироваться с специалистом или выбирать ОЖ на основе безобидных карбоксилатых присадок (не так агрессивны к двигателю).

В продаже вы найдете разбавленную охлаждающую жидкость или концентрат. Если вы берете концентрат, следует запастись дистиллированной водой.

Работа по замене охлаждающей жидкости.

Приступим к работе по замене охлаждающей жидкости:

Слейте старую охлаждающую жидкость. Перед сливом охлаждающей жидкости необходимо все подготовить для работ по сливу ОЖ (старый тазик, или разрешжьте канистру на две части).
Подставляем емкость под сливное отверстие и откручиваем сливную пробку (если вы сливаете масло с горячего двигателя, остерегайтесь ожогов).
После того, как слили старую охлаждающую жидкость необходимо закрутить сливную пробку на прежнее место (краник радиатора) в зависимости, что вы снимали.
Если система охлаждения сильно загрязнена, следует промыть систему охлаждения специальной промывкой двигателя (может случиться так, что в радиаторе есть микротрещины, которые были забиты грязью, при ее промывке появится течь). Поэтому перед тем, как делать промывку, правильно оцените техническое состояние системы охлаждения.
Открутить пробки для выхода воздуха из системы, и заливаем охлаждающую жидкость до тех пор, пока из отверстий пробок не потечет жидкость, затем сразу заворачиваем пробки (такие действия помогут вам, избежать наличия воздушных пробок в системе). Воздушные пробки в системе охлаждения можно определить по выходу холодного воздуха из печки.
Одним из способов избавления от воздушной пробки в системе охлаждения считается поддержание высоких оборотов двигателя 2000-2500, что обеспечит возрастание циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения.
Если вы решили сделать промывку системы охлаждения, то после заливки дистиллированной воды закручиваем пробку расширительного бачка и заводим двигатель, ждем, чтобы двигатель прогрелся.
Когда двигатель прогреется, и сработают вентиляторы, ждем их отключения и глушим двигатель.
Подождать пока ОЖ остынет до безопасной температуры. Сливаем ОЖ.
Заливаем свежую ОЖ (антифриз).
Сделайте себе пометку, когда вы поменяли ОЖ.

Схема системы охлаждения двигателя

В начале стоит отметить, что конструкция системы охлаждения бензинового двигателя подобна системе охлаждения дизельного двигателя. Общее устройство системы таково: радиатор охлаждающей системы, масляный радиатор, отопительный теплообменник, расширительный бачок, термостат, центробежный насос, вентилятор радиатора, патрубки, управляющие элементы, «охлаждающая рубашка» двигателя.

1 – расширительный бачок; 2 – радиатор системы рециркуляции отработанных газов; 3 – теплообменник отопителя; 4 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 5 – насос охлаждающей жидкости; 6 – датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе радиатора; 7 – термостат; 8 – масляный радиатор; 9 – дополнительный насос охлаждающей жидкости; 10 – радиатор системы охлаждения.

Радиатор необходим для охлаждения потоком воздуха жидкости, которая нагрелась в процессе работы двигателя. Радиатор имеет специальное устройство трубчатого типа для того, чтобы увеличить теплоотдачу. Вместе с основным радиатором система охлаждения может иметь в своем составе масляный радиатор, а также радиатор, который рециркулирует отработанные газы.

Масляный радиатор необходим для охлаждения масла. Радиатор рециркуляции газов охлаждает собственно сами газы, тем самым достигается понижение температуры. Работу этого радиатора обеспечивает насос циркуляции. Кроме того, радиатор – это обязательный элемент в таком деле, как промывка системы охлаждения двигателя.

Противоположную радиатору функцию выполняет теплообменник отопителя. Воздух нагревается, проходя через теплообменник. Для большего эффекта он устанавливается рядом с выходом охлаждающей жидкости.

Расширительный бачок

Расширительный бачок устанавливается для компенсации изменения уровня охлаждающей жидкости. Кроме того, заполнение охлаждающей системы жидкостью осуществляется через бачок.

Центробежный насос

Центробежный насос обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости. Он может иметь несколько вариантов приводов: ременной, шестеренный и другие. На двигателях, имеющих турбонаддув, устанавливается ещё один насос циркуляции. Кроме того, на них может использоваться двухконтурная система охлаждения двигателя.

Термостат

Термостат регулирует количество жидкости для охлаждения, которая проходит через радиатор. То есть он обеспечивает оптимальную температуру в охлаждающей системе. Находится он в патрубке, который в свою очередь расположен между «рубашкой охлаждения» и радиатором. Мощные двигатели внутреннего сгорания оборудуются термостатом с электрическим подогревом, обеспечивающим регулирование температуры в два этапа.

Вентилятор системы охлаждения двигателя

Вентилятор системы охлаждения двигателя служит ещё одним способом, для увеличения уровня охлаждения. Он может иметь три вида приводов: гидравлический, электрический и механический. Наиболее распространен электропривод, он обеспечивает больше возможностей для регулировки.

Типовые элементы управления системы охлаждения

Температурный датчик охлаждающей жидкости считывает данные о температуре. Также для улучшения работы системы охлаждения двигателя на выходе радиатора имеется ещё один датчик температуры жидкости для охлаждения.

Кроме того, существует датчик, который сигнализирует о том, что необходима промывка системы охлаждения двигателя. Данные, считанные датчиками, передаются на электронный блок управления, который преобразует их в действия, которые в свою очередь управляют исполнительными устройствами.

Кроме всего вышеописанного, для более эффективной работы системы охлаждения могут использоваться следующие устройства: реле дополнительного насоса жидкости для охлаждения, нагреватель термостата, блок управления вентилятором системы.