Система охлаждения

 

При сгорании топлива, когда двигатель работает с полностью открытой заслонкой, максимальная температура сгорающих  газов может достигать величины 1500 – 2000°С. Расширение газов во время  рабочего хода существенно понижает их температуру, но во время такта выпуска температура все еще может находиться вблизи 800°С (см. рис. 1).

Все детали двигателя, с которыми вступают в  контакт эти нагретые газы, поглощают  теплоту этих газов, пропорционально  их температуре, площади и продолжительности  контакта, в результате чего температура деталей двигателя повышается. Температура отработавших газов выше температуры красного каления и выше температуры плавления такого металла, как алюминий. Если не предпринимать меры для снижения температуры деталей двигателя, некоторые или многие из нижеперечисленных деталей могут быть серьезно повреждены:

стенки  камеры сгорания, головка поршня, верхний  торец цилиндра и область выпускного клапана подвергаются воздействию  наиболее горячих газов и нагреваются  до самых высоких температур. Термическое расширение этих деталей может привести к отклонению от правильной формы, что приведет к утечкам, прогоранию клапанов и появлению трещин в блоке и головке цилиндров.

пленка  масла, которая должна смазывать  поршень и стенки цилиндра, может  сгореть или обуглиться, в результате чего может возникнуть ускоренный износ и даже деформация поршня.

в результате нагрева свежей порции подаваемой в  цилиндр горючей смеси, из-за уменьшения его плотности, может уменьшиться  выходная мощность, увеличивается вероятность детонационного сгорания.

некоторые части поверхности камеры сгорания могут нагреться до такой степени, что будут зажигать свежую порцию рабочей смеси до появления искры; это называется преждевременным  воспламенением и может привести к серьезному повреждению двигателя.

Кроме этого, важно не переохлаждать двигатель, иначе могут возникнуть другие проблемы:

теплота необходима для испарения топлива  внутри цилиндра во время такта сжатия. Не испаренное топливо будет осаждаться на холодных стенках цилиндра и в  местах своего оседания оно будет растворять смазочное масло и уничтожать его смазывающие свойства.

образующийся  при сгорании водяной пар будет  конденсироваться на холодных стенках  цилиндра, образуя грязь вместе со смазочным маслом и вызывая коррозию деталей двигателя. При этом скорость износа у холодного двигателя значительно больше, чем у горячего.

Опыт  показывает, что температура головки  цилиндров должна поддерживаться немного  ниже 200 – 250С, поскольку перегрева  также следует избегать.

Поэтому для поддержания нормального теплового режима работы узлов и механизмов необходимо непрерывно отводить теплоту от взаимодействующих деталей, не допуская их перегрева.

Следует поддерживать тепловой режим двигателя  в пределах 85 – 95о С независимо от его нагрузки и температуры окружающей среды.

На современных  поршневых двигателях применяют  жидкостное или воздушное охлаждение.

Для обеспечения  эффективной работы двигатель внутреннего  сгорания имеет следующие механизмы  и системы:

· кривошипно-шатунный механизм;

· систему  смазки;

· газораспределительный  механизм;

· систему  питания;

· систему  охлаждения;

· систему  зажигания.

На современных  автомобильных двигателях в полезную работу превращается лишь 23 - 40% теплоты, выделяющейся в цилиндрах двигателя, остальная теплота уноситься отработавшими газами, с охлаждающей жидкостью или воздухом и затрачивается на трение, рассеивание в окружающую среду внешними поверхностями двигателя и др.

 

1. УСТРОЙСТВО  СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

 

Система охлаждения предназначена для отвода тепла от механизмов и деталей двигателя, а также для поддержания нормального теплового режима двигателя. На автомобильных двигателях наибольшее распространение получили жидкостные системы с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.

Такие системы более  эффективны в работе и вместе с пусковыми устройствами обеспечивают легкий пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и создают меньший шум при его работе.

В жидкостной системе  охлаждения поверхности блока и  головки цилиндров заключены  в клетку или охлаждающую рубашку (контур), при наличии пространства между цилиндрами, в котором может циркулировать соответствующая жидкость. В качестве жидкости обычно используется вода или ее этиленгликолевые смеси – антифризы.

Наиболее широкое  распространение получили всесезонные жидкости, замерзающие при низкой температуре – Тосол-А40М и Тосол-А65М, в зависимости от климатических условий. Эти жидкости обладают антикоррозийными, антивспенивающими свойствами и растворяют накипь, что является важным свойством для эксплуатации автомобилей. Они имеют высокий коэффициент теплового расширения.

Указанные жидкости голубого цвета без запаха – ядовиты, и поэтому необходимо соблюдать  меры предосторожности при обращении  с ними во избежание ожогов кожи и разъедания одежды. При попадании даже небольшого количества такой жидкости в организм человека может произойти тяжелое отравление.

Рис. 2 Система охлаждения ВАЗ-2106: 1 – трубка отвода жидкости от радиатора отопителя к жидкостному насосу; 2 – шланг отвода горячей жидкости из головки цилиндров в радиатор отопителя; 3 – перепускной шланг термостата; 4 – выпускной патрубок рубашки охлаждения; 5 – подводящий шланг радиатора; 6 – расширительный бачок; 7 – рубашка охлаждения; 8 – пробка радиатора; 9 – радиатор; 10 – кожух вентилятора; 11 – вентилятор с электроприводом; 12 – резиновая опора радиатора; 13 – шкив привода жидкостного насоса; 14 – отводящий шланг радиатора; 15 – ремень привода насоса; 16 – жидкостный насос; 17 – шланг подачи жидкости в насос; 18 – термостат.

Рис.3. Принципиальная схема системы охлаждения: 1 –  радиатор; 14 – поршень; 2 – крышка; 15 – сливной краник; 3 – вентилятор; 16 – нижний бачок радиатора; 4 – термостат; 5 – жидкостный насос; 6 – расширительный бачок; 7 – головка цилиндров; 8 – трубопровод к отопителю; 9 – указатель температуры жидкости; 10 – вентилятор отопителя; 11 – радиатор отопителя; 12 – рубашка охлаждения головки цилиндров; 13 - рубашка охлаждения блока цилиндров.

 

Система охлаждения состоит (рис.3) из:

- рубашки охлаждения  блока и головки блока цилиндров;

- центробежного  насоса;

- термостата;

- радиатора с  расширительным бачком;

- вентилятора;

соединительных  патрубков и шлангов.

Систему охлаждения заполняют жидкостью через расширительный бачок 6 (рис. 3) или горловину радиатора. В крышке радиатора или бачка  выполнен паровоздушный клапан, который  поддерживает повышенное давление в системе охлаждения при работе двигателя, повышая тем самым температуру Тосола. По мере остывания остановленного двигателя клапан постепенно снижает давление, предотвращая разрыв радиатора и расширительного бачка. Для слива жидкости служат отверстия в нижней части радиатора и блоке цилиндров, закрытые резьбовыми пробками или снабженные краниками 15.

Во время работы двигателя жидкость циркулирует  в системе охлаждения двигателя  под действием центробежного  жидкостного насоса 5 охлаждающей  жидкости. Распределением потока жидкости управляет термостат. Пока двигатель не прогрет, жидкость циркулирует по малому кругу (рис.4) - фактически в пределах рубашки охлаждения головки и блока цилиндров. По мере прогрева двигателя клапан термостата открывается, и часть жидкости, а затем и весь ее поток направляется в радиатор (большой круг циркуляции), где охлаждается потоком набегающего воздуха и вентилятором. Крыльчатка вентилятора на некоторых двигателях приводится во вращение ременной передачей от шкива коленчатого вала. Более современная конструкция – электрический вентилятор системы охлаждения, работающий от бортовой электросети автомобиля и управляемый термодатчиком, установленным в бачке радиатора.

Система охлаждения двигателя конструктивно объединена с системой отопления пассажирского салона автомобиля. Нагретая жидкость поступает в радиатор отопителя 8 (рис.4) из рубашки охлаждения головки блока цилиндров по верхнему трубопроводу, а отводится по нижнему трубопроводу к насосу охлаждающей жидкости. Проходя через радиатор отопителя самотеком (при движении автомобиля) или под действием включенного вентилятора 12, холодный наружный воздух нагревается и создает комфортную температуру в салоне автомобиля. Поток жидкости через радиатор отопителя регулируется или перекрывается краном отопителя 9, управляемым с места водителя.

Для создания принудительной циркуляции охлаждающей жидкости в  системе охлаждения служит жидкостный насос центробежного типа (рис. 5). Расположен насос в передней части  блока цилиндров и приводится в действие клиновидным ремнем от шкива коленчатого вала. Он состоит из корпуса 1, крыльчатки 9 и крышки 6 подшипников, соединенных между собой через прокладку. В насосах, как правило, применяются специальные двухрядные подшипники, внутренним «кольцом» которых служит сам валик. Однако, для «Жигулей» в запасные части поставлялись и крышки 2102 – 1807020, в которых применялись два обычных подшипника 203, в отличие от «родной» крышки.

 

Рис. 5 Продольный разрез жидкостного насоса ВАЗ – 2106: 1 – корпус; 2 – подшипник; 3 –  шкив; 4 – ступица шкива; 5 – стопорный  винт подшипника; 6 – крышка; 7 – валик; 8 – сальник; 9 – крыльчатка.

 

На автомобиле ВАЗ – 2108 крышка превратилась в корпус, который крепится непосредственно к блоку цилиндров – см. рис. 6.

Здесь, в отличие от заднеприводных моделей  ВАЗ, привод на жидкостный насос идет через зубчатый ремень. Его проскальзывание  относительно зубчатых шкивов совершенно недопустимо. При этом, лишаясь самого ремня (срезаются зубцы), одновременно нарушаются фазы газораспределения. Беда не в том, что их потребуется вновь устанавливать, а в том, что «сбой» фаз приводит к «встрече» клапанов с поршнями. Погнутые клапаны и разбитые направляющие втулки – это повод для серьезного и дорогого ремонта. Поэтому важно добиться правильного натяжения зубчатого ремня.

 

Рис. 6. Насос охлаждающей  жидкости ВАЗ – 2108: 1 – крыльчатка; 5 – стопорный винт; 2 – корпус; 6 – наружное кольцо подшипника; 3 – сальник; 7 – зубчатый шкив. 4 – валик;

 

Пластмассовая крыльчатка 9 (рис. 5) крепится на заднем конце вала 5при помощи ступицы. Пи вращении крыльчатки жидкость из подводящего  патрубка поступает к ее центру, затем захватывается лопастями и под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса 1 насоса, а оттуда через полые приливы подается в рубашку охлаждения двигателя.

Герметичность вращающихся  деталей, расположенных в корпусе насоса, обеспечивается самоуплотняющимся сальником, установленным в крыльчатке. Он состоит (рис. 7) из графитового кольца 4, резиновой манжеты 2 и пружины 3, прижимающей кольцо к торцу корпуса подшипников.

Своими выступами  графитовое кольцо входит в пазы крыльчатки и закрепляется обоймой. Для контроля за исправным состоянием сальника в корпусе жидкостного насоса имеется технологическое отверстие. В случае выхода из строя сальника через него будет вытекать охлаждающая жидкость.

 

Рис. 7 Сальник  ВАЗ – 2106: 1 – корпус; 2 – резиновая  манжета; 3 – пружина; 4 – графитовое кольцо; Б – контролируемый размер 11мм при запрессовке.

 

В системе  с водяным охлаждением простейшего  типа движение автомобиля вперед само по себе достаточно для создания воздушного потока через радиатор. Однако вентиляторы с принудительным приводом обеспечивают больший воздушный поток, в результате чего радиатор меньшего размера может рассеивать требуемое количество тепла. Простейшим способом привода вентилятора является ремень, который приводит генератор и насос охлаждающей жидкости, вентилятор на самом деле просто установлен на удлиненной части оси жидкостного насоса.

Вентилятор  необходим только тогда, когда скорость потока воздуха через радиатор недостаточна для поддержания требуемой температуры охлаждающей жидкости. Другими причинами этого могут быть малая скорость движения автомобиля, его подъем в гору и т.д. Энергия, требуемая для привода вентилятора, берется от двигателя, в результате чего двигатель нагружается, и расход топлива увеличивается.

Хотя  благодаря приданию оптимальной  формы лопастям вентилятора и  использованию лопастей из штампованной стали можно добиться определенной экономии энергии, на современных автомобилях еще большая экономия достигается при использовании отключаемой системы привода, которая прекращает работу в том случае, когда работа вентилятора не нужна. Одной из наиболее распространенной системой является – электрическая.

Вентилятор с электрическим приводом.

Вентилятор  приводится отдельным электрическим  двигателем, который включается только тогда, когда охлаждающая жидкость достигает определенной заданной температуры, например 90°С. Подаваемая к двигателю  энергия контролируется или термостатическим выключателем, обычно биметаллического типа, расположенный в области верхнего шланга, или при помощи реле, включаемого сигналом от электронного модуля управления.

Вентилятор  имеет четырехлопастную крыльчатку, установленную на валу электродвигателя.

Рис. 8. Детали радиатора и вентилятора  с электроприводом: 1 – радиатор; 2 – пробка радиатора; 3 – вентилятор; 4 – электродвигатель вентилятора; 5 – кожух вентилятора; 6 – датчик включения электродвигателя вентилятора; 7 – сливная пробка радиатора; 8 – нижняя опора радиатора.

 

Радиатор, являющийся теплообменным узлом, предназначен для передачи тепла от охлаждающей  жидкости потоку воздуха. Он крепится к кузову автомобиля с помощью резиновых подушек (опор), что необходимо для уменьшения вибраций и ударных нагрузок, возникающих при движении.

Радиатор  состоит из верхнего и нижнего  бачков и теплорассеивающей сердцевины, наружная поверхность которой обдувается воздухом, рассеивающим теплоту, полученную жидким теплоносителем (охлаждающей жидкостью) от нагретых деталей двигателя.