Назначение и виды системы охлаждения. Система жидкостного охлаждения
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 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:
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.
Система охлаждения двигателя служит для поддержания нормального теплового режима работы двигателей путем интенсивного отвода тепла от горячих деталей двигателя и передачи этого тепла окружающей среде.
Отводимое тепло состоит из части выделяющегося в цилиндрах двигателя тепла, не превращающейся в работу и не уносимой с выхлопными газами, и из тепла работы трения, возникающего при движении деталей двигателя.
Большая часть тепла отводится в окружающую среду системой охлаждения, меньшая часть – системой смазки и непосредственно от наружных поверхностей двигателя.
Принудительный отвод тепла необходим потому, что при высоких температурах газов в цилиндрах двигателя (во время процесса горения 1800–2400 °С, средняя температура газов за рабочий цикл при полной нагрузке 600–1000 °С) естественная отдача тепла в окружающую среду оказывается недостаточной.
Нарушение правильного отвода тепла вызывает ухудшение смазки трущихся поверхностей, выгорание масла и перегрев деталей двигателя. Последнее приводит к резкому падению прочности материала деталей и даже их обгоранию (например, выпускных клапанов). При сильном перегреве двигателя нормальные зазоры между его деталями нарушаются, что обычно приводит к повышенному износу, заеданию и даже поломке. Перегрев двигателя вреден и потому, что вызывает уменьшение коэффициента наполнения, а в бензиновых двигателях, кроме того, – детонационное сгорание и самовоспламенение рабочей смеси.
Чрезмерное охлаждение двигателя также нежелательно, так как оно влечет за собой конденсацию частиц топлива на стенках цилиндров, ухудшение смесеобразования и воспламеняемости рабочей смеси, уменьшение скорости ее сгорания и, как следствие, уменьшение мощности и экономичности двигателя.
Классификация систем охлаждения
В автомобильных и тракторных двигателях, в зависимости от рабочего тела, применяют системы жидкостного и воздушного охлаждения. Наибольшее распространение получило жидкостное охлаждение.
При жидкостном охлаждении циркулирующая в системе охлаждения двигателя жидкость воспринимает тепло от стенок цилиндров и камер сгорания и передает затем это тепло при помощи радиатора окружающей среде.
По принципу отвода тепла в окружающую среду системы охлаждения могут быть замкнутыми и незамкнутыми (проточными) .
Жидкостные системы охлаждения автотракторных двигателей имеют замкнутую систему охлаждения, т. е. постоянное количество жидкости циркулирует в системе. В проточной системе охлаждения нагретая жидкость после прохождения через нее выбрасывается в окружающую среду, а новая забирается для подачи в двигатель. Применение таких систем ограничивается судовыми и стационарными двигателями.
Воздушные системы охлаждения являются незамкнутыми. Охлаждающий воздух после прохождения через систему охлаждения выводится в окружающую среду.
Классификация систем охлаждения приведена на рис. 3.1.
По способу осуществления циркуляции жидкости системы охлаждения могут быть:
принудительными, в которых циркуляция обеспечивается специальным насосом, расположенным на двигателе (или в силовой установке), или давлением, под которым жидкость подводится в силовую установку из внешней среды;
термосифонными, в которых циркуляция жидкости происходит за счет разницы гравитационных сил, возникающих в результате различной плотности жидкости, нагретой около поверхностей деталей двигателя и охлаждаемой в охладителе;
комбинированными , в которых наиболее нагретые детали (головки блоков цилиндров, поршни) охлаждаются принудительно, а блоки цилиндров – по термосифонному принципу.
Рис. 3.1. Классификация систем охлаждения
Системы жидкостного охлаждения могут быть открытыми и закрытыми.
Открытые системы – системы, сообщающиеся с окружающей средой при помощи пароотводной трубки.
В большинстве автомобильных и тракторных двигателей в настоящее время применяют закрытые системы охлаждения, т. е. системы, разобщенные от окружающей среды установленным в пробке радиатора паровоздушным клапаном.
Давление и соответственно допустимая температура охлаждающей жидкости (100–105 °С) в этих системах выше, чем в открытых системах (90–95 °С), вследствие чего разность между температурами жидкости и просасываемого через радиатор воздуха и теплоотдача радиатора увеличиваются. Это позволяет уменьшить размеры радиатора и затрату мощности на привод вентилятора и водяного насоса. В закрытых системах почти отсутствует испарение воды через пароотводный патрубок и закипание ее при работе двигателя в высокогорных условиях.
Жидкостная система охлаждения
На рис. 3.2 показана схема жидкостной системы охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.
Рубашка охлаждения блока цилиндров 2 и головки блока 3, радиатор и патрубки через заливную горловину заполнены охлаждающей жидкостью. Жидкость омывает стенки цилиндров и камер сгорания работающего двигателя и, нагреваясь, охлаждает их. Центробежный насос 1 нагнетает жидкость в рубашку блока цилиндров, из которой нагретая жидкость поступает в рубашку головки блока и затем по верхнему патрубку вытесняется в радиатор. Охлажденная в радиаторе жидкость по нижнему патрубку возвращается к насосу.
Рис.
3.2. Схема жидкостной системы охлаждения
Циркуляция жидкости в зависимости от теплового состояния двигателя изменяется с помощью термостата 4. При температуре охлаждающей жидкости ниже 70–75 °С основной клапан термостата закрыт. В этом случае жидкость не поступает в радиатор 5 , а циркулирует по малому контуру через патрубок 6, что способствует быстрому прогреву двигателя до оптимального теплового режима. При нагревании термочувствительного элемента термостата до 70–75 °С основной клапан термостата начинает открываться и пропускать воду в радиатор, где она охлаждается. Полностью термостат открывается при 83–90 °С. С этого момента вода циркулирует по радиаторному, т. е. большому, контуру. Температурный режим двигателя регулируется также с помощью поворотныхжалюзей, путем изменения воздушного потока, создаваемого вентилятором 7 и проходящего через радиатор.
В последние годы наиболее эффективным и рациональным способом автоматического регулирования температурного режима двигателя является изменение производительности самого вентилятора.
Элементы жидкостной системы
Термостат предназначен для обеспечения автоматического регулирования температуры охлаждающей жидкости во время работы двигателя.
Для быстрого прогрева двигателя при его пуске устанавливают термостат в выходном патрубке рубашки головки блока цилиндров. Он поддерживает желательную температуру охлажда-ющей жидкости путем изменения интенсивности ее циркуляции через радиатор.
На рис. 3.3 представлен термостат сильфонного типа. Он состоит из корпуса 2, гофрированного цилиндра (сильфона), клапана 1 и штока, соединяющего сильфон с клапаном. Сильфон изготовлен из тонкой латуни и заполнен легкоиспаряющейся жидкостью (например, эфиром или смесью этилового спирта и воды). Расположенные в корпусе термостата окна 3 в зависимости от температуры охлаждающей жидкости могут или оставаться открытыми, или быть закрытыми клапанами.
При температуре охлаждающей жидкости, омывающей сильфон, ниже 70 °С клапан 1 закрыт, а окна 3 открыты. Вследствие этого охлаждающая жидкость в радиатор не поступает, а циркулирует внутри рубашки двигателя. При повышении температуры охлаждающей жидкости выше 70 °С сильфон под давлением паров испаряющейся в нем жидкости удлиняется и начинает открывать клапан 1 и постепенно прикрывать окна клапанами 3. При температуре охлаждающей жидкости выше 80–85 °С клапан 1 полностью открывается, окна же полностью закрываются, вследствие чего вся охлаждающая жидкость циркулирует через радиатор. В настоящее время данный тип термостатов применяется очень редко.
Рис. 3.3. Термостат сильфонного типа
Сейчас в двигателях устанавливают термостаты, в которых заслонка 1 открывается при расширении твердого наполнителя – церезина (рис. 3.4). Это вещество расширяется при повышении температуры и открывает заслонку 1 , обеспечивая поступление охлаждающей жидкости в радиатор.
Рис.
3.4. Термостат с твердым наполнителем
Радиатор является теплорассеивающим устройством, предназначенным для передачи тепла охлаждающей жидкости окружающему воздуху.
Радиаторы автомобильных и тракторных двигателей состоят из верхнего и нижнего резервуаров, соединенных между собой большим количеством тонких трубок.
Для усиления передачи тепла от охлаждающей жидкости воздуху поток жидкости в радиаторе направляют через ряд обдуваемых воздухом узких трубок или каналов. Радиаторы изготовляют из материалов, хорошо проводящих и отдающих тепло (латуни и алюминия).
В зависимости от конструкции охлаждающей решетки радиаторы делят на трубчатые, пластинчатые и сотовые.
В настоящее время наибольшее распространение получили трубчатые радиаторы . Охлаждающая решетка таких радиаторов (рис. 3.5а) состоит из вертикальных трубок овального или круглого сечения, проходящих через ряд тонких горизонтальных пластин и припаянных к верхнему и нижнему резервуарам радиатора. Наличие пластин улучшает теплопередачу и повышает жесткость радиатора. Трубки овального (плоского) сечения предпочтительнее, так как при одинаковом сечении струи поверхность охлаждения их больше, чем поверхность охлаждения круглых трубок; кроме того, при замерзании воды в радиаторе плоские трубки не разрываются, а лишь изменяют форму поперечного сечения.
Рис. 3.5. Радиаторы
В пластинчатых радиаторах охлаждающая решетка (рис. 3.5б) устроена так, что охлаждающая жидкость циркулирует в пространстве, образованном каждой парой спаянных между собой по краям пластин. Верхние и нижние концы пластин, кроме того, впаяны в отверстия верхнего и нижнего резервуаров радиатора. Воздух, охлаждающий радиатор, просасывается вентилятором через проходы между спаянными пластинами. Для увеличения поверхности охлаждения пластины обычно выполняют волнистыми. Пластинчатые радиаторы имеют большую охлаждающую поверхность, чем трубчатые, но вследствие ряда недостатков (быстрое загрязнение, большое количество паяных швов, необходимость более тщательного ухода) применяются сравнительно редко.
Сотовый радиатор относится к радиаторам с воздушными трубками (рис. 3.5в). В решетке сотового радиатора воздух проходит по горизонтальным, круглого сечения трубкам, омываемым снаружи водой или охлаждающей жидкостью. Чтобы сделать возможной спайку концов трубок, края их развальцовывают так, что в сечении они имеют форму правильного шестиугольника.
Достоинством сотовых радиаторов является большая, чем в радиаторах других типов, поверхность охлаждения. Из-за ряда недостатков, большинство из которых те же, что и у пластинчатых радиаторов, сотовые радиаторы в настоящее время встречаются крайне редко.
В пробке заливной горловины радиатора установлен паровой клапан 2 и воздушный клапан 1 , которые служат для поддержания давления в заданных пределах (рис. 3.6).
Рис.
3.6. Пробка радиатора
Водяной насос обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости в системе. Как правило, в системах охлаждения устанавливают малогабаритные одноступенчатые центробежные насосы низкого давления производительностью до 13 м 3 /ч, создающие давление 0.05–0.2 МПа. Такие насосы конструктивно просты, надежны и обеспечивают высокую производительность (рис. 3.7).
Корпус и крыльчатку насосов отливают из магниевых, алюминиевых сплавов, крыльчатку, кроме того, – из пластмасс. В водяных насосах автомобильных двигателей обыкновенно применяют полузакрытые крыльчатки, т. е. крыльчатки с одним диском.
Крыльчатки центробежных водяных насосов часто монтируют на одном валике с вентилятором. В этом случае насос устанавливают в верхней передней части двигателя, приводится он в движение от коленчатого вала при помощи клиноременной передачи.
Рис.
3.7. Водяной насос
Ременную передачу можно применять и при установке центробежного насоса отдельно от вентилятора. В некоторых двигателях грузовых автомобилей и тракторов привод водяного насоса осуществляется от коленчатого вала шестеренчатой передачей. Вал центробежного водяного насоса устанавливают обычно на подшипниках качения и снабжают для уплотнения рабочей поверхности простыми или саморегулирующимися сальниками.
Вентилятор в жидкостных системах охлаждения устанавливают для создания искусственного потока воздуха, проходящего через радиатор. Вентиляторы автомобильных и тракторных двигателей делят на два типа: а) со штампованными из листовой стали лопастями, прикрепленными к ступице; б) с лопастями, которые отлиты за одно целое со ступицей.
Число лопастей вентилятора изменяется в пределах четырех – шести. Увеличение числа лопастей выше шести нецелесообразно, так как производительность вентилятора при этом увеличивается крайне незначительно. Лопасти вентилятора можно выполнять плоскими и выпуклыми.
Вопрос38: Система охлаждения. Виды. Назначение, устройство, принцип действия.
Система охлаждения служит для отвода тепла от наиболее нагретых деталей двигателя, поддерживая в системе оптимальную температуру (80-95 C).
Существуют следующие виды систем охлаждения :
жидкостная (применяется закрытая жидкостная система охлаждения, связанная с атмосферой через клапан. Избыточное давление в системе позволяет увеличить температуру кипения жидкости, что исключает излишнее парообразование.)
воздушная (открытого типа);
комбинированная.
Схема жидкостной системы охлаждения:
1) Жидкостной циркуляционный насос (помпа)
2) Нагреватель жидкости (рубашка охлаждения блока цилиндров и головки блока)
3) Термостат
3а) Перепускной клапан
3б) Основной (радиаторный) клапан
3в) Термочувствительный элемент
4) Блок подогрева карбюратора и впускного коллектора
5) Указатель температуры
6) Радиатор отопителя салона
6а) Кран управления радиатора
7) Основной радиатор
8) Вентилятор с электродвигателем
9) Расширительный бачок
10) Пробка расширительного бачка
10а) Паровой клапан
10б) Воздушный клапан
11) Клапан слива охлаждающей жидкости
При запуске двигателя жидкость циркулирует по малому кругу:
насос (1) нагреватель (2) открытый клапан (3а) насос (1)
При прогреве двигателя ~80C клапан (3а) прикрывается, а клапан (3б) открывается. Работают оба круга циркуляции. При превышении 90С клапан (3а) полностью закрыт, а (3б) полностью открыт и вся жидкость циркулирует по большому кругу.
Система охлаждения предназначена для поддержания нормального теплового режима двигателя. При работе двигателя температура в его цилиндрах поднимается выше 2000 градусов, а средняя составляет 800 - 900оС! Если не отводить тепло от «тела» двигателя, то через несколько десятков секунд после запуска, он станет уже не холодным, а безнадежно горячим. Следующий раз вы сможете запустить свой холодный двигатель только после его капитального ремонта. Система охлаждения нужна для отвода тепла от механизмов и деталей двигателя, но это только половина ее предназначения, правда - большая половина. Для обеспечения нормального рабочего процесса также важно - ускорять прогрев холодного двигателя. И это вторая часть работы системы охлаждения. Как правило, применяется жидкостная система охлаждения, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости и расширительным бачком (рис. 25).
Система охлаждения состоит из:
рубашки охлаждения блока и головки блока цилиндров,
центробежного насоса,
термостата,
радиатора с расширительным бачком,
вентилятора,
соединительных патрубков и шлангов.
На рисунке 25 Вы без труда можете различить два круга циркуляции охлаждающей жидкости. Малый круг циркуляции (стрелки красного цвета) служит для скорейшего прогрева холодного двигателя. А когда к красным стрелкам присоединяются синие, то, уже нагревшаяся жидкость, начинает циркулировать и по большому кругу, охлаждаясь в радиаторе. Руководит этим процессом автоматическое устройство – термостат. Для контроля за работой системы, на щитке приборов имеется указатель температуры охлаждающей жидкости. Нормальная температура охлаждающей жидкости при работе двигателя должна быть в пределах 80- 90оС (см. рис. 63). Рубашка охлаждения двигателя состоит из множества каналов в блоке и головке блока цилиндров, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Насос центробежного типа заставляет жидкость перемещаться по рубашке охлаждения двигателя и всей системе. Насос приводится в действие ременной передачей от шкива коленчатого вала двигателя. Натяжение ремня регулируется отклонением корпуса генератора (см. рис. 59а) или натяжным роликом привода распределительного вала двигателя (см. рис. 11б). Термостат предназначен для поддержания постоянного оптимального теплового режима двигателя. При пуске холодного двигателя термостат закрыт, и вся жидкость циркулирует только по малому кругу (рис. 25) для скорейшего ее прогрева. Когда температура в системе охлаждения поднимается выше 80 - 85О, термостат автоматически открывается и часть жидкости поступает в радиатор для охлаждения. При больших температурах термостат открывается полностью и уже вся горячая жидкость направляется по большому кругу для ее активного охлаждения. Радиатор служит для охлаждения проходящей через него жидкости за счет потока воздуха, который создается при движении автомобиля или с помощью вентилятора. В радиаторе имеется множество трубок и «перепонок», которые образуют большую площадь поверхности охлаждения. Расширительный бачок необходим для компенсации изменения объема и давления охлаждающей жидкости при ее нагреве и охлаждении. Вентилятор предназначен для принудительного увеличения потока воздуха проходящего через радиатор движущегося автомобиля, а также для создания потока воздуха в случае, когда автомобиль стоит без движения с работающим двигателем. Применяются два типа вентиляторов: постоянно включенный, с ременным приводом от шкива коленчатого вала и электровентилятор, который включается автоматически, когда температура охлаждающей жидкости достигает приблизительно 100 градусов. Патрубки и шланги служат для соединения рубашки охлаждения двигателя с термостатом, насосом, радиатором и расширительным бачком. В систему охлаждения двигателя включен также и отопитель салона. Горячая охлаждающая жидкость проходит через радиатор отопителя и нагревает воздух, подающийся в салон автомобиля. Температура воздуха в салоне регулируется специальным краном, которым водитель прибавляет или уменьшает поток жидкости, проходящий через радиатор отопителя.
Воздушное охлаждение.
Вентилятор направляет воздух вокруг оребренных стенок цилиндра. Преимущества: надежность, почти полное отсутствие ТО. Недостатки: увеличение массы и стоимости, недостаточное охлаждение при малых скоростях, неравномерность отвода тепла.
Нормальное функционирование силовой установки автомобиля возможно только при определенном температурном режиме. Для большинства авто оптимальный диапазон температуры составляет 80-90 град. С. При более низком показателе ухудшается смесеобразование в цилиндрах, а высокая температура приводит к расширению металла, что может стать причиной заклинивания узлов.
Общее устройство системы охлаждения
Чтобы температура силовой установки была в оптимальном диапазоне, в конструкцию мотора включена система охлаждения. Именно благодаря ей обеспечивается отвод тепла от самых разогреваемых элементов — цилиндров.
Виды систем охлаждения
Всего на двигателях внутреннего сгорания используется два типа охлаждения – воздушное и жидкостное.
Воздушная система охлаждения, ее конструкция, недостатки
Устройство воздушной системы охлаждения двигателя
В силу ряда недостатков на автомобильном транспорте воздушная система широкого распространения не получила, хотя конструктивно она значительно проще, чем жидкостная. Основным ее элементом являются ребра охлаждения на цилиндрах.
Тепло, выделяемое от цилиндров, распространялось на эти ребра, а проходящий через них поток воздуха осуществлял его отвод. Для создания потока дополнительно конструкция системы могла включать турбину – специальную крыльчатку, с приводом от коленчатого вала и рукав, которым создаваемый поток воздуха направлялся на цилиндры. Это вся конструкция воздушной системы.
На автотранспорте воздушная система практически не используется потому, что:
- невозможна регулировка температурного режима (зимой мотор не выходил на необходимую температуру, а летом – очень быстро перегревался);
- чтобы обеспечить равномерное распределение потока воздуха, каждый цилиндр стоял отдельно;
- во время стоянки с заведенным мотором даже при наличии турбины поток воздуха очень слабый, что приводит к быстрому перегреву;
- невозможно организовать обогрев салона.
Из-за этих недостатков воздушная система на автомобилях не применяется, хотя единичные случаи все же были – ЗАЗ-968 «Запорожец» как раз и имел такую систему охлаждения. Зато она широко используется на мототранспорте и технике, оснащенной 2-тактными моторами (бензопилы, мотокосы, мотоблоки и т. д.).
Видео: Система охлаждения двигателя. Устройство и принцип работы
Устройство, конструкция, принцип работы
Жидкостная система охлаждения
Достоинством жидкостной системы охлаждения как раз и является возможность поддержания температуры в заданном диапазоне, поэтому она лучше воздушной. Но конструкция этой системы значительно сложнее.
В ее состав входит:
- Рубашка охлаждения
- Водяной насос
- Термостат
- Радиаторы
- Соединяющие патрубки
- Вентилятор
При этом основным рабочим элементом такой системы является специальная жидкость – , при помощи которой и осуществляется отвод тепла. Раньше вместо него использовалась обычная вода, но из-за низкого температурного порога замерзания и образования накипи от воды постепенно отказались.
1. Рубашка охлаждения
Рубашка охлаждения – специальная система каналов в блоке цилиндров и головке блока, по которой движется жидкость. Если рассматривать все по-простому, то выглядит это так: имеется блок, в который устанавливаются цилиндры, а также основные узлы и механизмы. Поверх этого блока сделана оболочка, а пространство между ними и используется как каналы для движения жидкости. Такая конструкция позволяет жидкости омывать цилиндры, проходить рядом с узлами, установленными в блоке и головке, что обеспечивает отвод тепла от них.
2. Помпа
Так выглядит водяная помпа
В рубашку охлаждения установлена водяная помпа. Она состоит из приводного зубчатого колеса (шкива) и крыльчатки, которая помещается внутрь рубашки, посаженных на одну ось. Привод ее осуществляется от коленчатого вала при помощи ремня.
Именно водяной насос и обеспечивает циркуляцию жидкости по системе. Получая вращение от коленчатого вала, крыльчатка заставляет двигаться жидкость по каналам рубашки.
3. Радиатор
При этом антифриз циркулирует не только по рубашке. Если бы так и было, то жидкости некуда было бы отдавать тепло, то есть . Чтобы этого не происходило, в конструкцию включен .
Представляет он собой конструкцию из двух бачков – в один подается жидкость из рубашки, а из второго она возвращается обратно. Эти бачки между собой соединены большим количеством трубок, по которым жидкость перемещается между ними. Чтобы , радиатор изготавливают из металлов, обладающих высокой теплопроводностью (медь, алюминий, латунь). Также чтобы повысить теплообмен между трубками располагаются специальные ленты, уложенные определенным образом и имеющие большое количество мест контакта с трубками.
Жидкость, проходя через трубки, часть тепла отдает лентам. Проходящий сквозь радиатор воздух отбирает тепло и отводит его в окружающую среду. Для обеспечения хорошего потока воздуха радиатор устанавливают в передней части авто. Радиатор с рубашкой охлаждения соединяется при помощи резиновых патрубков.
Отдельно отметим, что благодаря жидкостной системе удалось обеспечить и . Для этого в систему охлаждения включили еще один радиатор, который поместили в салоне. Конструктивно он такой же, как и основной радиатор, но по габаритам меньше. Поток воздуха же для него создается при помощи электромотора с вентилятором.
Видео: Перегрев двигателя. Последствия перегрева.
4. Термостат
Система охлаждения должна обеспечивать максимально быстрый выход силовой установки на оптимальный температурный режим. И чтобы это обеспечить, в конструкцию включен термостат. Чтобы понять, для чего он нужен – немного теории.
Если бы конструкция системы состояла только из рубашки и насоса, то двигатель очень быстро бы перегревался, поскольку жидкость двигалась только по каналам в блоке и отвести тепло ей было бы некуда.
Устройство и принцип работы термостата
Чтобы избежать этого в конструкцию включили радиатор. Но из-за его наличия объем увеличивался, к тому же назначение радиатора – отвод тепла, поэтому двигатель очень долго будет выходить на нужную температуру, особенно в зимний период.
Для обеспечения быстрого выхода на необходимую температуру, систему охлаждения разделили на два кольца – малое (задействованы только рубашка охлаждения и насос) и большое (рубашка + насос + радиатор).
Разделением на кольца и занимается термостат. Представляет он собой клапан, который срабатывает от повышения температуры. На разных авто температура его срабатывания отличается, но в целом он работает в диапазоне – 85-95 град. С.
Корпус термостата располагается обычно на блоке цилиндров возле канала, ведущего на радиатор. Пока температура мотора низкая, термостат перекрывает этот канал и жидкость перемещается только по рубашке. По мере повышения температуры этот клапан начинает постепенно открываться, пуская жидкость уже по большому кольцу, с задействованием радиатора. При достижении определенного температурного значения он открывается полностью, и жидкость уже движется только по большому кольцу.
5. Вентилятор, датчики
Принцип работы вентилятора системы охлаждения
Бывает так, что потока воздуха недостаточно, чтобы обеспечить нормальный отвод тепла от радиатора. К примеру, такое случается в пробке, когда двигатель постоянно работает, а вот встречного потока воздуха нет, поскольку авто обездвижено.
Чтобы не дать жидкости перегреться, используется вентилятор, создающий принудительно поток воздуха. Размещается он за основным радиатором и приводится в движение электромотором. Включение же его в работу осуществляется за счет установленного в радиаторе температурного датчика.
Дополнительно в конструкцию входит также температурный , который передает данные о температуре на приборную панель в салоне, поэтому водитель может постоянно контролировать температурный режим мотора и своевременно заметить появление неисправности, из-за чего температура мотора «пошла вверх».
Основные неисправности системы охлаждения
Неисправностей у системы охлаждения двигателя не так уж и много, но последствия от них могут быть очень серьезными. Основными из них являются:
- Утечка охлаждающей жидкости;
- Неисправность насоса, термостата;
- Повреждение проводки датчиков.
Видео: Все причины перегрева и кипения двигателя. Устранение причин перегрева двигателя ВАЗ НИВА
Утечка жидкости может произойти из-за пробоя рубашки охлаждения, прокладки ГБЦ, резиновых патрубков, радиатора или же из-за ненадежного крепления мест соединения.
Выявить эту неисправность несложно, поскольку в результате утечки под авто будет образовываться лужа из охлаждающей жидкости. Если своевременно не устранить течь, то большая часть охлаждающей жидкости может вытечь, и система уже не сможет поддерживать температурный режим.
Поломка насоса зачастую связана . Сопровождается это следами подтеков со стороны привода, повышенным шумом при работе мотора, неравномерным износом приводного ремня.
Если своевременно не заменить насос, то существует вероятность, что он заклинит и порвет приводной ремень, а это уже чревато достаточно серьезными проблемами, поскольку зачастую этим ремнем приводится в работу и ГРМ.
Проблема с термостатом обычно связана с тем, что он заклинивает в каком-то одном положении. Из-за этого перевод жидкости между кольцами не осуществляется, она движется либо только по малому, либо по большому кругу.
Повреждение же проводки или датчиков приводит к тому, что показания на приборную панель не передаются или не соответствуют действительности, а вентилятор не включается в требуемый момент или же работает постоянно, из-за чего нарушается температурный режим.
