Глава 7. Системы охлаждения

7.1. Общие сведения

Известно, что оптимальные значения температур охлаждающей жидкости и картерного масла для большинства автомобильных двигателей составляют 80...90 °С. Отклонения от этих значений увеличивают расход топлива, нагаро- и лакообразование и износ деталей цилиндро-поршневой группы. Так при пониженной температуре стенок цилиндров возникают коррозионно-механическое изнашивание, смывание масляной пленки образующейся топливной эмульсией. Кроме того, при пониженных температурах охлаждающей жидкости проникающие в картерное масло сконденсированные водяные пары вызывают интенсивную коагуляцию примесей и гидролиз присадок с образованием липких осадков — шламов. Они загрязняют сетки маслоприемников, масляные каналы, прорези маслосъемных колец, масляные фильтры.

Износ в процессе холодного пуска, прогрева и остановок двигателя является важнейшей составляющей всех эксплуатационных износов. Так одни авторы приравнивают износ во время пуска при температуре -18 °С к износу за 210 км пробега автомобиля. Другие авторы считают, что износы при пуске и прогреве двигателя составляют свыше 60 % от общих износов за все время эксплуатации автомобиля.

При чрезмерно высоких тепловых режимах, когда температура воды приближается к 110 °С, а масла к 120 °С, происходит интенсивнее окисление масла и находящихся в нем продуктов неполного сгорания топлива и ухудшение качества присадок к маслам. Это способствует повышенному нагарообразованию на днище поршня и стенках камеры сгорания, ухудшению теплоотдачи, перегреву и даже прогоранию поршней и поршневых колец.

В связи с тем, что система охлаждения определяет энергетические и экономические показатели, а также надежность и долговечность работы двигателя, к ней предъявляются следующие требования:

Основными требованиями, предъявляемыми к этой системе, являются:

- быстрый прогрев двигателя до заданной температуры после пуска;

- автоматическое поддержание оптимального теплового режима двигателя на всех скоростных и нагрузочных режимах его работы и в диапазоне температур окружающего воздуха от - 50 до + 45 °С;

- минимальные затраты энергии на привод агрегатов системы;

- малый вес и габариты;

- низкая шумность работы агрегатов;

- высокая эксплуатационная надёжность;

- удобство, простота и малая трудоёмкость технического обслуживания и ремонта.

7.2. Системы жидкостного охлаждения и охлаждающие жидкости

На автомобильных двигателях эта система применяется исключительно закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости и системой регулирования температуры жидкости.

В системе жидкостного охлаждения теплота, отводимая от двигателя, передается жидкости, прокачиваемой через двигатель, затем от жидкости воздуху; после этого теплота рассеивается в окружающую среду. Поэтому эта система состоит из двух контуров: жидкостного, заполненного промежуточным теплоносителем, и воздушного. Жидкостная система обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости, а воздушная создает и регулирует напор охлаждающего воздуха. Общим агрегатом для воздушного и жидкостного трактов является радиатор, в котором происходит рассеивание основного количества тепла.

На рис. 2.70 представлена принципиальная схема жидкостной системы охлаждения четырехцилиндрового рядного двигателя. Охлажденная потоком воздуха в радиаторе 4 жидкость через нижний бачок подается насосом 12 в рубашку 16 охлаждения цилиндров, охлаждает их и через отверстия в прокладке газового стыка поступает в рубашку 15 охлаждения головки.

В V- образных двигателях жидкость нагнетается одновременно в рубашки охлаждения правого и левого ряда цилиндров.

На выходе из головки цилиндров устанавливается термостат 8, который является устройством, ограничивающим, вплоть до полного прекращения, циркуляцию жидкости через радиатор. При пуске холодного двигателя (или при работе непрогретого, когда температура жидкости на выходе из головок ниже 7.5...80 °С) термостат 8 перекрывает канал подвода жидкости к верхнему бачку 6 радиатора. При этом создается малый круг циркуляции охлаждающей жидкости через рубашки охлаждения цилиндров 16 и головок 75, термостат 8 и водяной насос 12 помимо радиатора. Это способствует ускорению прогрева двигателя и предупреждает переохлаждение цилиндров и головок на режимах малых нагрузок.

П о мере прогрева двигателя клапан термостата 8 открывает канал подвода жидкости к верхнему бачку 6 радиатора и циркуляция охлаждающей жидкости происходит уже по большому (основному) кругу, т. е. через радиатор.

К системе охлаждения двигателя может быть подключен водо-масляный теплообменник 19, отопитель салона, предпусковой подогреватель и другие агрегаты. Контроль за тепловым состоянием двигателя осуществляется с помощью указателя, находящегося на панели приборов в кабине трактора.

Для слива охлаждающей жидкости система оснащена сливными кранами 18, которые расположены в низших ее точках.

Исследования и практика показывают, что традиционная система охлаждения имеет определенные недостатки. Например, для улучшения наполнения цилиндров свежей смесью и снижения склонности к детонации целесообразно улучшить охлаждение камеры сгорания. А для снижения механических потерь в КШМ – ускорить прогрев блока цилиндров двигателя.

Минимизировать перечисленные недостатки позволяет двухконтурная система охлаждения. Основное отличие данной системы это наличие двух раздельных контуров охлаждения. Один на головку, а другой на блок цилиндров. Направление циркуляции жидкости определяется двумя термостатами. Это позволяет поддерживать свою температуру у головки блока и свою у блока цилиндров.

Работает данная система следующим образом. Пока температура охлаждающей жидкости на входе в водяной насос не превышает 87 град С охлаждающая жидкость циркулирует только через водяной насос, головку блока, водомасляный теплообменник и отопитель салона. В блоке цилиндров и в радиаторе циркуляции жидкости нет. Это позволяет ускорить прогрев блока цилиндров и масла.

При достижении температуры охлаждающей жидкости 87^оС открывается термостат на головке блока. В результате жидкость из головки блока направляется для охлаждения в радиатор. Тем самым температура жидкости в головке блока стабилизируется на 87^оС. Жидкость в блоке цилиндров продолжает прогреваться.

При нагреве жидкости, в блоке цилиндров до 105 град С открывается второй термостат и жидкость из него также направляется в радиатор. Это стабилизирует температуру жидкости в блоке цилиндров на 105 град С. При работе прогретого двигателя разница между температурами головки блока и блоком цилиндров обеспечивается за счет того, что через головку проходит две трети воды, а через блок оставшаяся одна третья.

О х л а ж д а ю щ а я ж и д к о с т ь во многом определяет надежность работы двигателей. В качестве охлаждающей жидкости раньше использовалась вода, сейчас она повсеместно заменена антифризами и тосолами.

Вода обладает наивысшей из всех жидкостей удельной теплоемкостью (способна поглощать большее количества теплоты) и низкой вязкостью, а также достаточно высокой температурой кипения при давлении 0,11— 0,12 МПа в закрытых системах охлаждения. Вода негорюча, практически доступна в любых количествах, имеет низкую стоимость, нейтральную реакцию и безвредна для здоровья человека.

Однако воде свойственны и некоторые недостатки. Вода может содержать примеси в виде мельчайших взвешенных частиц растворенных газов и солей, которые откладываются на омываемых горячих поверхностях систем охлаждения в виде слоя накипи. При этом понижается теплопроводность и наступает резкое нарушение теплового режима двигателя.

Антифриз – соответствующая концентрация смеси воды с этиленгликолем. Всесезонные низкозамерзающие жидкости - антифризы и тосолы в отличие от воды при замерзании не расширяются и не образуют твердой сплошной массы. Образуется рыхлая масса кристаллов воды в среде этиленгликоля, которая не приводит к размораживанию двигателя. Антифризы марок 40 и 65 (числа указывают температуру их замерзания) не в полной мере отвечают современным требованиям по антикоррозионным свойствам, агрессивности к резине и другим.

Новые антифризы - тосолы А40 (с 1985 г. А40-М) и А-65, содержащие соответственно 53 и 66% (по объему) этиленгликоля с антипенными и антикоррозионными присадками, в значительной степени лишены этих недостатков, как и новая охлаждающая жидкость "Лена-40", меньше корродирующая чугунные и алюминиевые детали.

Однако и антифризы имеют ряд недостатков. Во первых, теплоемкость антифризов ниже, чем у воды, что несколько снижает эффективность систем охлаждения и приводит к увеличению температуры деталей. Поэтому системы, рассчитанные на всесезонное использование антифризов, имеют большие производительности водяных насосов и поверхности теплоотдачи радиаторов. Во вторых, антифризы и тосолы крайне ядовиты. Обращение с ними требует повышенной осторожности. И в третьих, антифризы имеют больший коэффициент объемного расширения, что требует включения в систему охлаждения расширительных бачков.