Размещено на http://www.allbest.ru/

Назначение систем охлаждения

Температура газов в камере сгорания в момент воспламенения смеси превышает 2700К (2500°С). Такая температура при отсутствии искусственного охлаждения привела бы к сильному нагреву деталей двигателя и их разрушению, вообще нарушение теплового баланса влияет как износ двигателя, так и на экономичность ого работы в плане расхода ГСМ. Поэтому система охлаждение двигателя является одной из основных систем автомобиля. Система охлаждения обеспечивает охлаждение деталей, соприкасающихся с горячими газами. Охлаждение может производиться водой, воздухом, а также маслом и топливом (охлаждение поршней, насос - форсунок). В зависимости от принятого способа охлаждения в данную группу входят различные устройства и механизмы для подвода охладителя к деталям и тепло - газообменники.

При воздушном охлаждении не требуются радиатор, водяной насос и трубопроводы, отпадает опасность «размораживания» двигателя зимой при заправке системы охлаждения водой. Поэтому, несмотря на повышенную затрату мощности, на приведение в действие вентилятора и затрудненный пуск при низкой температуре, воздушное, охлаждение применяют на легковом автомобиле ЗАЗ-968М «Запорожец» и ряде зарубежных автомобилей.

Жидкостная система охлаждения заполняется водой или антифризом (смесью воды с этиленгликолем), не замерзающим при температуре до 233 К (-40°С).

При чрезмерном охлаждении двигателя увеличиваются потери тепла с охлаждающей жидкостью, не полностью 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 происходит 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 быть 360-375 К (85-100°С).

В автомобильных двигателях применяют принудительную (насосную) систему жидкостного охлаждения. Такая система включает рубашки охлаждения цилиндров и головок цилиндров, радиатор 13 (рис. 1), водяной насос 2, вентилятор 1, жалюзи 14, термостат 5, сливные краны 11 и 12, указатели температуры охлаждающей жидкости.

Жидкость, циркулирующая в системе охлаждения, воспринимает тепло от стенок цилиндров и их головок и передает 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 (выпускные клапаны, свечи зажигания, стенки камеры сгорания).

Система охлаждения двигателя обычно используется для подогрева впускного трубопровода, охлаждения компрессора 3 и отопления кабины или пассажирского помещения кузова. Отопительная система состоит из радиатора 9, вентилятора, воздухораспределительных труб и рукояток управления.

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.

Устройство, работа и конструктивные особенности систем жидкостного охлаждения

Радиатор 13 (см. рис. 1) предназначен для охлаждения горячей воды, выходящей из рубашки охлаждения двигателя. Располагается он впереди двигателя. Трубчатый радиатор состоит из верхнего и нижнего бачков, соединенных между собой тремя-четырьмя рядами латунных трубок. Поперечно расположенные горизонтальные пластины придают радиатору жесткость и увеличивают поверхность охлаждения.

Рис. 1. Система жидкостного охлаждения двигателя: 1 - вентилятор, 2 - водяной насос, 3 - компрессор; 4 - перепускной шланг, 5 - термостат, б - кран отопителя, 7, в-подводящий и отводящий трубопроводы, В-радиатор отопителя, 10 - датчик указателя температуры охлаждающей жидкости, II, 12-сливные краны, 13-радиатор, 14 - жалюзи

Радиаторы двигателей ЗМЗ-53 и ЗИЛ-130 трубчато-ленточные со змейковыми охлаждающими пластинами (лентами), расположенными между трубками. Системы охлаждения этих двигателей, закрытые, поэтому пробки радиатора имеют паровой 1 и воздушный 2 клапаны (рис. 2, а, б).

Паровой клапан 1 открывается при избыточном давлении 0,045-0,055 МПа (0,45-0,55 кгс/см²) (ЗМЗ-24, ЗМЗ-53). При открытии клапана избыток воды или пара отводится через пароотводную трубку. Воздушный клапан 2 предохраняет радиатор от сжатия давлением воздуха и открывается при охлаждении воды, когда давление в системе снижается на 0,01 МПа (0,10 кгс/см²).

Рис. 2. Пробка радиатора (а, б), вентилятор и центробежный насос: а - открыт паровой клапан 1, б открыт воздушный клапан 2, в-вентилятор и центробежный насос системы охлаждения двигателя ЗИЛ-130; 1-лопасть вентилятора, 2 - шкив, 3 - ступица шкива вентилятора, 4 - втулка шкива, 5 - подшипник, б - вал насоса, 7 - крыльчатка, в-корпус насоса, в-резиновый уплотнитель сальника, 10 - текстолитовая шайба, 1I - обойма сальника, 12-подводящий патрубок

Для слива жидкости из системы охлаждения открывают сливные краны 11 (см. рис. 1) блоков цилиндров и сливной кран 12 патрубка радиатора, а также пробку радиатора или расширительного бачка. У двигателей ЗИЛ сливные краны блоков цилиндров и патрубка радиатора имеют дистанционное управление. Рукоятки кранов выведены в подкапотное пространство над двигателем.

На автомобилях КамАЗ-5320 устанавливают расширительный бачок, предназначенный для компенсации изменений объема жидкости, происходящих при работе двигателя. Впускной и выпускной клапаны размещаются в пробке этого бачка. На бачке имеется кран для контроля уровня антифриза Тосол-А40 или Тосол-А65, которым заправляется система охлаждения. В связи с использованием антифриза вместо сливных краников установлены резьбовые конические пробки.

Расширительные бачки устанавливают также в системе охлаждения двигателей автомобилей «Жигули» и ГАЗ-24 «Волга».

Жалюзи 14 (см. рис. 1) створчатого типа предназначены для изменения количества воздуха, проходящего через радиатор. Управляет ими водитель с помощью троса и рукоятки, выведенной в кабину.

Водяной насос (рис. 2, в) служит для создания циркуляции воды в системе охлаждения. Он состоит из корпуса 8. вала б, крыльчатки 7 и самоуплотняющегося сальника. Располагается насос обычно в передней части блока цилиндров и имеет привод клиновидным ремнем от коленчатого вала двигателя. Шкив 2 приводит во вращение одновременно крыльчатку 7 водяного насоса и ступицу 3 вентилятора.

Самоуплотняющийся сальник состоит из резинового уплотнителя 9, графитизированной текстолитовой шайбы 10, обоймы 11 и пружины, прижимающей шайбу 10 к торцу подводящего патрубка 12.

Вентилятор предназначен для усиления потока воздуха, проходящего через радиатор. Вентилятор имеет обычно четыре-шесть лопастей 1. Для снижения шума лопасти располагают Х-образно, попарно под углом 70 и 110°. Изготовляют лопасти из листовой стали или пластмассы («Москвич-2140», ГАЗ-24 «Волга»).

Лопасти имеют отогнутые концы (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130), что улучшает вентиляцию подкапотного пространства и повышает производительность вентиляторов. Иногда вентилятор располагают в кожухе, который способствует повышению скорости воздуха, просасываемого через радиатор.

Для уменьшения мощности, необходимой для привода вентилятора, и улучшения работы системы охлаждения применяют вентиляторы с электромагнитной муфтой. Эта муфта автоматически отключает вентилятор, когда температура воды в верхнем бачке радиатора ниже 350-358 К (78 85°С).

В привод вентилятора двигателя КамАЗ-740 включена гидромуфта, обеспечивающая плавную передачу вращения от коленчатого вала к вентилятору.

Гидромуфта включается автоматически: по мере увеличения температуры Жидкости в системе охлаждения активная масса, находящаяся в баллоне включателя, плавится, и объем ее увеличивается, а это вызывает перемещение золотника, открывающего доступ масла из системы смазки в гидромуфту, Частота вращения вентилятора зависит от количества масла, поступающего в гидромуфту. При прекращении подачи масла вентилятор отключается. В настоящее время стремительно развиваются «разумные» системы регулирования температуры охлаждающей жидкости т.к., например классический постоянный привод вентилятора и водяного насоса отнимает часть мощности двигателя при этом на относительно больших установившихся скоростях (движение по шоссе) зачастую работа вентилятора не нужна. Поэтому ниже будут описаны некоторые системы разумных вентиляторов.

Вентилятор - неотъемлемая часть системы охлаждения любого современного двигателя. При жидкостном охлаждении он просасывает воздух через радиатор, а при воздушном - подает этот самый воздух (здесь он выступает в роли охлаждающего тела) к нагретым частям мотора. И можно сказать, с момента появления вентиляторов инженеры решают, как сделать его привод оптимальным. Познакомимся с результатами из усилий.

Рис. 3. Привод вентилятора с упругой муфтой: 1 - вентилятор; 2 - упругая муфта; 3 - шкив; 4 - шестерня привода вентилятора

Простейшая конструкция привода вентилятора хорошо известна - клиновым ремнем от шкива, установленного на носке коленчатого вала. Но простое не всегда означает самое лучшее. Вентилятор работает постоянно, а значит, постоянно шумит, потребляет мощность, главное, охлаждает двигатель независимо от его температурного режима. Именно большая потребляемая мощность побудила отказаться от ременного привода в пользу шестерен на тяжелых двигателях. Чтобы привод не испытывал больших нагрузок при резкой смене режимов работы мотора (не забудьте - вентилятор тоже своего рода маховик и момент инерции его отнюдь не мал), устанавливают фрикционные, гидравлические или упругие резиновые муфты (рис. 3). Теперь о том, как заставить вентилятор работать таким образом, чтобы зря не остужать холодный двигатель, и интенсивно трудиться, когда мотору жарко. Одной из самых первых и простых систем регулирования была… замена вентилятора. В жаркое время года использовалась крыльчатка большей производительности, зимой - меньшей. Само собой, что регулирование осуществлялось очень грубо - вряд ли можно представить себе водителя, выбирающего вентиляторы в соответствии с прогнозом погоды и меняющего их чуть ли не ежедневно.

Рис. 4. Электромагнитная муфта включения вентилятора: 1 - шкив; 2 - контактное кольцо; 3 - угольная щетка; 4 - стальное кольцо; 5 - плоская пружина; 6 - вентилятор; 7 - электромагнит

Такая система не решает и другой важной проблемы. Понятно, что конструкция вентилятора и его привода должна обеспечивать достаточное охлаждение, начиная с самых низких оборотов коленчатого вала. На больших же оборотах при жесткой механической связи это приведет к огромному перерасходу энергии: скажем, для машины среднего класса такой вентилятор на максимальных оборотах «съедал» бы около 8 кВт мощности двигателя, в то время как достаточная в таких условиях - не превышает 3-3,5 кВт. В этом причина того, что жесткая механическая передача в наше время почти не применяется.

Как известно, устройства, передающие и преобразующие крутящий момент, в технике называют трансмиссиями, значит, привод вентилятора тоже трансмиссия. Интересно, что многие конструкции, призванные решать указанную выше проблему этого привода, обладают определенным сходством с «большой» трансмиссией автомобиля, передающей крутящий момент на его колеса. Здесь мы можем найти и сцепления, и гидромуфты, и вискомуфты (вязкостные муфты, напомним, сейчас нередко используют вместо межосевого дифференциала), и электрический привод. Рассмотрим наиболее распространенные из этих систем.

Электромагнитное сцепление (рис. 4) автоматически включает вентилятор по достижении определенной температуры охлаждающей жидкости.

Такая система применялась на автомобилях ГАЗ-24 ранних серий и многих современных им зарубежных. В этой системе на шкиве помещали мощный кольцевой соленоид. Когда срабатывает датчик, цепь соленоида замыкается и металлическое кольцо, связанное с вентилятором через пластинчатые пружины, примагничивается к шкиву: вентилятор включен и работает до тех пор, пока температура не снизится и управляющий датчик не снимет питания с электромагнита. Подобный же принцип реализован и в автомобилях с поперечным расположением двигателя: датчик температуры включает электродвигатель вентилятора.

В последнее время появились двухскоростные электродвигатели, позволяющие обеспечить ступенчатое регулирование: вентилятор отключен, работает в частичном режиме или на полную производительность. Есть машины и с двумя вентиляторами, которые вводятся в работу последовательно. Попутно заметим, что на тяжелых грузовых машинах и автобусах электровентиляторы - редкость. Представьте себе мощность электрооборудования (генератора, аккумулятора), которая потребуется, чтобы обеспечить необходимые такому вентилятору 10-12кВт. Вот почему здесь все еще царствует «чистая» механика.

На популярных автобусах «Икарус» ставят фрикционную муфту с пневмоприводном - своего рода сцепление, только на условную педаль здесь нажимает не нога, а сжатый воздух. Регулирование включения-отключения осуществляется, естественно, в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.

двигатель охлаждение муфта вентилятор

Рис. 5. Вискомуфта вентилятора: 1 - крышка камеры; 2 - лепестковый клапан; 3 - биметаллический терморегулятор; 4 - крышка муфты; 5 - корпус муфты; 6 - ведущий диск; А - резервная полость

Самые сложные системы умеют плавно регулировать скорость вентилятора. На многих легковых автомобилях (в качестве примера назовем большинство БМВ, «Мерседесов»), а также на некоторых грузовиках (в том числе и на отечественном ЗИЛ-4331) в привод вентилятора встроена вискомуфта (рис. 5).

Коротко познакомим с работой такого устройства. Пока мотор не прогрелся, рабочая полость муфты пуста - специальная силиконовая жидкость находится в резервной полости. Двигатель прогревается, термоэластичная пластина постепенно открывает клапан, жидкость поступает в рабочую полость, и, когда проскальзывает между дисками, ее вязкость растет - муфта начинает передавать момент. С ростом температуры рабочая полость заполняется все больше, обороты вентилятора увеличиваются. Таким вот образом плавно регулируется производительность вентилятора. Вискомуфта сконструирована так, что на малых оборотах ее проскальзывание невелико, а при высоких - вентилятор заметно отстает. Это, повторим, позволяет заметно экономить энергию (а значит, и топливо) на высокой скорости, когда обдув радиатора достаточен.

На тяжелых дизельных двигателях для бесступенчатого регулирования оборотов в механике привода нередко используется гидравлическая муфта (рис. 6), подобная той, что работает в автоматических коробках передач. Обороты вентилятора изменяются здесь в зависимости от заполнения полости между ведущим и ведомым колесами муфты. Количество масла, которое поступает из системы смазки двигателя, регулируется автоматически по температуре охлаждающей жидкости.

Гидромуфта используется и на некоторых двигателях воздушного охлаждения, например на известных у нас с давних пор дизелях «Дойц», стоявших на грузовых автомобилях «Магирус». Охлаждающей жидкости в «воздушнике», понятное дело, нет, и подачей масла в муфту управляет терморегулятор, который учитывает температуру воздуха на выходе из системы охлаждения и температуру выхлопных газов. Работа системы зависит и от температуры масла: с ростом ее вязкость последнего снижается, а значит, горячего (и жидкого) масла в рабочую полость муфты поступает больше. Интересная особенность: корпус муфты одновременно служит центрифугой для очистки масла.

Рис. 6. Гидромуфта привода вентилятора: 1 - шкив; 2 - ступица вентилятора; 3 - ведущее колесо гидромуфты; 4 - ведомое колесо гидромуфты; 5 - трубки подачи масла в рабочую полость; 6 - ведущий вал; А - рабочая полость

На современных легковых автомобилях, легких грузовиках и микроавтобусах радиатор двигателя чаще всего оснащают электрическим вентилятором (рис. 7), у которого немало преимуществ по сравнению с механическим. Электрический включается только по достижении некоего верхнего предела температуры, а когда она придет в норму, тут же выключается.

Результат - более стабильный температурный режим двигателя. К тому же он быстрей прогревается после пуска, меньше расходует топлива. Включившийся электровентилятор вращается достаточно быстро даже при низких оборотах двигателя - и этим снижает риск перегрева при больших нагрузках в тяжелых дорожных условиях. Механический вентилятор в таких случаях не всегда эффективен. Примерные схемы электроприводов вентилятора приведены на рисунках ниже.

Рис. 7. Штатная схема включения электродвигателя вентилятора (ВАЗ, ГАЗ)

Казалось бы, перечнем достоинств тему можно и закрыть, да качество электротехники не позволяет. В чем же главная причина капризов электровентилятора? Его мотор потребляет ток до 15-20 А, включаясь по команде датчика температуры охлаждающей жидкости в радиаторе (рис. 7). Чтобы большой ток не шел напрямую через нежные контакты датчика 1, в штатной конструкции применили разгрузочное реле 2. Решение естественное, но не безупречное - на российских автомобилях самым ненадежным элементом в системе охлаждения зарекомендовал себя как раз датчик температуры. Его контакты обгорают - и конец! И это, заметьте, при исправной работе разгрузочного реле.

Рис. 8. Схема включения электродвигателя вентилятора без разгрузочного реле на некоторых зарубежных автомобилях: 1 - датчик температуры; 2 - добавочный резистор; 3 - электродвигатель

Рис. 9. Доработанная схема включения электровентилятора: 1 - датчик температуры; 2 - реле; 3 - электродвигатель; 4 - диод

И чем больше потрудился датчик температуры, тем выше вероятность отказа из за противоиндукции: в момент разрыва контактов исчезающее электромагнитное поле не только создает высокое напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания, необходимое для свечи, но и немалое, до 400 В, напряжение противоиндукции в первичной обмотке. Вот оно-то и «прожигает» контакты: каждое их размыкание не проходит бесследно - а за тысячу километров пути их накапливается около 4 миллионов. Результат - эрозия контактов. Система работает хуже и хуже. Задавая себе шекспировский вопрос «кипеть или не кипеть?», водителю надо чаще глядеть на указатель температуры и прислушиваться к шуму под капотом. Но еще вернее - вовремя заменить старенький датчик, дабы зря не рисковать. Однако есть и другие возможности.

Первая: установить датчик включения вентилятора с тремя выходами - схема на рис. 8. Здесь уже нет разгрузочного реле. Электромотор включается постепенно - сначала через контакты 1 и 2 с добавочным резистором, а затем уже напрямую, через контакты 1 и 3. Результат - гораздо меньший эрозионный износ. Во многих случаях (при невысоких нагрузках на двигатель автомобиля) пара 1-3 почти не используется.

Второй вариант - на рис. 9: здесь сохраняется разгрузочное реле. Однако в цепи есть новый элемент - диод 4 (типа КД105 и близкие к нему). Зачастую диод впаивается непосредственно в реле (так удобней). В момент разрыва контактов датчика 1 тлетворное влияние на них ЭДС самоиндукции исключено - ток через диод уходит на «массу».

Подобное применение диодов очень характерно для зарубежных автогигантов «Мерседес», БМВ и т.д. В последнее время в продаже стали появляться готовые колодочки под такие реле - уже с впаянными туда диодом и проводками.

Завершая разговор о приводах вентиляторов, заметим: как ни совершенны многие из этих устройств, все же они не способны избавить двигатель внутреннего сгорания от одного из его серьезных недостатков - до 30% энергии топлива, «уходящие» в систему охлаждения, теряются безвозвратно.

Термостат 5 (см. рис. 1) автоматически поддерживает устойчивый тепловой режим двигателя. Как правило, термостат устанавливают на выходе охлаждающей жидкости из рубашек охлаждения головок цилиндров или впускного трубопровода двигателя.

Термостаты могут быть жидкостные и с твердым наполнителем.

В жидкостном термостате (рис. 10, б) имеется гофрированный баллон 7, заполненный легко испаряющейся жидкостью. Нижний конец баллона закреплен в корпусе б термостата, а к штоку 5 верхнего конца припаян клапан 4. При температуре охлаждающей жидкости ниже 351 К (78°С) клапан термостата закрыт (рис. 10, а) и вся жидкость через перепускной шланг 2 (байпас) направляется обратно в водяной насос, минуя радиатор. Вследствие этого, ускоряется прогрев двигателя и впускного трубопровода.

Термостат с твердым наполнителем (ЗИЛ-130, «Москвич-2140», КамАЗ-740) имеет баллон 7 (рис. 10, в), заполненный церезином нефтяным воском) в и закрытый резиновой диафрагмой 9. При температуре 343 К (70°С) церезин плавится и, расширяясь, перемещает вверх диафрагму 9, буфер 12 и шток 5. При этом открывается клапан 4 и охлаждающая жидкость начинает циркулировать через радиатор (рис. 10, г).

Рис. 10. Термостаты: жидкостный: о-в закрытом положении, в-в открытом положении; с твердым наполнителем; я - в закрытом положении, г- в открытом положении; 1 - впускной трубопровод, 2 - перепускной шланг, 3 - патрубок, 4 - клапан термостата, 5 - шток, б - корпус термостата, 7 - баллон, 8 - церезин, 9 - диафрагма, 10 - направляющая втулка, 11-возвратная пружина, 12 - буфер

При снижении температуры церезин затвердевает и уменьшается в объеме. Под действием возвратной пружины 11 клапан 4 закрывается, а диафрагма 9 опускается вниз (рис. 10, в). В двигателях автомобилей ВАЗ термостат выполнен двухклапанным и устанавливается перед водяным насосом. При холодном двигателе большая часть охлаждающей жидкости будет циркулировать по кругу: водяной насос - блок цилиндров - головка цилиндров - термостат - водяной насос. Параллельно жидкость циркулирует через рубашку впускного трубопровода и смесительной камеры карбюратора, а при открытом кране отопителя пассажирского помещения - через его радиатор.

Когда температура жидкости ниже 363 К (90°С), оба клапана термостата частично открыты. Часть жидкости поступает к радиатору.

При полностью прогретом двигателе основной поток жидкости из головки цилиндров направляется в радиатор системы охлаждения.

На двигателях автомобилей «Москвич-2140», как и на автомобилях ВАЗ, термостат расположен в нижней части системы охлаждения между радиатором и водяным насосом. Клапан термостата в данном случае более герметичен, радиатор при прогреве полностью отключается, двигатель прогревается быстрее.

Для контроля за температурой охлаждающей жидкости служат сигнальные лампы и указатели на щитке приборов. Датчики контрольно-измерительных приборов размещаются в головках цилиндров, верхнем бачке радиатора и рубашке охлаждения впускного трубопровода.

Размещено на Allbest.ru