Система охлаждения ДВС представляет собой комплекс устройств, которые в совокупности обеспечивают качественное охлаждение деталей мотора. Данная система отвечает за поддержание оптимального температурного баланса в процессе работы силового агрегата применительно к различным режимам и нагрузкам на двигатель. Охлаждающая система подводит к деталям среду для охлаждения и производит последующий отвод тепла.
Температура внутри цилиндра мотора в результате сгорания топливовоздушной рабочей смеси может достигать не только отметки около 2000 °C, но и превышать этот показатель. Главной задачей системы охлаждения становится удержание теплового состояния мотора в допустимых нормах. Эти норы соответствуют четкому среднестатистическому показателю 80-90°C.
Рекомендуем также ознакомиться с циклом статей о системе питания двигателя. Данный материал поможет Вам детально изучить систему подачи воздуха и топлива в ДВС
Перегрев двигателя приводит к тому, что допустимые рабочие зазоры нарушаются. Наблюдается повышенный износ деталей, снижение отдачи от мотора по причине худшего наполнения цилиндров топливовоздушной смесью, детонация и самостоятельное воспламенение рабочей смеси. В ряде случаев перегретый двигатель может заклинить, что приводит к закономерному разрушению отдельных деталей и дорогостоящему ремонту. Заклинивший от перегрева мотор иногда означает полный выход силового агрегата из строя. Под этим подразумевается практическая нецелесообразность его дальнейшего ремонта.
Чтобы нормализовать процесс работы двигателя в необходимых температурных рамках, детали ДВС охлаждаются после контакта с горячими газами. Может быть реализован непосредственный отвод от них тепла в атмосферу. Вторым вариантом становится использование промежуточных тел, среди которых оказывается дистиллированная вода или специальная охлаждающая жидкость (ОЖ) с высоким порогом замерзания. Автолюбители по всему миру прекрасно знакомы с названием «Антифриз», а на территории СНГ к этому добавляется еще и другой тип жидкости под названием «Тосол».
Поддержание строго определенного предела рабочей температуры ДВС необходимо еще и для того, чтобы избежать не только перегрева, но и слишком сильного охлаждения мотора. В переохлажденном двигателе топливовоздушная смесь конденсируется после контакта с холодными стенками цилиндров. После этого она стекает в картер силовой установки, что приводит к разжижению моторного масла и потере его полезных физико-химических свойств.
Совокупность этих особенностей требует от системы охлаждения жесткого ограничения температурных пределов. Только так становится возможным создать и поддерживать оптимальные условия работы силового агрегата. Современные автомобили имеют такую систему охлаждения, которая параллельно с главной функцией дополнительно обеспечивает ряд других:
- реализован прогрев воздуха, который используется в системе вентиляции, отопления и кондиционирования;
- охлаждающая система отвечает за охлаждение моторного масла применительно к системе смазки ДВС;
- отработавшие газы охлаждаются в системе рециркуляции таких газов;
- обеспечено охлаждение воздуха в турбокомпрессорных агрегатах;
- происходит охлаждение рабочей жидкости в автоматических КПП;
Виды систем охлаждения двигателя
Далее мы поговорим о таких системах, которые нашли свое применение в автомобилях и другой технике с ДВС. Системы охлаждения двигателя отличаются по способу охлаждения:
- жидкостная система закрытого типа;
- воздушная система открытого типа;
- комбинированная система охлаждения;
Естественное воздушное охлаждение
Воздушное естественное охлаждение представляет собой простейший вид охлаждения мотора. Двигатели с подобной системой отдают тепло в атмосферу через своеобразные ребра, которые выполнены на внешней поверхности цилиндров. Основным недостатком решения считается зависимость системы от низкой теплоёмкости воздуха, а также большие сложности касательно равномерности отвода избыточного тепла от двигателя.
Все это не позволяет построить мощную и одновременно компактную установку. По причине неравномерного обдува возникает необходимость исключить локальный перегрев. Конструктивно зоны ребер для охлаждения совершенствуют и наращивают в тех местах, где обдув воздуха становится менее интенсивным с учетом аэродинамических особенностей. Более разогретые каналы выпуска располагают навстречу воздушному потоку, сдвигая холодные впускные каналы к задней части.
Система естественного воздушного охлаждения встречается на мопедах, мотоциклах, на поршневых авиадвигателях и т.п. Главным преимуществом решения считается малый вес и предельная простота устройства. Стоит отметить, что для современных мотоциклов с высокофорсированными моторами воздушное охлаждение вытесняется жидкостным, а некоторые модели автомобилей, скутеры и другая техника оснащаются системой принудительного воздушного охлаждения.
Принудительное воздушное охлаждение
Двигатели, оборудованные такой системой, имеют вентилятор и ребра охлаждения. Указанное решение позволяет создать принудительный поток воздуха для обдува ребер. Сам вентилятор и поверхности с ребрами прикрыты кожухом, который направляет воздушный поток и препятствует проникновению внешнего тепла.
Главными преимуществами моторов с таким типом охлаждения принято считать простоту конструкции и небольшой вес системы, отсутствие комплекса устройств подачи и циркуляции охлаждающей жидкости. К минусам относят повышенный уровень шума при работе и большие габариты. Еще одной проблемой таких ДВС является все тот же локальный перегрев и неравномерность обдува.
Чаще всего такую систему получали компактные малолитражки. Легендарные Volkswagen Beetle, Фиат 500 и другие популярные модели с такой системой были просты в ремонте и доступны. На просторах СНГ наибольшую известность получил малолитражный компактный автомобиль ЗАЗ-965 с воздушным охлаждением, более известный под именем «Запорожец». Не меньшую популярность имели последующие «народные» модели ЗАЗ-966 и 968M, которые даже в 2015 году еще можно изредка встретить на дорогах.
Воздушное охлаждение применяли также для дизельных ДВС. Отличным примером могут послужить грузовые автомобили «Татра», которые до 2010 года получали такие силовые установки. Очень часто двигатель воздушного охлаждения представляет собой мотор с одним или двумя цилиндрами, который используется для сельскохозяйственной техники, современных скутеров, генераторов и т.д.
Система жидкостного охлаждения
В такой системе охлаждение реализовано путем отвода тепла от элементов двигателя при помощи потока жидкости. Комбинированная система охлаждения является одновременным сочетанием жидкостной и воздушной систем. Автомобили в большинстве случаев оборудованы жидкостной системой охлаждения. Указанная система способна равномерно и эффективно охлаждать мотор, демонстрирует минимальный уровень шума при работе.
Конструктивно системы жидкостного охлаждения бензинового и дизельного ДВС являются похожими. Данная система состоит из многочисленных элементов:
- радиатор ОЖ;
- масляный радиатор;
- теплообменник отопителя;
- вентилятор радиатора;
- центробежный насос (помпа);
- расширительный бачок;
- термостат;
Система охлаждения такого типа дополнительно подразумевает наличие так называемой «рубашки охлаждения» ДВС. Под «рубашкой» понимают определенную полость, которая конструктивно огибает наиболее подверженные нагреву части двигателя. Охлаждающая жидкость циркулирует по каналам-полостям и принимает на себя тепло, а затем переносит это тепло к радиатору. Далее жидкость в радиаторе охлаждается и процесс повторяется. Регулирование работы отдельных элементов в системе охлаждения обеспечивают устройства управления. Давайте подробнее рассмотрим составные части жидкостной системы охлаждения ДВС.
- Основной радиатор. Элемент обеспечивает эффективное охлаждение разогретой охлаждающей жидкости потоками воздуха. Главный радиатор устроен так, чтобы добиться максимальной теплоотдачи, в основе имеет особое трубчатое устройство.
- Масляный радиатор. Как видно из названия, масляный радиатор отвечает за охлаждение масла, которое является ключевым звеном в системе смазки двигателя.
- Радиатор системы рециркуляции отработавших газов. Указанный радиатор отвечает за охлаждение раскаленных отработавших газов. Понижение температуры продуктов сгорания топливовоздушной смеси уменьшает количество образований оксидов азота. Радиатор охлаждения отработавших газов обслуживается дополнительным насосом, который обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости. Данный элемент включен в общую схему охлаждающей системы ДВС.
- Теплообменник отопителя. Данный элемент служит для нагрева проходящего через него воздуха. Указанный теплообменник устанавливается в таком месте, чтобы максимально нагретая охлаждающая жидкость из рубашки двигателя попадала сразу в радиатор отопителя.
- Расширительный бачок. Деталь системы служит для того, чтобы компенсировать изменяющийся объем охлаждающей жидкости в результате нагрева. Систему охлаждения заполняют ОЖ через заливную горловину расширительного бачка.
- Центробежный насос (помпа). Насос отвечает за циркуляцию охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя. Такой насос имеет различную конструкцию привода, который может быть шестеренным, ременным и т.д. Существуют моторы с турбокомпрессором, в которых присутствует дополнительный насос для улучшения циркуляции ОЖ. Установка еще одного насоса продиктована необходимостью охлаждения сжатого воздуха для наддува и самой турбины. Дополнительный насос управляется ЭБУ двигателя.
- Термостат. Устройство предназначено для того, чтобы регулировать количество охлаждающей жидкости, которая проходит через радиатор. Благодаря этому становится возможным поддерживать оптимальный температурный режим.
- Вентилятор. Данный элемент системы повышает интенсивность охлаждения жидкости, которая попадает в радиатор. Устройство вентилятора может иметь различный тип привода:
- Механический. Такой тип привода означает постоянное соединение с коленвалом силового агрегата;
- Электрический. Конструкция подразумевает наличие управляемого электромоторчика вентилятора;
- Гидравлический. Реализован при помощи гидромуфты.
Самым распространенным типом привода вентилятора является электропривод. Данный тип способен обеспечить широкие возможности для его регулирования. В списке элементов управления работой системы охлаждения находятся:
- датчик температуры охлаждающей жидкости;
- электронный блок управления;
- другие исполнительные устройства;
Датчик температуры ОЖ определяет данный параметр. Далее следует преобразование показателя в электрический сигнал. Расширение функций охлаждающей системы достигается благодаря установке дополнительного температурного датчика на выходе радиатора. Это позволяет контролировать систему охлаждения отработавших газов, систему рециркуляции отработавших газов, управлять интенсивностью работы вентилятора и т.п. Датчик посылает сигналы на электронный блок управления, который преобразует их в управляющие обратные сигналы и перенаправляет на исполнительные устройства. Чаще всего под электронным блоком следует понимать не отдельное устройство, а ЭБУ двигателя, в прошивку которого включено соответствующее программное обеспечение.
Система управления состоит из нескольких типичных исполнительные устройств:
- нагреватель термостата;
- реле дополнительного насоса ОЖ;
- блок управления вентилятором радиатора;
- реле охлаждения двигателя после остановки ДВС;
Как работает жидкостное охлаждение двигателя
За алгоритм работы системы охлаждения отвечает система управления двигателем. Современные силовые агрегаты управляются на основе учета и анализа ЭБУ различных параметров, среди которых ключевыми считаются: температура охлаждающей жидкости, температура масла, наружная температура и ряд других. Блок управления задает наиболее подходящие параметры включения и определяет время работы отдельных элементов системы охлаждения применительно к различным условиям функционирования мотора.
Жидкость для охлаждения в системе циркулирует принудительно благодаря работе центробежного насоса. Сама жидкость проходит по «рубашке» охлаждения двигателя. Таким образом, двигатель эффективно и равномерно охлаждается, а охлаждающая жидкость нагревается. В «рубашке охлаждения» охлаждающая жидкость может двигаться в разных направлениях, что зависит от конструкции. Встречается движение ОЖ как в продольном направлении от первого цилиндра к последнему, так и в поперечном, когда жидкость движется от выпускного коллектора к впускному.
Для циркуляции жидкости предусмотрены два круга-большой и малый. Циркуляция по тому или иному кругу зависит от температуры жидкости. Когда двигатель запускается после простоя, тогда сам мотор и ОЖ в системе холодные. Для того чтобы двигатель быстрее нагрелся и вышел на рабочую температуру, жидкость движется только по малому кругу. Доступ для жидкости в радиатор перекрывает термостат. Малый круг подразумевает обход главного радиатора. Термостат в этот момент полностью закрыт.
Ряд двигателей с большой мощностью имеют в своей конструкции термостат, который работает благодаря электрическому подогреву. Такое решение позволят обеспечить температуру ОЖ по двухступенчатому принципу. Конструктивно термостат может быть полностью закрыт, приоткрыт и открыт максимально.
Когда двигатель испытывает пиковые нагрузки, тогда электрический подогрев нагревает термостат, тем самым реализуя полное открытие элемента. ОЖ начинает циркулировать в системе охлаждения в полном объеме, а температура охлаждающей жидкости опускается до 90°С. При такой температуре вероятность возникновения детонации двигателя минимальна. В других режимах работы мотора температурный показатель охлаждающей жидкости удерживается на отметке до 105°С. Когда температура выше, тогда термостат откроется и после этого жидкость получает возможность проникновения в радиатор (большой круг). Разогретая ОЖ в радиаторе охлаждается встречными потоками воздуха во время движения автомобиля. Если этого обдува становится недостаточно, тогда задействуется охлаждение при помощи потока воздуха от вентилятора.
Последним этапом становится очередное поступление охлажденной радиатором ОЖ в «рубашку» охлаждения двигателя. В процессе работы мотора в различных режимах движение охлаждающей жидкости является цикличным и весь процесс постоянно повторяется. Если говорить о высокофорсированных турбомоторах, то в их конструкции встречается двухконтурная система охлаждения. Такая система охлаждения с двумя контурами имеет один контур, который обеспечивает охлаждение ДВС, когда другой контур обеспечивает охлаждение воздуха, нагнетаемого турбокомпрессором.
Итоги
Широко распространены случаи протекания жидкостной системы охлаждения по причине разрушения патрубков и соединительных элементов, внутренней коррозии полостей, механических повреждений радиатора. Из строя со временем выходит вентилятор и центробежный насос (помпа), а также разрушается привод таких устройств. Не стоит забывать и о том, что система охлаждения жидкостного типа требует регулярной промывки и замены ОЖ на аналогичную надлежащего качества, а также постоянного контроля уровня охлаждающей жидкости в расширительном бачке.
