Как работает система охлаждения двигателя

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.

История создания

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.

А в самом радиаторе температура жидкости уменьшалась, а плотность увеличивалась. Прохладная утяжеленная жидкость опускалась вниз и через патрубок заходила в рубашку охлаждения ДВС.

Основной минус радиатора с термосифоном в том, что такое устройство плохо начало справляться с охлаждением моторов повышенной мощности. Далее, конструкторы изобрели помпу для поддержания циркуляции в двигателях любых мощностей.

Ремонт радиатора и расширительного бачка

У радиатора могут быть следующие неисправности: 

• вмятины, пробоины, трещины на бачках;
• поломки и трещины на пластинах каркаса;
• нарушение герметичности в местах пайки;
• повреждение охлаждающих пластин или трубок;
• засорение вследствие налипания насекомых;
• отложение накипи.

Загрязнения и накипь удаляют в установках с подогревом моющего средства до 70–85 °C, его циркуляцию и последующую промывку радиатора производят водой. Для очистки поверхности радиатора от налипших насекомых применяют специальный растворитель, который наносят на радиатор, а затем смывают водой.

Если латунные бачки имеют вмятины, их рихтуют на деревянной подкладке киянкой. Небольшие трещины запаивают мягким припоем. Поврежденные верхний и нижний бачки радиатора ремонтируют наложением заплат. Заплату и поврежденный участок зачищают, лудят и припаивают друг к другу. При невозможности запаять поврежденные трубки, их заглушают путем запаивания верхнего и нижнего концов. Но на весь радиатор допускается заглушать не более трех трубок. При большем числе поврежденных трубок их заменяют новыми или меняют радиатор полностью. Поломки и трещины на пластинах крепления радиатора заваривают газовой сваркой. Проверка герметичности радиатора. При утечке охлаждающей жидкости из радиатора, если найти место утечки невозможно, радиатор проверяют на герметичность. Для проверки на автомобиле радиатор заполняют водой, патрубки закрывают заглушками, оставив один открытым. Через открытый патрубок в радиатор подают воздух под давлением 1 кгс/см2. По месту появления воды определяют место утечки.

Вследствие плохого доступа к радиатору его удобнее проверять, сняв с автомобиля при холодном двигателе.

Для снятия и установки радиатора и расширительного бачка необходимо:

• слить охлаждающую жидкость из двигателя и радиатора;
• отсоединить электрические провода от датчика включения вентилятора и от вентилятора;
• отсоединить шланги от радиатора и расширительного бачка;
• снять четыре направляющих кожуха (верхний, правый, левый и нижний) с учетом того, что для снятия верхнего кожуха его необходимо вывести из специальных удерживающих пазов, для снятия правого и левого кожухов необходимо отстегнуть на левом кожухе две защелки, а на правом – три, для снятия нижнего кожуха нужно отвернуть три болта, крепящих его к радиатору;
• снять электровентилятор с направляющим кожухом в сборе, отвернув для этого гайки крепления направляющего кожуха к нижнему кронштейну крепления радиатора и гайки крепления кожуха к радиатору, снять кожух с электровентилятором в сборе;
• отвернуть гайки крепления радиатора к нижнему кронтшейну крепления радиатора и болты крепления радиатора, снять радиатор;
• отвернуть болт крепления расширительного бачка и снять бачок с автомобиля.

После снятия радиатора и расширительного бачка закрывают заливную горловину и патрубки радиатора, оставив один открытым, и подают через него воздух под давлением 1 кгс/см2. Радиатор помещают в ванну с водой и наблюдают за появлением пузырьков воздуха, которые укажут место утечки. В разобранном виде без охлаждающей жидкости внутри радиатор не следует хранить более двух дней, так как может начаться коррозия. Рекомендуется закрыть отверстия пробками или заполнить радиатор слитой охлаждающей жидкостью.

Если радиатор покрыт накипью, маслом, а снаружи ржавчиной, следует продуть его сжатым воздухом, промыть водой, воздушные каналы осторожно прочистить деревянными шпильками. При ремонте радиатора эпоксидным клеем на поврежденные места шпателем наносят эпоксидный клей и обертывают их пропитанной этим же клеем полоской ткани

Для удобства продевания ткани между трубками, пользуются пинцетом. При работе с эпоксидным клеем нужно помнить: эпоксидные смолы ядовиты.

Установку радиатора и расширительного бачка производят в обратном порядке. Отремонтированный радиатор надо проверить на герметичность. Если у автомобиля стоит радиатор с сердцевиной из алюминиевого сплава и пластмассовыми бачками, то их обычно не ремонтируют, за исключением замены некоторых трубок, а заменяют полностью. Расширительный бачок системы охлаждения изготавливают из прозрачной пластмассы. Отдельные небольшие трещины на шве, который соединяет верхнюю и нижнюю половины бачка, можно заварить, используя для нагрева пластмассы паяльник. При длине трещин более 20 мм бачок следует заменить. Вздутый бачок также заменяют. Вздутие может произойти в результате залипания выпускного клапана в его пробке, что приводит к повышению давления в системе охлаждения.

Принцип работы системы

Принцип функционирования системы охлаждения двигателя (и бензинового, и дизельного) весьма прост и основан на целенаправленной циркуляции охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость, забирая тепло у деталей двигателя (в рубашках охлаждения), под воздействием давления, создаваемого водяным насосом, начинает циркулировать по системе, осуществляя теплообмен.

Первоначально движение жидкости осуществляется при закрытом термостате по малому кругу, то есть без работы радиатора. Это делается для того, чтобы убыстрить процесс прогрева двигателя и доведения его до рабочей температуры. После возврата жидкости в рубашки охлаждения процесс циркуляции продолжается.

В том случае, когда температура достигает высоких показателей (в пределах 100 градусов), открывается термостат, и охлаждающая жидкость начинает двигаться по большому кругу, заходя в радиатор. Это сразу же остужает двигатель, ибо в систему охлаждения поступает жидкость, ранее не использовавшаяся (находившаяся в радиаторе). Сам радиатор охлаждается потоком атмосферного воздуха.

При необходимости (например, в холодное время года) охлаждающая жидкость через открытый кран отопителя заходит в «печку», где с помощью радиатора, с одной стороны, дополнительно остывает, отдавая избыточное тепло, а с другой, — обогревает воздух в салоне автомобиля.

Устройство радиатора охлаждения

Основная функция этого устройства — отведение тепла от нагретых веществ. Это можно обеспечить конструктивной особенностью радиатора и материалами из чего он сделан. Также, для создания наилучшего эффекта охлаждения, место монтажа должно быть таким, где устройство встречается с большим потоком воздушного сопротивления. Поэтому на всех автомобилях, вне зависимости от марки и модели, радиатор системы охлаждения устанавливается спереди перед двигателем и, поэтому элементы кузова перед радиатором делают щелевым (решетка радиатора).

Есть автомобили, в которых мотор устанавливается сзади. Даже при таком расположении ДВС, радиатор ставят спереди. Единственное, приходится прокладываться длинные магистрали для циркуляции жидкости. На спортивных авто можно встретить конструкцию, когда ДВС и радиатор находятся сзади, но по бокам кузова есть воздухозаборники.

Из чего состоит радиатор системы охлаждения

Конструкция автомобильного радиатора может быть нескольких видов, но основная схема такая, как представлена на рисунке.

а — сам радиатор; б — паровой клапан в открытом виде; в -воздушный клапан в открытом положении.

1. Верхний бачок.
2. Верхний патрубок.
3. Пробка горловины радиатора.
4. Пароотводная труба.
5. Алюминиевые или латунные трубки, соединяющие верхний 1 и нижний 7 бачки.
6. Пластины. Они припаяны к трубкам 5. Служат для увеличения площади поверхностного охлаждения.
7. Нижний бачок.
8. Патрубок для соединения радиатора и помпы. Некоторые модификации имеют на патрубке сливной кран.
9. Крепежные элементы.

Пластины 6 — это сердцевина радиатора. Основной элемент теплообменного процесса. Основная часть сердцевин — это бесшовные трубки с толщиной 0,15 мм. Вокруг трубки есть медная или алюминиевая лента. Горячая жидкость проходит через труби и охлаждается.

Классификация по типу сердцевин:

1. Радиаторы с трубчатыми сердцевинами.
2. Радиаторы с пластинчатыми сердцевинами.
3. Радиаторы с трубчато-ленточными сердцевинами.

Устройство парового 11 и воздушного 12 клапанов радиатора:

• 10-пружина. Упругость пружины от 1250 до 2000 грамм. Клапана и пружина с такой упругостью позволяет увеличить давление в охлаждающей циркуляционной системе и увеличить порог закипания жидкости до 110-120 градусов. Таким способом, объем охлаждающей жидкости не такой уж большой в современных двигателях.
• Пружинка воздушного клапана имеет упругость от 50 до 100 грамм.

Функция воздушного клапана — пропускать воздух внутрь радиатора, если охлаждающая жидкость (вода, тосол, антифриз) закипела и остыла, и появился конденсат.

В системе возникает избыточно давление и парообразование при нагреве жидкости. Крышка с клапаном сама разряжает давление вне зависимости от того, какой атмосферное давление на улице. Так как в горах низкое атмосферное давление, то жидкость охлаждения закипает быстрее, чем на равнине. Воздушный клапан защищает радиатор от разрушения, которое может возникнуть от разницы давлений в самом радиатор и на улице.

На пробке есть клапаны. При закипании охлаждающей жидкости (ОЖ) открывается выпускной клапан на крышке. Пар при этом выводится через пароотводную трубу. Когда в радиаторе жидкость остывает, давление падает и, если давление в радиаторе стало ниже атмосферного 1 Атм (килограмм на 1 квадратный сантиметр), то открывается впускной клапан и запускает воздух, чтобы не создавался вакуум.

Чтобы слить ОЖ из системы охлаждения закрытого типа, надо открутить сливной болт или открыт краник, и открыть крышку. Для полного слива жидкости из системы охлаждения двигателя, в на блоке цилиндров есть специальный сливной болт под ключ на 13 (ВАЗ).

Типы системы охлаждения

Система охлаждения двигателя классифицируется по способу отвода тепла:

• охлаждение при помощи жидкостей в закрытом типе;
• охлаждение воздухом в открытом типе;
• комбинированная (гибридная) система отвода тепла.

В настоящее время воздушное охлаждение в автомобилях встречается крайне редко. Жидкостное может быть и открытого типа. В таких системах отвод тепла происходит через пароотводную трубку в окружающую среду. Закрытая система изолирована от внешней атмосферы. Поэтому давление в системе охлаждения двигателя такого типа намного выше. При высоком давлении увеличивается порог закипания охлаждающего элемента. Температура хладагента в закрытой системе может достигать 120 ℃.

ДВО проигрывает жидкостной системе за счет перегревов

Это не истина в последней инстанции. На самом деле температурные характеристики, наоборот, следует считать преимуществом. Естественно, за счет пониженной теплопроводности воздух просто не сможет так быстро отводить тепло, как в системах с антифризом.

Но разница между температурой на цилиндрах и температурой внешних сред значительно больше, чем между жидкостью и стенками блока и ГБЦ. Погода в меньшей степени способна влиять на температурный режим охлаждения. Двигатели с жидкостной системой имеют повышенный риск перегрева летом. Особенно это актуально в жаркий знойный день. Также владельцы могут столкнуться с проблемой, почему включается вентилятор охлаждения на холодном двигателе. В «воздушниках» такого нет.

Схема циркуляции охлаждающей жидкости. Схема системы охлаждения двигателя

В любом автомобиле используется двигатель внутреннего сгорания. Широкое распространение получили жидкостные системы охлаждения – только на старых «Запорожцах» и новых «Тата» используется обдув воздухом. Нужно отметить, что схема циркуляции охлаждающей жидкости на всех машинах практически похожа – присутствуют в конструкции одинаковые элементы, выполняют они идентичные функции.

Малый круг охлаждения

В схеме системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания присутствует два контура – малый и большой. Чем-то она схожа с анатомией человека – движением крови в организме. Жидкость двигается по малому кругу тогда, когда необходимо произвести быстрый прогрев до рабочей температуры. Проблема в том, что мотор может нормально функционировать в узком диапазоне температур – около 90 градусов.

Нельзя ее повышать или понижать, так как это приведет к нарушениям – изменится угол опережения зажигания, топливная смесь будет сгорать несвоевременно. В контур включен радиатор отопителя салона – ведь нужно, чтобы внутри машины было тепло как можно раньше. Подача горячего антифриза перекрывается с помощью крана. Место его установки зависит от конкретного автомобиля – на перегородке между салоном и моторным отсеком, в области бардачка и т.д.

Большой контур охлаждения

В схему системы охлаждения двигателя при этом включается еще и основной радиатор. Он устанавливается в передней части автомобиля и предназначен для экстренного снижения температуры жидкости в двигателе. Если на автомобиле имеется кондиционер, то радиатор его устанавливается рядом. На автомобилях «Волга» и «Газель» применяется масляный радиатор, который также ставится в передней части автомобиля. На радиаторе обычно ставится вентилятор, который приводится в движение электромотором, ремнем или муфтой.

Жидкостный насос в системе

Это устройство входит в схему циркуляции охлаждающей жидкости «Газели» и любого другого автомобиля. Привод может осуществляться следующим образом:

1. От ремня газораспределительного механизма.
2. От ремня генератора.
3. От отдельного ремня.

Конструкция состоит из таких элементов:

1. Металлическая или пластиковая крыльчатка. От количества лопастей зависит эффективность работы насоса.
2. Корпус – обычно выполняется из алюминия и его сплавов. Дело в том, что именно этот металл хорошо работает в агрессивных условиях, практически не действует на него коррозия.
3. Шкив для установки ремня привода – зубчатый или клиновидный.
4. Вал – стальной ротор, на одном конце которого находится крыльчатка (внутри), а снаружи шкив для установки приводного шкива.
5. Бронзовая втулка или подшипник – смазка этих элементов осуществляется при помощи специальных присадок, которые имеются в антифризе.
6. Сальник позволяет избежать вытекания жидкости из системы охлаждения.

Термостат и его особенности

Сложно сказать, какой именно элемент обеспечивает наиболее эффективную циркуляцию жидкости в системе охлаждения. С одной стороны, помпа создает давление и антифриз двигается по патрубкам с ее помощью.

Но с другой стороны, если бы не было термостата, движение происходило бы исключительно по малому кругу. Конструкция содержит такие элементы:

1. Корпус из алюминия.
2. Выходы для соединения с патрубками.
3. Пластина биметаллического типа.
4. Механический клапан с возвратной пружиной.

Принцип работы заключается в том, что при температуре ниже 85 градусов двигается жидкость только по малому контуру. При этом клапан внутри термостата находится в таком положении, при котором не попадает антифриз в большой контур.

Как только достигнет температура 85 градусов, начнет деформироваться биметаллическая пластина. Она воздействует на механический клапан и открывает доступ антифризу к основному радиатору. Как только снизится температура, клапан термостата вернется в исходное положение под действием возвратной пружины.

Расширительный бачок

В системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания имеется расширительный бачок. Дело в том, что любая жидкость, в том числе и антифриз, при нагреве увеличивает объем. А при охлаждении объем уменьшается. Следовательно, необходим какой-то буфер, в котором будет храниться небольшое количество жидкости, чтобы в системе всегда ее было вдоволь. Именно с этой задачей и справляется расширительный бачок – туда выплескивается излишек во время нагрева.

Крышка расширительного бачка

Еще один незаменимый компонент системы – это пробка. Существует два типа конструкции – герметичная и негерметичная. В том случае, если на автомобиле применяется последняя, пробка расширительного бачка имеет только дренажное отверстие, через которое уравновешивается давление в системе.

Регулировка температуры охлаждающей жидкости

За поддержание постоянной температуры в системе охлаждения  двигателя отвечает термостат. Данный элемент распределяет движение охлаждающей жидкости по контурам. Эти контуры называются малый и большой круг. Рубашку двигателя можно считать малым кругом, движение потока через радиатор-большой круг. Возникает такая ситуация, когда охлаждения  наружным воздухом при движении ОЖ по большому кругу в жаркую погоду или при нагрузках  оказывается недостаточно. Чтобы обеспечить эффективный отвод нагретого воздуха и поддерживать постоянную температуру охлаждающей жидкости дополнительно устанавливается один или целый ряд вентиляторов. Такие вентиляторы  могут иметь механический привод (вискомуфту) или электрический привод. 

 Регулирование теплового режима «шторкой»

Жидкостная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания может быть оснащена двойным регулированием теплового режима. Первым регулятором выступает термостат, о котором мы уже говорили. Вторым терморегулирующим элементом становится шторка-жалюзи.

Устройства с двойным регулированием конструктивно имеют жалюзи, установленные непосредственно перед радиатором. Благодаря такому решению в сильные морозы радиатор можно прикрыть, уменьшив интенсивность обдува наружным воздухом. Отвод тепла снизится, а само тепло можно более эффективно использовать для поддержания рабочей температуры ДВС и интенсивного отопления салона автомобиля.

Жалюзи представляют собой пластины из металла, которые соединены между собой шарнирами. Эти шторки могут иметь вертикальное или горизонтальное расположение перед устройством. Управление таким решением осуществляется рукояткой из салона автомобиля, а также может быть реализовано автоматически в отдельных конструкциях. Принцип действия механического устройства заключается в том, что задвигая или вытягивая рукоять в салоне, водитель осуществляет поворот пластин. Происходит изменение щели между жалюзи и происходит регулировка интенсивности обдува радиатора воздушными потоками. Результатом становится воздействие на температуру охлаждающей жидкости.

В условиях предельно низких температур на капот и радиаторную решетку дополнительно крепят специальный утеплительный чехол. Такой чехол изготовлен из водонепроницаемой пожаробезопасной ткани. Указанные меры способствуют поддержанию рабочего теплового режима двигателя в необходимых рамках.

Установка дополнительного радиатора

Появление мощных высокофорсированных атмосферных и турбодвигателей, которые работают в самых разных режимах нагрузки,  поставило перед разработчиками задачу установить дополнительные устройства охлаждения. Инженеры реализовали параллельную установку дополнительного радиатора. Такое решение получило свой отдельный электрический вентилятор. Не стоит путать дополнительный радиатор охлаждения с интеркулером, который устанавливается для охлаждения сжатого воздуха в системах с турбонагнетателем.

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.

Назначение и виды системы охлаждения

Температура газов в камере сгорания в момент воспламенения смеси превышает 2000°С. Такая температура при отсутствии искусственного охлаждения привела бы к сильному нагреву деталей двигателя и их разрушению. Поэтому необходимо воздушное или жидкостное охлаждение двигателя. При воздушном охлаждении не требуются радиатор, водяной насос и трубопроводы, отпадает опасность «размораживания» двигателя зимой при заправке системы охлаждения водой. Поэтому, не смотря на повышенную затрату мощности на приведение в действие вентилятора и затруднённый пуск при низкой температуре применяют воздушное охлаждение на лёгковых машинах и ряде зарубежных автомобилей.

Система охлаждения — жидкостная закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости, с расширительным бачком. Такая система заполняется водой или антифризом, не замерзающим при температуре до минус 40°С.

При чрезмерном охлаждении двигателя увеличиваются потери тепла с охлаждающей жидкостью, неполностью испаряется и сгорает топливо, которое в жидком виде проникает в поддон картера и разжижает масло. Это приводит к снижению мощности и экономичности двигателя и быстрому износу деталей. При перегреве двигателя происходят разложение и коксование масла ускоряющие, отложение нагара, вследствие чего ухудшается отвод тепла. Из-за расширения деталей уменьшаются температурные зазоры, увеличиваются трение и износ деталей, ухудшается наполнение цилиндров. Температура охлаждающей жидкости при работе двигателя должна составлять 85-100°С.

В автомобильных двигателях применяют принудительную (насосную) систему жидкостного охлаждения. Такая система включает рубашки охлаждения цилиндров, радиатор, водяной насос, вентилятор, жалюзи, термостат, сливные краники, указатели температуры охлаждающей жидкости.

Жидкость, циркулирующая в системе охлаждения, воспринимает тепло от стенок цилиндров и их головок и передаёт его через радиатор окружающей среде. Иногда предусматривается направление потока циркулирующей жидкости через водораспределительную трубу или продольный канал с отверстиями в первую очередь к наиболее нагретым деталям (выпуклые клапаны, свечи зажигания, стенки камеры сгорания).

В современных двигателях система охлаждения двигателя используется для подогрева впускного трубопровода, охлаждения компрессора и отопления кабины или пассажирского помещения кузова. В современных автомобильных двигателях применяют закрытые системы жидкостного охлаждения, сообщающиеся с атмосферой через клапаны в пробке радиатора. В такой системе повышается температура кипения воды, закипает вода реже и меньше испаряется.