Принцип работы жидкостной системы охлаждения двигателя автомобиля
Здравствуйте, в этой статье мы постараемся ответить на вопрос: «Принцип работы жидкостной системы охлаждения двигателя автомобиля». Если у Вас нет времени на чтение или статья не полностью решает Вашу проблему, можете получить онлайн консультацию квалифицированного юриста в форме ниже.
Система охлаждения двигателя — это комплекс устройств, позволяющих поддерживать оптимальную температуру работающего двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Перегрев способен вывести ДВС из строя, поскольку его компоненты сохраняют заданные характеристики только до определенного температурного порога. Излишки тепла отводятся в атмосферу.
Что такое система охлаждения двигателя
Переохлаждение также вредно для ДВС. В этом случае масло не может эффективно смазывать трущиеся детали, что ведет к их быстрому износу. Кроме того, снижается мощность двигателя и повышается расход топлива. Поэтому в системах охлаждения ДВС имеются устройства, позволяющие ускорить прогрев двигателя при низкой температуре «за бортом».
Какие еще функции может выполнять система охлаждения двигателя?
Конструкция и работа жидкостной системы охлаждения
В двигателях автомобилей применяется закрытая (герметичная) жидкостная система охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Внутренняя полость закрытой системы охлаждения не имеет постоянной связи с окружающей средой, а связь осуществляется через специальные клапаны (при определенном давлении или вакууме), находящиеся в пробках радиатора или расширительного бачка системы. Охлаждающая жидкость в такой системе закипает при 110… 120 °С. Принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивается жидкостным насосом.
Система охлаждения двигателя состоит из рубашки охлаждения головки и блока цилиндров, радиатора, насоса, термостата, вентилятора, расширительного бачка, соединительных трубопроводов и сливных краников. Кроме того, в систему охлаждения входит отопитель салона кузова автомобиля.
Главное среди всех прочих преимуществ воздушного охлаждения двигателя – это простота конструкции. В системе отсутствует помпа, радиатор, термостат, патрубки и хомуты, трубки подвода и оттока антифриза.
Второе важное преимущество – высокая ремонтопригодность. Например, в тракторных силовых агрегатах имеются индивидуальные цилиндры. Если случилась поломка, то при необходимости можно заменить цилиндр или устранить неисправность. В двигателях с жидкостным охлаждением в случае повреждения какого-либо из цилиндров придется менять блок полностью либо выпрессовывать гильзы.
Для примера не стоит далеко ходить. Возьмем двигатель Tatra T815. Это мотор с воздушным охлаждением. Головки блока здесь сделаны раздельными. В случае необходимости ремонта не нужно снимать ГБЦ полностью. Даже очень серьезные работы по ремонту можно производить без демонтажа блока двигателя.
Двигатели, оснащенные воздушным охлаждением, более ресурсные. Если в моторе с жидкостной системой повредятся патрубки или ослабятся хомуты, то агрегат эксплуатировать нельзя, так как охлаждающая жидкость уйдет. Также существует опасность выброса горячей жидкости из системы. Всех этих недостатков лишены воздушные системы.
Процесс сгорания топливной смеси в цилиндрах двигателя сопровождается высвобождением большого количества тепла, которое нагревает двигатель. Если не охлаждать двигатель во время работы, то через несколько минут его температура превысит критическую, и он разрушится. Чтобы этого не произошло, в автомобиле применяется система охлаждения двигателя.
Состав системы охлаждения двигателя:
- охлаждающая жидкость (тосол или антифриз);
- радиатор;
- вентилятор;
- термостат;
- водяной насос (помпа);
- соединительные патрубки;
- расширительный бачок;
- отопитель салона.
Водяной насос (помпа) начинает работать вместе с двигателем. Как только двигатель заработал, вращающиеся лопасти помпы заставляют охлаждающую жидкость циркулировать по малому кругу системы охлаждения (минуя радиатор). Это надо для того, чтобы двигатель как можно быстрее прогрелся и вышел на свою рабочую температуру.
Когда температура охлаждающей жидкости работающего двигателя достигла рабочего значения, открывается термостат и охлаждающая жидкость начинает циркулировать по большому кругу — через радиатор.
Охлаждающая жидкость (тосол, антифриз) подается в радиатор через верхний патрубок, проходит сверху вниз по его сотам, и через нижний патрубок (уже охлажденная жидкость) подается обратно в рубашку двигателя.
Влияние температурных параметров на работу мотора
За один рабочий цикл температура в цилиндрах ДВС изменяется от 80…120 градусов Цельсия во время впуска горючей смеси до 2000…2200 градусов Цельсия в процессе ее сгорания. При этом силовой агрегат достаточно сильно нагревается.
Принято считать, что двигатель нормально функционирует, если интервал изменения температуры в районе блока цилиндров находится в пределах 90 – 110 градусов Цельсия.
Если мотор во время работы охлаждается недостаточно интенсивно, то его детали сильно нагреваются и изменяются в размерах. Значительно уменьшается (из-за выгорания) и объем моторного масла, залитого в картер. В итоге увеличивается трение между взаимодействующими деталями, что приводит к их быстрому износу или даже заклиниванию.
Однако и переохлаждение ДВС отрицательно сказывается на его работе. На стенках цилиндров холодного двигателя происходит конденсация паров топлива, которые, смывая слой смазки, разжижают моторное масло, находящееся в картере.
Для исключения негативных последствий, связанных с нарушением теплового режима, системы охлаждения проектируются так, чтобы исключить перегрев и переохлаждение мотора в процессе эксплуатации.
В результате химические свойства последнего ухудшаются, что способствует:
- увеличенному расходу моторного масла;
- интенсивному износу трущихся поверхностей;
- падению мощности силового агрегата;
- увеличению расхода горючего.
Обороты двигателя автомобиля
Работа жидкостной системы охлаждения
Топливо сгорает внутри цилиндров, которые располагаются в блоке, его стенки образуют, так называемую «рубашку блока». Полость сложной формы между гильзами цилиндров и стенками блока — это зарубашечное пространство. В нем циркулирует охлаждающая жидкость, которая приводится в движение насосом. Это малый круг: насос ОЖ (помпа) — рубашка блока — возвратный патрубок — снова насос.
Пока двигатель холодный, ОЖ перемещается по малому кругу. Тепло отводится в атмосферу через стенки блока, головки блока и другие поверхности. Циркуляция обеспечивает более или менее равномерное соблюдение температурного режима. В целом жидкость нагревается, поскольку не идет в радиатор — ее ток перекрывает клапан термостата. Термостат — это механизм, который расширяясь от тепла, открывает большой круг охлаждения и перекрывает малый. При падении температуры он открывает малый и закрывает большой.
Устройство системы охлаждения двигателя
При рассмотрении устройства системы охлаждения первое, что может броситься в глаза – так это то, что в системе охлаждения двигателя нет бака, где хранится жидкость. Он тут просто не нужен, так как вся жидкость находится в радиаторе или полостях и каналах двигателя. Имеющийся расширительный бачок служит для залива жидкости в систему, а также обеспечения автоматического пополнения жидкости в системе при нарушении ее герметичности.
Типичное устройство системы охлаждения представлено ниже:
Изучение начнем с насоса (помпы). Название у него так и сохранилось с прошлых лет – водяной насос, и представляет собой внутри что-то вроде маленькой мельницы. Как и в системе смазки, он подает под давлением жидкость в каналы ДВС. Конечная цель охлаждающей жидкости – пройти через полости блока цилиндров. Именно в цилиндрах — самая высокая температура, передающаяся остальным деталям и узлам. В результате передачи тепла блок цилиндров охлаждается, а жидкость системы охлаждения двигателя автомобиля нагревается, то есть происходят обыкновенные физические процессы, направленные на уравнивание температуры. Дальше разогретая жидкость проходит через часть остальных узлов двигателя и подается в радиатор.
Радиатор представляет собой объемную решетку, образованную из многочисленных мелких вертикальных каналов с поперечными пластинами. По этим многочисленным каналам жидкость, стекая вниз, охлаждается и отдает все свое тепло в атмосферу. Затем через нижнюю емкость радиатора по патрубкам снова попадает в водяной насос. Эта самая решетка за счет большого числа каналов увеличивает общую площадь охлаждения рабочей жидкости, в результате чего она быстрее остывает. Кроме того, потоки встречного воздуха при движении автомобиля значительно увеличивают этот эффект. Поэтому радиатор всегда расположен, спереди автомобиля. Однако и этого бывает недостаточно, особенно когда автомобиль стоит на месте или сам ДВС предназначен для работы в стационарных условиях или закрытых помещениях. Для этого предусмотрен вентилятор, крепящийся между радиатором и двигателем. Он помогает усиливать циркуляцию воздуха через щели радиатора.
Вот, вроде бы, с устройством системы охлаждения и все. Но есть еще и другая функция, противоречащая названию системы – прогрев двигателя. В условиях низких температур, характерных для зимнего времени и северных районов, запуск и прогрев ДВС сильно затруднен. Топливо плохо распыляется, воздух холодный и влажный, а для масла и охлаждающей жидкости характерна повышенная вязкость. И для того, чтобы обеспечить двигателю автомобиля ( см. устройство двигателя автомобиля ) условия нормальной работы, его не нужно охлаждать, а совсем наоборот – как можно быстрее прогреть. Для этого в системе охлаждения двигателя автомобиля предусмотрен такой элемент как термостат. При запуске холодного двигателя, он не пускает охлаждающую жидкость в радиатор. То есть, она из блока цилиндров напрямую попадает опять в водяной насос. Таким образом, передавая тепло от цилиндров к другим узлам ДВС, она их нагревает. Как только температура двигателя автомобиля достигает 70-80°C, термостат автоматически срабатывает и открывает пропуск охлаждающей жидкости в радиатор, а тот патрубок, что был открыт при разогреве — закрывается.
Аналогично охлаждающей жидкостью происходит прогрев кабины водителя. За счет маленького радиатора и вентилятора в кабине, тепло от жидкости распространяется по салону.
Последний прибор в устройстве системы охлаждения двигателя, играющий тоже немаловажную роль – это датчик температуры, расположенный в кабине. Водитель, имея постоянную информацию о температуре ДВС, может своевременно принять меры по устранению неисправности системы охлаждения, в случае превышения рабочих параметров. Самая частая неисправность системы охлаждения двигателя — это нарушение ее герметичности. Жидкость вытекает, а ее количества не хватает для охлаждения блока цилиндров, в результате чего, температура резко поднимается вверх, что и покажет датчик.
Работа системы охлаждения двигателя
Контроль за работой системы охлаждения осуществляет система, обеспечивающая управление двигателем автомобиля. В автомобилях, выпускаемых сегодня, работа системы охлаждения реализуется на базе математического алгоритма, который учитывает различные параметры работы двигателя и сопряженных систем. На основе полученных данных система управления стремится создать оптимальные условия работы двигателя, для этого включаются или выключаются на определенный временной период из общей схемы элементы системы охлаждения.
Типичная схема работы системы охлаждения представлена ниже:
Поскольку жидкость в системе охлаждения циркулирует в принудительном порядке, то эту функцию принуждения обеспечивает центробежный насос. Именно он прокачивает жидкость через рубашку системы охлаждения. В ходе этого действия происходит охлаждение частей двигателя и нагрев охлаждающей жидкости. В современных двигателях существует два типа движения жидкости:
- Продольное движение (от первого к последнему цилиндру);
- Поперечное движение (от впускного к выпускному коллектору).
Что заливать в систему охлаждения?
В систему нельзя заливать обычную воду (хотя в старых машинах водители могли использовать эту жидкость), так как минералы, входящие в ее состав, при высоких температурах остаются на внутренних поверхностях контура. Если в трубах с большим диаметром это долго не приводит к закупорке протока, то радиатор быстро забьется, из-за чего теплообмен затруднится, а то и вовсе прекратится.
Также вода закипает при температуре в 100 градусов. Помимо этого при отрицательных температурах жидкость начинает кристаллизоваться. В этом состоянии в лучшем случае она закупорит протоки радиатора, но если водитель вовремя не сольет воду перед тем, как оставить машину на стоянке, тонкие трубки теплообменника просто разорвутся от расширения кристаллизующейся воды.
Уход за системой охлаждения
Обычно поломки СО происходят при максимальных нагрузках, а именно во время езды. В дороге некоторые неисправности невозможно устранить. По этой причине не стоит дожидаться, когда нужен будет ремонт машины. Чтобы продлить срок службы всех элементов системы, ее необходимо вовремя обслуживать.
С изобретение двигателей внутреннего сгорания, начали думать как этот двигатель охлаждать. Первым автомобилем, на котором установили радиатор охлаждения является авто Benz Velo. Бенз Вело начали продавать в 1886 году. Далее, Вильгельм Майбах начал усовершенствовать охлаждающее устройство и придумал конструкцию с сотами. Такой радиатор со сотами установили на машину Mercedes 35HP. Со времен первой модели Мерседеса 35НР с охлаждающим радиатором, конструкция радиаторов сильно не менялась, кроме геометрии и некоторых доработок.
За счет эффекта термосифона жидкость охлаждения попадала в радиатор. В термосифоне происходит следующие физические явления: если вода нагревается, значит плотность ее уменьшается. Вода с уменьшенной плотностью поднимается вверх. Нагретая жидкость, которая поднималась вверх, оказывалась в устройстве проходя через верхний патрубок.
Устройство современного радиатора
Радиатор охлаждения ДВС, как правило, имеет два бачка (нижний и верхний), сердцевину, в которой охлаждается жидкость (антифриз или тосол), и несколько дополнительных деталей для крепления. Жидкость от охлаждающей рубашки двигателя поступает в радиатор, где ее температура понижается до требуемого значения, затем антифриз снова передается двигателю. Для изготовления сердцевины и бачков используются легкие металлы: или алюминий, или латунь. Благодаря их высокой теплопроводности они обеспечивают эффективное и быстрое охлаждение антифриза.
Сердцевина радиатора состоит из горизонтально расположенных металлических пластин, соединенных с полыми трубками, идущими вертикально вниз от верхнего бачка к нижнему бачку. Таким образом, при движении через сердцевину жидкость разбивается на несколько потоков, и происходит увеличение площади ее соприкосновения с воздухом атмосферы, ведущее к повышению интенсивности охлаждения.
Патрубки радиатора позволяют соединять бачки с рубашкой охлаждения двигателя. Нижний бачок имеет, как правило, сливной краник, через который можно слить жидкость. Подобным краником снабжена и рубашка двигателя. Антифриз заливается внутрь системы охлаждения через горловину верхнего бачка.
Работа системы охлаждения двигателя
Рассмотрим комбинированный способ, так как он самый популярный из-за своей эффективности. При запуске ДВС включается насос, который перекачивает жидкость через малый контур. После прогрева мотора начинает работать термостат, активируя большой “холодный” контур. Раствор “омывает” узлы двигателя и расширяется из-за нагрева. Доля жидкости попадает в бачок. В результате компенсируется лишний объем жидкости (это не зависит от давления).
Проходя через радиатор системы охлаждения двигателя автомобиля, антифриз теряет температуру, “перетекая” на новый цикл. При недостаточности работы такого алгоритма специальный датчик передает сигнал на управляющий блок, чтобы запустить вентилятор. В случае, когда такая мера не помогает, на “приборке” загорается лампочка перегрева мотора.