Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя

Система охлаждения — это совокупность устройств, обеспечивающих принудительный отвод теплоты от нагревающихся деталей двигателя.

Потребность в системах охлаждения для современных двигателей вызвана тем, что естественное рассеивание теплоты наружными поверхностями двигателя и теплоотвод в циркулирующее моторное масло не обеспечивают оптимального температурного режима работы двигателя и некоторых его систем. Перегрев двигателя связан с ухудшением процесса наполнения цилиндров свежим зарядом, пригоранием масла, увеличением потерь на трение и даже заклиниванием поршня. На бензиновых двигателях возникает также опасность калильного зажигания (не от искры свечи, а вследствие высокой температуры камеры сгорания).

Система охлаждения должна обеспечивать автоматическое поддержание оптимального теплового режима двигателя на всех скоростных и нагрузочных режимах его работы при температуре окружающего воздуха -45…+45 °С, быстрый прогрев двигателя до рабочей температуры, минимальный расход мощности на приведение в действие агрегатов системы, малую массу и небольшие габаритные размеры, эксплуатационную надежность, определяемую сроком службы, простотой и удобством обслуживания и ремонта.

На современных колесных и гусеничных машинах применяются воздушная и жидкостная системы охлаждения.

При использовании воздушной системы охлаждения (рис. а) теплота от головки и блока цилиндров передается непосредственно обдувающему их воздуху. Через воздушную рубашку, образов ванную кожухом 3, охлаждающий воздух прогоняется с помощью вентилятора 2, приводимого в действие от коленчатого вала с использованием ременной передачи. Для улучшения теплоотвода цилиндры 5 и их головки снабжены ребрами 4. Интенсивность охлаждения регулируется специальными воздушными заслонками 6, управляемыми автоматически с помощью воздушных термостатов.

Большинство современных двигателей имеет жидкостную систему охлаждения (рис. б). В систему входят рубашки охлаждения 11 и 13 соответственно головки и блока цилиндров, радиатор 18, верхний 8 и нижний 16 соединительные патрубки со шлангами 7 и 15, жидкостный насос 14, распределительная труба 72, термостат 9, расширительный (компенсационный) бачок 10 и вентилятор 77. В рубашке охлаждения, радиаторе и патрубках находится охлаждающая жидкость (вода или антифриз — незамерзающая жидкость).

Рис. Схемы воздушной (а) и жидкостной (б) систем охлаждения двигателя:
1 — ременная передача; 2, 17 — вентиляторы; 3 — кожух; 4 — ребра цилиндра; 5 — цилиндр; 6 — воздушная заслонка; 7, 15 — шланги; 8, 16 — верхний и нижний соединительные патрубки; 9 — термостат; 10 — расширительный бачок; 77, — рубашки охлаждения головки и блока цилиндров; 12 — распределительная труба; 14 — жидкостный насос; 18 — радиатор

При работе двигателя приводимый в действие от коленчатого вала жидкостный насос создает в системе циркуляцию охлаждающей жидкости. По распределительной трубе 12 жидкость направляется сначала к наиболее нагретым деталям (цилиндры, головка блока), охлаждает их и по патрубку 8 поступает в радиатор 18. В радиаторе поток жидкости разветвляется по трубкам на тонкие струйки и охлаждается воздухом, продуваемым через радиатор. Охлажденная жидкость из нижнего бачка радиатора по патрубку 16 и шлангу 15 снова поступает в жидкостный насос. Поток воздуха через радиатор обычно создает вентилятор 77, приводимый в действие от коленчатого вала или специального электродвигателя. На некоторых гусеничных машинах для ,обеспечения потока воздуха применяется эжекционное устройство. Принцип действия этого устройства заключается в использовании энергии отработавших газов, вытекающих с большой скоростью из выпускной трубы и увлекающих за собой воздух.

Регулирует циркуляцию жидкости в радиаторе, поддерживая оптимальную температуру двигателя, термостат 9. Чем выше температура жидкости в рубашке, тем значительнее открыт клапан термостата и больше жидкости поступает в радиатор. При низкой температуре двигателя (например, непосредственно после его пуска) клапан термостата закрыт, и жидкость направляется не в радиатор (по большому кругу циркуляции), а сразу в приемную полость насоса (по малому кругу). Этим достигается быстрый прогрев двигателя после пуска. Интенсивность охлаждения регулируется также с помощью жалюзи, установленных на входе воздушного тракта или выходе из него. Чем больше степень закрытия жалюзи, тем меньше воздуха проходит через радиатор и хуже охлаждение жидкости.

В расширительном бачке 10, расположенном выше радиатора, имеется запас жидкости для компенсации ее убыли в контуре из-за испарения и утечек. В верхнюю полость расширительного бачка часто отводят образовавшийся в системе пар из верхнего коллектора радиатора и рубашки охлаждения.

Жидкостное охлаждение по сравнению с воздушным имеет следующие преимущества: более легкий пуск двигателя в условиях низкой температуры окружающего воздуха, более равномерное охлаждение двигателя, возможность применения блочных конструкций цилиндров, упрощение компоновки и возможность

изоляции воздушного тракта, меньший шум от двигателя и более низкие механические напряжения в его деталях. Вместе с тем жидкостная система охлаждения, имеет ряд недостатков, таких, как более сложная конструкция двигателя и системы, потребность в охлаждающей жидкости и более частой смене масла, опасность подтекания и замерзания жидкости, повышенный коррозионный износ, значительный расход топлива, более сложное обслуживание и ремонт, а также (в ряде случаев) повышенная чувствительность к изменению температуры окружающего воздуха.

Жидкостный насос 14 (см. рис. б) обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости в системе. Обычно применяются центробежные крыльчатые насосы, но иногда используются шестеренные и поршневые насосы. Термостат 9 может быть одно- и двухклапанным с жидкостным термосиловым элементом или элементом, содержащим твердый наполнитель (церезин). В любом случае материал для термосилового элемента должен иметь очень большой коэффициент объемного расширения, чтобы при нагреве стержень клапана термостата мог перемещаться на довольно большое расстояние.

Практически, все двигатели наземных ТС с жидкостным охлаждением снабжены так называемыми закрытыми системами охлаждения, которые не имеют постоянной связи с атмосферой. При этом в системе образуется избыточное давление, что приводит к повышению температуры кипения жидкости (до 105… 110°С), увеличению эффективности охлаждения и уменьшению потерь, а также снижению вероятности появления в потоке жидкости пузырьков воздуха и пара.

Поддержание необходимого избыточного давления в системе и обеспечение доступа в нее атмосферного воздуха при разрежении осуществляется с помощью двойного паровоздушного клапана, который устанавливается в самой высокой точке жидкостной системы (обычно в крышке наливной горловины расширительного бачка или радиатора). Паровой клапан открывается, позволяя избытку пара уйти в атмосферу, если давление в системе превышает атмосферное на 20… 60 кПа. Воздушный клапан открывается, когда давление в системе снижается на 1… 4 кПа по сравнению с атмосферным (после остановки двигателя охлаждающая жидкость остывает, и ее объем уменьшается). Перепады давления, при которых открываются клапаны, обеспечиваются подбором параметров клапанных пружин.

В жидкостной вентиляционной системе охлаждения радиатор омывается потоком воздуха, создаваемым вентилятором. В зависимости от взаимного расположения радиатора и вентилятора могут применяться следующие типы вентиляторов: осевые, центробежные и комбинированные, создающие как осевой, так и радиальный потоки воздуха. Осевые вентиляторы устанавливают перед радиатором или за ним в специальном воздухоподводящем канале. К центробежному вентилятору воздух подводится по оси его вращения, а отводится — по радиусу (или наоборот). При нахождении радиатора перед вентилятором (в области всасывания) поток воздуха в радиаторе более равномерный, а температура воздуха не повышена из-за его перемешивания вентилятором. При нахождении радиатора за вентилятором (в области нагнетания) поток воздуха в радиаторе турбулентный, что повышает интенсивность охлаждения.

На тяжелых колесных и гусеничных ТС приведение вентилятора в действие обычно осуществляется от коленчатого вала двигателя. Могут использоваться карданные, ременные и зубчатые (цилиндрические и конические) передачи. В целях снижения динамических нагрузок на вентилятор в его приводе от коленчатого вала часто применяются разгружающие и демпфирующие устройства в виде торсионных валиков, резиновых, фрикционных и вязкостных муфт, а также гидромуфт. Для привода вентилятора относительно маломощных двигателей широко используются специальные электродвигатели, питание которых осуществляется от бортовой электросистемы. Это, как правило, уменьшает массу силовой установки и упрощает ее компоновку. Кроме того, применение электродвигателя для привода вентилятора позволяет регулировать частоту его вращения, а следовательно, и интенсивность охлаждения. При низкой температуре охлаждающей жидкости возможно автоматическое отключение вентилятора.

Радиаторы связывают друг с другом воздушный и жидкостный тракты системы охлаждения. Назначение радиаторов — передача теплоты от охлаждающей жидкости атмосферному воздуху. Основные части радиатора — входной и выходной коллекторы, а также сердцевина (охлаждающая решетка). Сердцевина изготавливается из меди, латуни или алюминиевых сплавов. По типу сердцевины различают следующие виды радиаторов: трубчатые, трубчато-пластинчатые, трубчато-ленточные, пластинчатые и сотовые.

В системах охлаждения колесных и гусеничных машин наибольшее распространение получили трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные радиаторы. Они жестки, прочны, технологичны в производстве и обладают высокой тепловой эффективностью. Трубки таких радиаторов имеют, как правило, плоскоовальное сечение. Трубчато-пластинчатые радиаторы могут также состоять из трубок круглого или овального сечения. Иногда трубки плоскоовального сечения располагают под углом 10… 15° к воздушному потоку, что способствует турбулизации (завихрению) воздуха и повышает теплоотдачу радиатора. Пластины (ленты) могут быть гладкими или гофрированными, с пирамидальными выступами или отогнутыми просечками. Гофрирование пластин, нанесение просечек и выступов увеличивают охлаждающую поверхность и обеспечивают турбулентное течение потока воздуха между трубками.

Рис. Решетки трубчато-пластинчатого (а) и трубчато-ленточного (б) радиаторов

Система охлаждения ДВС: как устроена и надо ли промывать ее зимой?

Выясняем, какие могут быть характерные неисправности у системы охлаждения двигателя и как их избежать.

Воздушка или водянка

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания предназначена для отвода излишнего тепла от деталей и узлов двигателя. На самом деле эта система вредна для вашего кармана. Приблизительно треть теплоты, полученной от сгорания драгоценного топлива, приходится рассеивать в окружающей среде. Но таково устройство современного ДВС. Идеальным был бы двигатель, который может работать без отвода теплоты в окружающую среду, а всю ее превращать в полезную работу. Но материалы, используемые в современном двигателестроении, таких температур не выдержат. Поэтому по крайней мере две основные, базовые детали двигателя — блок цилиндров и головку блока — приходится дополнительно охлаждать. На заре автомобилестроения появились и долго конкурировали две системы охлаждения: жидкостная и воздушная. Но воздушная система охлаждения постепенно сдавала свои позиции и сейчас применяется, в основном, на очень небольших двигателях мототранспорта и генераторных установках малой мощности. Поэтому рассмотрим подробнее систему жидкостного охлаждения.

Устройство системы охлаждения

Система охлаждения современного автомобильного двигателя включает в себя рубашку охлаждения двигателя, насос охлаждающей жидкости, термостат, соединительные шланги и радиатор с вентилятором. К системе охлаждения подсоединен теплообменник отопителя. У некоторых двигателей охлаждающая жидкость используется еще и для обогрева дроссельного узла. Также у моторов с системой наддува встречается подача охлаждающей жидкости в жидкостно-воздушные интеркулеры или в сам турбокомпрессор для снижения его температуры.

Работает система охлаждения довольно просто. После запуска холодного двигателя охлаждающая жидкость начинает с помощью насоса циркулировать по малому кругу. Она проходит по рубашке охлаждения блока и головки цилиндров двигателя и возвращается в насос через байпасные (обходные) патрубки. Параллельно (на подавляющем большинстве современных автомобилей) жидкость постоянно циркулирует через теплообменник отопителя. Как только температура достигнет заданной величины, обычно около 80–90 ˚С, начинает открываться термостат. Его основной клапан направляет поток в радиатор, где жидкость охлаждается встречным потоком воздуха. Если обдува воздухом недостаточно, то вступает в работу вентилятор системы охлаждения, в большинстве случаев имеющий электропривод. Движение жидкости во всех остальных узлах системы охлаждения продолжается. Зачастую исключением является байпасный канал, но он закрывается не на всех автомобилях.

Схемы систем охлаждения в последние годы стали очень похожи одна на другую. Но осталось два принципиальных различия. Первое — это расположение термостата до и после радиатора (по ходу движения жидкости). Второе различие — это использование циркуляционного расширительного бачка под давлением, либо бачка без давления, являющегося простым резервным объемом.

На примере трех схем систем охлаждения покажем разницу между этими вариантами.

Компоненты

Рубашка головки и блока цилиндров представляют собой каналы, отлитые в алюминиевом или чугунном изделии. Каналы герметичны, а стык блока и головки цилиндров уплотнен прокладкой.

Насос охлаждающей жидкости лопастной, центробежного типа. Приводится во вращение либо ремнем ГРМ, либо ремнем привода вспомогательных агрегатов.

Термостат представляет собой автоматический клапан, срабатывающий при достижении определенной температуры. Он открывается, и часть горячей жидкости сбрасывается в радиатор, где и остывает. В последнее время стали применять электронное управление этим простым устройством. Охлаждающую жидкость начали подогревать специальным ТЭНом для более раннего открытия термостата в случае потребности.

Радиатор представляет собой теплообменник, содержащий два бачка (входной и выходной), соединенных множеством алюминиевых трубок, по которым проходит охлаждающая жидкость. Для увеличения теплообмена к трубкам присоединены тонкие пластины, во много раз увеличивающие поверхность теплообмена. Для улучшения теплоотвода воздух протягивается через радиатор принудительно с помощью электровентилятора.

Радиатор отопителя выполняет функцию нагревания воздуха, поступающего в салон автомобиля. Краны отопителя сейчас не устанавливают, а потому радиатор этот нагрет всегда, когда прогрет двигатель, и только воздушные заслонки не дают летом поступать горячему воздуху в салон автомобиля.

Расширительный бачок это хранилище резерва жидкости. Но в зависимости от типа системы охлаждения (см. выше) он может быть циркуляционным или тупиковым. Соответственно, находиться под давлением или без него.

Пробка, обеспечивающая герметичность системы, может быть установлена либо прямо на радиаторе, либо на расширительном бачке. Вне зависимости от места установки пробка обеспечивает повышенное давление в системе охлаждения. Такое давление (достигающее 1,1–1,3 бара) повышает температуру кипения жидкости, улучшает теплопередачу, предотвращает кавитацию насоса.

И главный компонент системы — это сама рабочая жидкость. Идеальной с точки зрения теплотехники была бы вода, но она вызывает коррозию и замерзает зимой. Поэтому применяют антифризы с низкой температурой замерзания (-40°C или — 65°C) и присадками, снижающими коррозию, пенообразование и т.д.

Неисправности системы охлаждения

Все, что может потечь, рано или поздно потечет. Это не только одна из интерпретаций закона Мерфи, но и четкое описание главной неисправности системы охлаждения. Система, включающая в себя порой более 10 резиновых шлангов, постепенно старея, начинает терять герметичность. Текут сами шланги, пропуская жидкость через нитяное армирование, текут хомутовые соединения. Со временем под воздействием противогололедных реагентов и летящих с дороги камней теряет герметичность радиатор. Особенно он страдает на автомобилях без кондиционера, где его не прикрывает теплообменник этой системы. Также радиатор принимает на себя все «удары судьбы» даже при небольших авариях. Течь теплообменника отопителя, хотя он и стоит в более «защищенном» от внешнего воздействия месте, также встречается нередко. Тот же антифриз, просочившийся сквозь сальниковое уплотнение насоса, выводит из строя подшипник, и — «Здравствуй, замена помпы». И хорошо, если вовремя уследите за признаками выхода из строя насоса, а то его поломка приведет или к обрыву ремня ГРМ и аварии двигателя, или к невозможности двигаться дальше на автомобилях, где установлен цепной привод газораспределительного механизма.

Термостат, этот маленький точный приборчик, тоже может начать хандрить. Его клапан может зависнуть или в закрытом, или в открытом состоянии. В первом случае неминуем перегрев двигателя даже в холодную погоду, а во втором двигатель не будет прогреваться до рабочей температуры. Повышенные износ мотора и расход топлива, негреющая печка — вот что гарантирует нам постоянно открытый термостат. Еще остается расширительный бачок. Течь его встречается только в схеме системы охлаждения, где он находится под рабочим давлением.

И последний узел, который может терять герметичность, — это пробка радиатора или расширительного бачка. И хотя жидкость через нее сразу не потечет, но это произойдет после первого же закипания двигателя. А закипит он быстро. Помните назначение пробки? Правильно: обеспечивать повышение температуры кипения жидкости. Ни один современный мотор не может работать без герметичной пробки, кроме случаев очень низкой температуры окружающей среды и небольшой нагрузки на двигатель.

Интересный тест на знание причин перегрева можно пройти здесь

Замена жидкости и промывка

Если не пришлось заменять какой-либо узел в системе охлаждения раньше, то инструкции рекомендуют менять антифриз не реже чем в 5–10 лет. Если вам не приходилось доливать в систему воду из канистры, а еще хуже — из придорожной канавы, то при замене жидкости систему можно не промывать.

А вот если автомобиль многое повидал на своем веку, то при замене жидкости полезно произвести промывку системы охлаждения. Разомкнув в нескольких местах систему можно струей воды из шланга тщательно ее прополоскать. Либо просто слить старую жидкость и залить чистую, кипяченую воду. Запустить двигатель и прогреть до рабочей температуры. Выждав, пока система остынет, чтобы не обжечься, слить воду. Затем продуть воздухом систему и залить свежий антифриз.

Промывку системы охлаждения обычно затевают в двух случаях: когда перегревается двигатель (проявляется это прежде всего в летний период) и когда перестает греть печка зимой. В первом случае причина кроется в заросших грязью снаружи и засоренных изнутри трубках радиатора. Во втором — проблема в том, что забились отложениями трубки радиатора отопителя. Поэтому при плановой смене жидкости и при замене компонентов системы охлаждения не упускайте возможности хорошенько промыть все узлы.

Расскажите, с какими неисправностями системы охлаждения сталкивались вы. И желаю вам жаркого отопителя зимой и хорошего охлаждения летом.

Просто о сложном: система охлаждения двигателя. Как это работает

Перегрев чего бы то ни было опасен. Это очевидный постулат. Двигатель автомобиля не является исключением, а вот причины и следствия этого явления знают далеко не все. Сегодня предлагаю подробно разобрать вопрос о перегреве ДВС и наиболее частые причины этого явления.

Для начала чуть-чуть теории.

В процессе работы двигатель любого автомобиля нагревается, и контролировать сей процесс призвана охлаждающая жидкость. Циркулируя в замкнутом контуре по кругу, через каналы и протоки внутри мотора, она отбирает у него тепло и переносит его к радиатору . Где охлаждается набегающим потоком воздуха (на ходу), либо принудительно – вентилятором (когда машина стоит или движется в пробке). После чего, охлажденная, снова поступает к самым горячим местам и процесс повторяется.
На заре массового автомобилестроения, а в нашей любимой стране – и вовсе вплоть до 80-х годов, вместо всем известного “антифриза” (это, кстати, “народное” название всех охлаждающих жидкостей) лили воду. То есть, каждый зимний вечер водитель должен был сливать воду из радиатора, а по утру заливать заново. В противном случае, самые “забывчивые” автолюбители наутро обнаруживали разорванные радиаторы и патрубки системы, где замерзшая вода успевала сделать свое дело.

Тогда автопроизводители поняли, что такая система вызывает, мягко говоря, некоторые неудобства в процессе зимней эксплуатации. 🙂 К тому же, теплоемкость воды не всегда была достаточной, а точка кипения в 100 градусов цельсия накладывала еще бОльшие ограничения на тепловой режим работы двигателя. И тогда придумали специальную охлаждающую жидкость. Плюсов у нее оказалась куча: теплоемкость выше (можно отбирать больше тепла у деталей), как выше и температура закипания (108-125 градусов в зависимости от марки). А “бонусом”, пакет антикоррозийных и моющих присадок не так быстро, как вода разрушал металлические части системы охлаждения изнутри. Но самый главный плюс – такие жидкости не замерзают при температурах ниже ноля: вплоть до -50 у некоторых марок (почему, собственно, и “Antifreeze”).

Кстати, система охлаждения любого двигателя имеет такую детальку как термостат – именно этот клапан регулирует, по какому пути будет двигаться нагнетаемая помпой (она же – водяной насос) охлаждающая жидкость (далее – ОЖ). Когда двигатель нужно быстрее прогреть (зима), охлаждайка бежит по малому кругу, минуя радиатор – условно говоря, просто циркулируя вокруг мотора. Когда же двигателю становится жарко, термостат направляет ОЖ по большому кругу: через радиатор. Где она, как уже говорилось выше, принудительно охлаждается. Такая система называется двухконтурной и на сегодняшний день является практически безальтернативной на серийных автомобилях.

А теперь, главный камень преткновения: ПОЧЕМУ ЖЕ ПЕРЕГРЕВАЕТСЯ МОТОР? Давайте рассмотрим по пунктам:

1) Банально забит радиатор охлаждения. Особенно актуально это становится летом и в пробках, когда двигатель практически сразу выходит на большой круг охлаждения и ОЖ циркулирует через радиатор. Уверен, все вы видели, что радиатор покрыт тысячами мелких ячеечек – чтобы отдавать тело максимально-возможной площадью. За пару-тройку лет эксплуатации, ячейки эти забиваются пухом, грязью и насекомыми, порой наглухо. Очевидно, что даже обдув вентилятора не спасает: ОЖ просто не успевает охлаждаться в радиаторе в достаточной степени, и уходит обратно к мотору почти такая же горячая как от него и ушла.

2) Не менее банально: не работает сам вентилятор. Обычно, перегорает предохранитель или (реже) неисправно реле включения. Но нужно понимать, что постоянно перегорающие предохранители – это не причина, а следствие. Вероятнее всего, электромотор вентилятора подклинивает и создает слишком высокую нагрузку на цепь.

3) Недостаточная эффективность помпы , качающей ОЖ по конуру. Либо у нее сточились лопасти крыльчатки, либо появились сколы и раковины на внутренней части корпуса. Или, что хуже, подклинивает подшипник – в этом случае, кстати, проходит она очень недолго и вероятность встать “в поле” с оборванным ремнем с каждой поездкой стремится всё выше.

4) Термостат заклинил в положении “малый круг”. И как температура жидкости не повышайся – к радиатору для охлаждения она не попадет. А значит, температура после прогрева мотора продолжит расти. Понять это очень просто – если стрелка температуры уже вовсю ползёт к красной зоне, а верхний широкий резиновый патрубок радиатора холодный или чуть теплый – это на 90% термостат. Ибо, при открытии большого круга охлаждения, проходящая через термостат, и далее – через патрубок в радиатор горяченная жидкость, просто не позволит вам удерживать на нем руку больше секунды-другой.

5) Как ни смешно звучит, но. не работающая крышечка расширительного бачк а. Дело в том, что внутри крышки встроен нехитрый двупружинный клапан (на впуск воздуха в бачок при охлаждении и на выпуск при нагревании). А следуя школьному курсу физики мы знаем, что чем выше давление – тем выше температура закипания жидкости. Так вот, задача этого байпасного клапана – выпускать из бачка воздух только при достижении заданного критического давления, когда уже появляется риск разрыва элементов системы охлаждения. Но до этого “дедлайна” крышка обязана воздух из системы не выпускать, дабы растущее давление внутри контура отодвигало точку кипения ОЖ как можно выше по градусам.

И тут имеем два варианта развития событий:
а) клапан залип в открытом положении . Читай – мы просто катаемся без крышки бачка. А значит, даже при нагревании в контуре охлаждения, давление в нем всегда будет равно атмосферному. Что имеем? Правильно – кипим раньше и чаще, чем задумано конструкторами данного мотора.
б) Клапан залип в закрытом положении . Читай – вместо крышки мы просто заварили бачок наглухо. ОЖ в контуре нагревается, нагревается. А воздуху выходить некуда! И давлением, превысившим все допустимые пределы, что-то непременно разрывает: шланги, бачок, радиатор – тут кому как везет. Соответственно, после такого фонтана из кипятка, резко падает как давление в контуре, так и уровень самой жидкости – со всеми вытекающими (буквально, ага). 🙂 Не говоря уже о том, что течь в месте разрыва контура устранить на месте зачастую уже не представляется возможным.

Вывод из всего сказанного прост: хотя бы примерно представляя как оно работает, зачастую вы и без посещения кучи наглых и бестолковых сервисов сможете определить, в чем у вас причина перегрева двигателя. Ну как минимум, проследить за состоянием радиатора, попробовать махнуть крышку бачка на новую или обратить внимание на то, крутится ли в жару вентилятор – вы всегда в состоянии, согласитесь. Так что: поменьше вам кипеть, получше охлаждаться! 😉

Система охлаждения автомобильного двигателя: устройство и принцип действия

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и их составные части подвергаются сильному нагреву во время эксплуатации различных транспортных средств. При этом, как перегрев, так и переохлаждение мотора способны спровоцировать выход его из строя. В связи с этим одной из важнейших задач разработчиков силовых агрегатов является обеспечение оптимального теплового режима их работы. Грамотно организованная система охлаждения двигателя способствует получению наилучших эксплуатационных параметров ДВС, к которым относятся:

1. Максимальная мощность.
2. Минимальный расход горючего.
3. Увеличенный срок эксплуатации.

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.

Классификация

При работе мотора необходимо обеспечить отвод от 25 до 35% выделяемого тепла. Для его эффективного поглощения (отвода) чаще всего используют воду, воздух или специальную жидкость (тосол, антифриз). Материал теплоносителя определяет способ охлаждения силового агрегата.

1. Принудительного воздушного охлаждения.
2. Жидкостного охлаждения с замкнутым циклом.

Жидкостная система охлаждения

В настоящее время для эффективного охлаждения автомобильных двигателей используют закрытую систему жидкостного охлаждения с замкнутым циклом.

Конструкция

В обязательном порядке система содержит расширительный бачок, который служит для компенсации изменения объема жидкости при изменении ее температуры. Кроме того, через него заливают теплоноситель.

Также в состав системы входят:

• водяная рубашка силового агрегата (пространство между двойными стенками блока цилиндров и его головки в местах отвода чрезмерного количества тепла);
• датчик температуры;
• биметаллический или электронный термостат, обеспечивающий оптимальную температуру в системе;
• помпа-насос центробежного типа, обеспечивающий принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости в системе;
• вентилятор, с помощью которого усиливается поток встречного воздуха на основной радиатор системы;
• радиатор, осуществляющий передачу тепла окружающей среде;
• радиатор отопителя, предназначенный для передачи тепла непосредственно в салон автомобиля;
• контрольный прибор, встроенный в панель приборов автомобиля.

Принцип действия

Охлаждающая жидкость заливается в систему через расширительный бачок. Постоянно циркулируя внутри системы, она отводит тепло от составных частей мотора, нагревающихся в процессе работы, нагревается, попадает в радиатор, охлаждается в радиаторе встречным потоком воздуха и возвращается обратно.

При необходимости включается вентилятор, усиливая эффективность охлаждения. Для замкнутых систем охлаждения температура теплоносителя не должна превышать 126 градусов Цельсия. Таким образом, обеспечивается оптимальный тепловой режим работы силового агрегата.

Дополнительные функции

Кроме своей главной задачи – отвода тепла от нагревающихся элементов, жидкостная система охлаждения двигателя обеспечивает также:

• Прогрев силового агрегата в холодное время года

В современных системах жидкостного охлаждения предусмотрено два контура, по которым может циркулировать охлаждающая жидкость. Это сделано для того, чтобы в момент пуска холодного двигателя, когда его детали и сама жидкость имеют низкую температуру, циркуляция теплоносителя осуществлялась по малому кругу (мимо радиатора).

Обеспечивается это термостатом, который в момент, когда температура поднимется до определенного уровня (70-80 градусов Цельсия), открывается, давая возможность теплоносителю циркулировать по большому кругу (через радиатор). Таким образом, осуществляется ускоренный процесс прогрева двигателя.

• Нагревание воздуха в салоне автомобиля

В холодное время года с помощью горячего теплоносителя происходит нагревание воздуха в салоне автомобиля. Для этого служит дополнительный радиатор, установленный в салоне и оснащенный собственным вентилятором. С их помощью тепло, отобранное от горячей жидкости, распространяется по всему объему салона.

• Снижение температуры нагнетаемого в цилиндры воздуха

Специально для двигателей, оснащенных турбонагнетателями, предусмотрены двухконтурные системы, в которых один контур обеспечивает охлаждение жидкости, а второй – охлаждение воздуха.

Кроме того, контур охлаждения теплоносителя также представляет собой двухконтурную систему, один контур которой охлаждает головку блока цилиндров, а другой – сам блок.

Это вызвано тем, что в турбированном моторе температура головки блока цилиндров должна быть ниже температуры самого блока на 15…20 градусов Цельсия. Особенностью такой системы охлаждения является то, что каждый контур контролируется собственным термостатом.

Достоинства и недостатки

Жидкостная система охлаждения двигателя присутствует практически у всех современных автомобилей. Принципиально отличаясь от систем воздушного охлаждения, она гарантирует:

• равномерное и быстрое прогревание силового агрегата;
• эффективный отвод тепла в любых условиях эксплуатации двигателя;
• снижение затрат мощности;
• стабильный тепловой режим работы мотора;
• возможность использования выделяемого тепла для нагревания воздуха в салоне и пр.

Среди немногочисленных недостатков жидкостной системы охлаждения можно отметить:

• необходимость регулярного обслуживания и сложность ремонта;
• повышенную чувствительность к изменениям температуры.

Неисправности и способы их устранения

Всем системам жидкостного охлаждения свойственны характерные неисправности. Чаще всего встречаются:

1. заклинивание термостата в закрытом положении (циркуляция жидкости осуществляется по малому кругу);
2. поломка помпы;
3. повреждение выпускного клапана, встроенного в пробку расширительного бачка;
4. утечка теплоносителя вследствие разгерметизации системы (повреждение уплотнителей, коррозия и пр.).
5. Кроме того, достаточно часто термостат заклинивает в положении «Открыто» (теплоноситель циркулирует по большому кругу), что увеличивает время прогрева холодного мотора и способствует нестабильности теплового режима при его дальнейшей работе.

Все эти неисправности характеризуются значительным повышением рабочей температуры силового агрегата, что может привести к закипанию теплоносителя и перегреву мотора.

Устраняются все дефекты путем замены неисправных и/или поврежденных деталей или комплектующих.

Воздушная система охлаждения

Моторами воздушного охлаждения оснащались транспортные средства в 50-70 годах прошлого века. Типичными представителями таких автомобилей являются «Запорожец» или FIAT 500. Сейчас моторы с воздушным охлаждением в автомобилестроении практически не встречаются.

Конструкция и принцип действия

Конструктивно система принудительного воздушного охлаждения монтируется в подкапотном пространстве транспортного средства и состоит из:

• отсасывающего или нагнетающего вентилятора;
• направляющих ребер рубашки охлаждения двигателя;
• органов управления (дроссельные заслонки, управляющие подачей воздуха или муфта, регулирующая частоту вращения вентилятора в автоматическом режиме);
• температурного датчика, установленного в силовом агрегате;
• контрольного прибора, выведенного на приборную панель в салоне автомобиля.

Охлаждение мотора осуществляется встречным холодным воздухом. Для усиления его потока чаще всего используют вентилятор нагнетающего типа. Он усиливает поток холодного плотного воздуха и обеспечивает его подачу в больших количествах при малых энергетических затратах.

Отсасывающий вентилятор требует больших затрат мощности, однако обеспечивает более равномерный отвод тепла от деталей силового агрегата.

Достоинства и недостатки

Моторы с принудительным воздушным охлаждением отличаются:

• простотой конструкции;
• низкими требованиями к изменению температуры окружающей среды;
• небольшим весом;
• несложным техническим обслуживанием.

К недостаткам системы воздушного охлаждения относят:

• большую потерю мощности мотора, которая расходуется на обеспечение работы вентилятора;
• высокий уровень шума во время работы вентилятора;
• недостаточное охлаждение отдельных элементов двигателя из-за неравномерного обдува;
• невозможность использования излишков тепла для обогрева салона.

Устройство и принцип работы системы охлаждения двигателя

Помимо главной функции отвода тепла от основных узлов двигателя автомобиля, система охлаждения решает ряд дополнительных задач. Фактически она участвует в работе системы смазки, отопления салона, выхлопа и рециркуляции отработавших газов, турбонаддува и коробки передач. О том, как она устроена, а также в чем заключается принцип работы охлаждающей системы и пойдет речь далее.

Виды систем охлаждения двигателя

Регулирование температуры автомобильного двигателя может осуществляться при помощи охлаждающей жидкости (антифриза, ОЖ) и посредством циркуляции воздуха. Исходя из этого различают три вида систем:

• Воздушная. Физически представляет собой обдув, благодаря которому происходит вытеснение горячего воздуха из подкапотного пространства в атмосферу. Воздушное охлаждение может быть естественным и принудительным (с использованием вентилятора). В силу низкой эффективности как самостоятельная система практически не применяется.
• Жидкостная. Представляет собой систему трубчатых контуров, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Жидкостное охлаждение может быть принудительным (перекачка насосом), термосифонным (за счет разности в плотности нагретой и охлажденной жидкостей) и комбинированным (охлаждение головки блока цилиндров осуществляется принудительно, а остальные узлы термосифонным принципом). Такая система более эффективна в сравнении с воздушной, но при определенных режимах работы (длительный простой с включенным двигателем, повышенные температуры окружающей среды) может быть недостаточной для качественного охлаждения.
• Комбинированная. Представляет собой использование и воздушного обдува, и жидкостных контуров.

Системы охлаждения на основе жидкости также разделяются на открытые и закрытые. Первые имеют сообщение с атмосферой при помощи пароотводной трубки, а во вторых жидкость полностью изолирована от окружающей среды. В закрытых системах давление антифриза больше, а следовательно, выше и температура кипения. Это позволяет использовать их при высоких температурах нагрева жидкости (до 120°C).

Устройство и принцип работы системы охлаждения ДВС

Наиболее популярной в современных автомобилях является комбинированная система охлаждения двигателя с принудительной циркуляцией воздуха и жидкости. Она состоит из следующих элементов:

• Радиатор системы охлаждения.
• Вентилятор радиатора.
• Малый и большой охлаждающие контуры.
• Рубашка системы охлаждения (система каналов в блоке цилиндров).
• Датчик температуры.
• Термостат.
• Расширительный бачок.
• Насос (помпа).
• Радиатор печки.
• Масляный радиатор (опционально).
• Радиатор системы рециркуляции отработавших газов (опционально).

В момент запуска двигателя насос начинает перекачку жидкости по малому контуру. Когда двигатель нагревается до рабочей температуры, срабатывает термостат и открывает второй (большой) контур охлаждения. Проходя через узлы мотора, охлаждающая жидкость нагревается и расширяется. При увеличении температуры часть жидкости поступает в расширительный бачок. Это позволяет компенсировать излишний объем, независимо от того, какое давление установилось в системе.

Большой и малый круги циркуляции ОЖ

Проходя через участок радиатора системы охлаждения, антифриз вновь остывает и возвращается на новый цикл. Если этот режим снижения температуры оказывается недостаточным, срабатывает температурный датчик, передающий сигнал блоку управления двигателя и запускающий вентилятор воздушного охлаждения. Если и его оказывается недостаточно, на приборную панель (индикатор) поступает сигнал о перегреве двигателя.

Масляный радиатор и радиатор рециркуляции отработавших газов может присутствовать не во всех системах охлаждения. Они необходимы для синхронного снижения температуры смазки и выхлопа, что делает эксплуатацию автомобиля более безопасной и экономичной. В автомобилях с турбонаддувом также может присутствовать еще один охлаждающий контур для снижения температуры воздуха наддува.

Как устроен радиатор охлаждения двигателя

Радиатор системы охлаждения ДВС состоит из следующих элементов:

• Сердцевина. Она может быть трубчатой (вертикальные трубки овального или круглого сечения, объединенные тонкими горизонтальными пластинами), пластинчатой (изогнутые пары пластин, спаянные по краям) и сотовой (спаянные трубки с сечением в виде правильного шестиугольника).
• Верхний бачок. Оснащен заливной горловиной с герметичной пробкой, а также патрубком для установки шланга, подводящего антифриз. В горловине выполнено отверстие для установки пароотводящей трубки. Последняя имеет паровой клапан, который открывается в случае закипания.
• Воздушный клапан. Он необходим для наполнения радиатора воздухом после остановки двигателя. Когда охлаждающая жидкость полностью остывает, без подачи дополнительного объема воздуха в системе может возникнуть сильное разрежение, провоцирующее сдавливание трубок.
• Нижний бачок. Оснащен патрубком для крепления шланга отвода жидкости.
• Крепления.

Принцип работы радиатора основан на многоуровневой циркуляции воздуха в его сердцевине, что делает снижение температуры охлаждающей жидкости, проходящей через него, более интенсивным.

Наиболее эффективными являются радиаторы пластинчатого типа, но они подвержены быстрому загрязнению, а потому самой популярной конструкцией стали трубчатые.

Особенности работы датчика температуры ОЖ

Температурный датчик позволяет контролировать состояние системы. Определить, где находится датчик температуры охлаждающей жидкости просто: как правило, он расположен в канале головки блока цилиндров. Он представляет собой терморезистор в герметичном корпусе, который может быть изготовлен из бронзы, пластика и латуни. На корпусе имеется резьба для установки в канал.

Принцип работы датчика основан на следующем эффекте: при повышении температуры сопротивление чувствительного элемента снижается, а при ее уменьшении увеличивается. Показатель сопротивления передается на электронный блок управления двигателем. Чтобы при этом данные состояния охлаждающей жидкости были точными, датчик должен быть полностью погружен в нее. При температуре 100°C сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости должно быть порядка 177 Ом. С учетом погрешностей измерения допускается показатель сопротивления 190 Ом. Если же отклонения больше допустимых, датчик необходимо заменить.

В некоторых моделях автомобилей может быть предусмотрено два датчика температуры. Один отвечает исключительно за включение вентилятора радиатора, а второй представляет собой датчик указателя текущей температуры охлаждающей жидкости.

Что используют в качестве охлаждающих жидкостей

В роли рабочей жидкости в системах охлаждения изначально применялась дистиллированная или деионизированная вода. Однако для современных двигателей она не обеспечивает нужный диапазон рабочих температур. Помимо этого, она склонна к коррозионной активности в отношении металлов, что снижает срок эксплуатации системы охлаждения. Для устранения этих недостатков в качестве охлаждающей жидкости сегодня применяются составы со специальными присадками (этиленгликоль, ингибиторы коррозии), что повышает характеристики всей системы. Чаще всего используется антифриз, который имеет более низкий порог замерзания.

При возникновении ситуации, когда требуется экстренный долив охлаждающей жидкости, можно использовать обычную чистую воду. Однако для корректной работы системы при первой возможности такой раствор необходимо заменить на качественный антифриз.

Замена охлаждающей жидкости проводится каждые 60-100 тысяч километров пробега. В охлажденном состоянии (при выключенном двигателе) ее количество должно быть на уровне нижнего края патрубка расширительного бачка охлаждающей системы. Для удобства на нем выполнены отметки «Min» и «Max». Когда количество жидкости ниже минимальной отметки — выполняют долив. Если после работы уровень вновь упал — это свидетельствует о разгерметизации системы.

Значимость системы охлаждения двигателя не вызывает сомнений. А потому стоит регулярно проводить профилактический осмотр ее основных узлов. Это позволит избежать перегрева двигателя и возникновения критических поломок.

Система охлаждения

Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей двигателя, нагреваемых в результате его работы. На современных автомобилях система охлаждения, помимо основной функции, выполняет ряд других функций, в том числе:

• нагрев воздуха в системе отопления, вентиляции и кондиционирования;
• охлаждение масла в системе смазки;
• охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
• охлаждение воздуха в системе турбонаддува;
• охлаждение рабочей жидкости в автоматической коробке передач.

В зависимости от способа охлаждения различают следующие виды систем охлаждения: жидкостная (закрытого типа), воздушная (открытого типа) и комбинированная. В системе жидкостного охлаждения тепло от нагретых частей двигателя отводится потоком жидкости. Воздушная система для охлаждения использует поток воздуха. Комбинированная система объединяет жидкостную и воздушную системы.

На автомобилях наибольшее распространение получили система жидкостного охлаждения. Данная система обеспечивает равномерное и эффективное охлаждение, а также имеет меньший уровень шума. Поэтому, устройство и принцип действия системы охлаждения рассмотрены на примере системы жидкостного охлаждения.

Конструкция системы охлаждения бензинового и дизельного двигателей подобны. Система охлаждения двигателя включает множество элементов, среди которых радиатор охлаждающей жидкости, масляный радиатор, теплообменник отопителя, вентилятор радиатора, центробежный насос, а также расширительный бачок и термостат. В схему системы охлаждения включена «рубашка охлаждения» двигателя. Для регулирования работы системы используются элементы управления.

Радиатор предназначен для охлаждения нагретой охлаждающей жидкости потоком воздуха. Для увеличения теплоотдачи радиатор имеет специальное трубчатое устройство.

Наряду с основным радиатором в системе охлаждения могут устанавливаться масляный радиатор и радиатор системы рециркуляции отработавших газов. Масляный радиатор служит для охлаждения масла в системе смазки.

Радиатор системы рециркуляции отработавших газов охлаждает отработавшие газы, чем достигается снижение температуры сгорания топливно-воздушной смеси и образования оксидов азота. Работу радиатора отработавших газов обеспечивает дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, включенный в систему охлаждения.

Теплообменник отопителя выполняет функцию, противоположную радиатору системы охлаждения. Теплообменник нагревает, проходящий через него, воздух. Для эффективной работы теплообменник отопителя устанавливается непосредственно у выхода нагретой охлаждающей жидкости из двигателя.

Для компенсации изменения объема охлаждающей жидкости вследствие температуры в системе устанавливается расширительный бачок. Заполнение системы охлаждающей жидкостью обычно осуществляется через расширительный бачок.

Циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивается центробежным насосом. В обиходе центробежный насос называют помпой. Центробежный насос может иметь различный привод: шестеренный, ременной и др. На некоторых двигателях, оборудованных турбонаддувом, для охлаждения наддувочного воздуха и турбокомпрессора устанавливается дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, подключаемый блоком управления двигателем.

Термостат предназначен для регулировки количества охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, чем обеспечивается оптимальный температурный режим в системе. Термостат устанавливается в патрубке между радиатором и «рубашкой охлаждения» двигателя.

На мощных двигателях устанавливается термостат с электрическим подогревом, который обеспечивает двухступенчатое регулирование температуры охлаждающей жидкости. Для этого в конструкции термостата предусмотрено три рабочих положения: закрытое, частично открытое и полностью открытое. При полной нагрузке на двигатель с помощью электрического подогрева термостата производится его полное открытие. При этом температура охлаждающей жидкости снижается до 90°С, уменьшается склонность двигателя к детонации. В остальных случаях температура охлаждающей жидкости поддерживается в пределах 105°С.

Вентилятор радиатора служит для повышения интенсивности охлаждения жидкости в радиаторе. Вентилятор может иметь различный привод:

• механический (постоянное соединение с коленчатым валом двигателя);
• электрический (управляемый электродвигатель);
• гидравлический (гидромуфта).

Наибольшее распространение получил электрический привод вентилятора, обеспечивающий широкие возможности для регулирования.

Типовыми элементами управления системы охлаждения являются датчик температуры охлаждающей жидкости, электронный блок управления и различные исполнительные устройства.

Датчик температуры охлаждающей жидкости фиксирует значение контролируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал. Для расширения функций системы охлаждения (охлаждения отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов, регулирования работы вентилятора и др.) на выходе радиатора устанавливается дополнительный датчик температуры охлаждающей жидкости.

Сигналы от датчика принимает электронный блок управления и преобразует их в управляющие воздействия на исполнительные устройства. Используется, как правило, блок управления двигателем с устанавленным соответствующим программным обеспечением.

В работе системы управления могут использоваться следующие исполнительные устройства: нагреватель термостата, реле дополнительного насоса охлаждающей жидкости, блок управления вентилятором радиатора, реле охлаждения двигателя после остановки.

Принцип работы системы охлаждения

Работу системы охлаждения обеспечивает система управления двигателем. В современных двигателях алгоритм работы реализован на основе математической модели, которая учитывает различные параметры (температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, наружную температуру и др.) и задает оптимальные условия включения и время работы конструктивных элементов.

Охлаждающая жидкость в системе имеет принудительную циркуляцию, которую обеспечивает центробежный насос. Движение жидкости осуществляется через «рубашку охлаждения» двигателя. При этом происходит охлаждение двигателя и нагрев охлаждающей жидкости. Направление движения жидкости в “рубашке охлаждения” может быть продольным (от первого цилиндра к последнему) или поперечным (от выпускного коллектора к впускному).

В зависимости от температуры жидкость циркулирует по малому или большому кругу. При запуске двигателя сам двигатель и охлаждающая жидкость в нем холодные. Для ускорения прогрева двигателя охлаждающая жидкость движется по малому кругу, минуя радиатор. Термостат при этом закрыт.

По мере нагрева охлаждающей жидкости термостат открывается, и охлаждающая жидкость движется по большому кругу – через радиатор. Нагретая жидкость проходит через радиатор, где охлаждается встречным потоком воздуха. При необходимости жидкость охлаждается потоком воздуха от вентилятора.

После охлаждения жидкость снова поступает в «рубашку охлаждения» двигателя. В ходе работы двигателя цикл движения охлаждающей жидкости многократно повторяется.

На автомобилях c турбонаддувом может применяться двухконтурная система охлаждения, в которой один контур отвечает за охлаждение двигателя, другой – за охлаждение наддувочного воздуха.

Источники:

http://ustroistvo-avtomobilya.ru/sistemy-ohlazhdeniya/sistema-ohlazhdeniya-dvigatelya/
http://www.zr.ru/content/articles/909838-sistema-okhlazhdeniya-nuzhno-li-e/
http://zen.yandex.ru/media/id/5ace229f830905913c2e123d/5b2813c34b68b700a98d20e7
http://dvigatels.ru/uhod/sistema-ohlazhdeniya-dvigatelya.html
http://techautoport.ru/dvigatel/sistema-ohlazhdeniya/sistema-ohlazhdeniya-dvigatelya.html
http://systemsauto.ru/cooling/cooling.html