Рубашка охлаждения представляет собой емкость для размещения охлаждающей жидкости, охватывающей наружные поверхности цилиндров (гильз) двигателя и камеры сгорания. Рубашка охлаждения блока связана каналами с рубашкой охлаждения головки, уплотнение этих каналов обеспечивается прокладкой головки блока. В рубашке охлаждения может устанавливаться кран для слива охлаждающей жидкости.
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 радиатор отопителя, 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 уменьшения образования оксидов азота. Работу радиатора отработавших газов обеспечивает дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, включенный в систему охлаждения.
Радиатор автомобиля, приведенный на рис. 6.3, а — разборный, с горизонтальным расположением трубок и вертикальным расположением охлаждающих пластин. Радиатор не имеет заливной горловины и выполнен двухходовым — охлаждающая жидкость входит в него и выходит через левый бачок, который разделен перегородкой. Бачки радиатора пластмассовые. Левый бачок 8 имеет три патрубка, через которые соединяется с расширительным бачком, термостатом и выпускным патрубком головки блока цилиндров. Правый бачок 1 имеет сливную пробку 10, в нем установлен датчик 3 включения вентилятора. К бачкам через резиновые уплотнительные прокладки 4 крепится сердцевина 2 радиатора. Она состоит из двух рядов алюминиевых круглых трубок и алюминиевых пластин с насечками. В части трубок вставлены пластмассовые турбулизаторы в виде штопоров. Двойной ход жидкости через радиатор, насечки на охлаждающих пластинах и турбулизаторы в трубках обеспечивают турбулентное движение жидкости и воздуха, что повышает эффективность охлаждения жидкости в радиаторе. Алюминиевая сердцевина и пластмассовые бачки существенно уменьшают массу радиатора. Радиатор установлен на трех резиновых опорах 9. Две опоры находятся снизу под левым и правым бачками, а третья опора — сверху. Резиновые опоры и прокладки между сердцевиной и бачками делают радиатор нечувствительным к вибрациям.
1, 8 — бачки; 2 — сердцевина; 3 — датчик; 4 — прокладка; 5 — вентилятор; 6 — электродвигатель; 7 — кожух; 9 — опора; 10 — пробка
Жалюзи и дополнительный радиатор. В автомобилях экологического класса Евро-6 так называемого эффективного исполнения, между решёткой и верхней частью радиатора системы охлаждения могут быть установлены жалюзи с пластмассовыми пластинами (рис. 6.4), которые в зависимости от ситуации могут открываться или — для улучшения термо- и аэродинамики — закрываться. Жалюзи радиатора позволяют управлять потоком воздуха к радиатору и обеспечивают тем самым более эффективную температуру системы охлаждения и уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления.
Для обеспечения нужной интенсивности охлаждения на некоторых автомобилях наряду с основным радиатором охлаждающей жидкости устанавливаются дополнительные радиаторы, расположенных спереди и сбоку (рис. 6.5).
Радиатор отопителя. 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.
Расширительный или компенсационный бачок (рис. 6.6) служит для компенсации изменении объема охлаждающей жидкости при колебаниях ее температуры и для контроля количества жидкости в системе охлаждения. Он также содержит некоторый запас охлаждающей жидкости на ее естественную убыль и возможные потери. Бачок предназначен также для сбора, выделяющегося воздуха и образующегося пара и отвода их в атмосферу или в конденсаторы через вентиляционную (сливную) трубку и для заполнения системы охлаждения охлаждающей жидкостью. Бачек устанавливают в самой верхней точки системы охлаждения. На автомобилях применяют полупрозрачные пластмассовые бачки с заливной горловиной, закрываемой пластмассовой пробкой. Через горловину система заполняется охлаждающей жидкостью, а через клапаны, размещенные в пробке, осуществляется связь внутренней полости бачка и системы охлаждения с атмосферой. В пробке расширительных бачков часто имеется один резиновый клапан, срабатывающий при давлении, близком к атмосферному. При сливе охлаждающей жидкости из системы пробку снимают с расширительного бачка. Расширительный бачок размещается в подкапотном пространстве отделения двигателя, где крепится к кузову автомобиля.
В расширительном бачке может устанавливаться специальный патрон, содержащий силикаты, помогающий предотвращать коррозию алюминиевых деталей контура системы охлаждения. Силикаты из патрона в расширительном бачке постепенно растворяются в охлаждающей жидкости, поддерживая содержание силикатов в ней на одном уровне. Патрон служит дополнительной защитой алюминиевых деталей контура системы охлаждения от коррозии в течение всего срока эксплуатации автомобиля.
Сливные краны позволяют сливать из системы охлаждения или ее элементов охлаждающую жидкость или промывочные растворы. Их располагают в самых низких точках системы охлаждения и ее элементов.
Жидкостной насос (рис. 6.7) предназначенный для циркуляции охлаждающей жидкости состоит из корпуса 6, вала привода с крыльчаткой 8, шкива привода 2, самоподжимного уплотнения (сальника). Вал насоса вращается в двух шарикоподшипниках.
Центробежные насосы одноступенчатого типа, рассчитанные на давление в 0,04 … 0,1 МПа (0,4…1,0 кгс/см2), отличаются компактностью и обеспечивают достаточную подачу жидкости при сравнительно больших зазорах между крыльчаткой и стенками корпуса.
Герметичность насоса обеспечивается самоподжимным торцевым уплотнением 7, которое запрессовывается в корпус 6 насоса и на валик подшипника 11. Проникающая через уплотнение охлаждающая жидкость не попадает в подшипник, а стекает через отверстие в дренажную полость 9. Скапливающаяся в дренажной полости жидкость в процессе работы двигателя постепенно испаряется через отверстия 10 и 4. Проникающий через уплотнение пар испаряется в атмосферу через отверстие 4.
Подшипник 11 удерживается от перемещения в корпусе водяного насоса фиксатором 3, который завернут до упора и закернен. Подшипник с двумя защитными уплотнениями заполнен смазкой на предприятии-изготовителе и в процессе эксплуатации добавления смазки не требует. На валик подшипника напрессована крыльчатка 8. На переднем конце корпуса жидкостного насоса неподвижно на держателе установлена катушка электромагнита 12 электромагнитной муфты.
Ступица 1 крепления вентилятора установлена на валике подшипника водяного насоса на шариковом подшипнике. При отсутствии напряжения на электромагните ступица 1 вместе с ведомым диском 13 разъединена со шкивом 2 и вращается свободно с небольшой угловой скоростью. При подаче напряжения на электромагнит муфты ведомый диск 13, преодолевая усилие пластинчатых пружин 14, притягивается к шкиву 2 и ступица вентилятора начинает вращаться совместно со шкивом и валиком подшипника водяного насоса. Когда напряжение с электромагнита муфты снимается, пластинчатые пружины 14 отводят диск 13 от шкива 2, разъединяя ступицу и шкив. Подключение электромагнитной муфты к системе электрооборудования автомобиля осуществляется с помощью разъёма 5. Подача напряжения на электромагнит муфты происходит по сигналу с блока управления через реле при повышении температуры охлаждающей жидкости свыше плюс 93 ± 2 °С, выключение – при снижении ниже плюс 91 ± 2 °С. Жидкостный насос с электромагнитной муфтой является неремонтируемым изделием. При отказе насоса или электромагнитной муфты следует заменить весь узел в сборе.
На двигателе грузовых автомобилей может применяться электронно управляемый двухрежимный насос системы охлаждения с электромагнитной муфтой. Благодаря наличию электромагнитной муфты насос может работать с двумя скоростями. Вращение вала насоса на обычной скорости осуществляется, когда двигатель нуждается в высокой эффективности системы охлаждения, и пониженная скорость, когда двигатель работает в менее напряженных режимах.
На обычной скорости включается электромагнитная муфта (на нее подается опорное напряжение) и крыльчатка насоса вращается с той же скоростью, что и наружный шкив. Если требуется пониженная производительность системы охлаждения, электромагнитная муфта выключается (на нее не подается опорное напряжение) и за счет магнитного проскальзывания крыльчатка насоса вращается с меньшей скоростью, чем наружный шкив.
Принцип работы жидкостного насоса показан на рис. 6.8. Охлаждающая жидкость по подводящему патрубку 3 поступает в корпус 1 и подводится к центру вращающейся крыльчатки 2 с лопастями 5. Лопасти крыльчатки увлекают жидкость во вращательное движение. Возникающая фи этом центробежная сила отбрасывает жидкость от центра к периферии крыльчатки. Поэтому у центра крыльчатки, куда подходит патрубок 3, устанавливается пониженное давление, а на периферии – повышенное. Под действием этой разности давлений и возникает движение жидкости в насосе от подводящего патрубка 3 к отводящему 4. Через отводящий патрубок жидкость под напором поступает в рубашку охлаждения двигателя.
Для более оперативного прогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения может применяться отключаемый насос системы охлаждения, который работает так же, как и обычный с постоянным механическим приводом. Главным отличием отключаемого насоса является наличие в нем цилиндрической заслонки 8 (рис. 6.9).
Отключение подачи охлаждающей жидкости достигается за счёт того, что на крыльчатку 4 насоса надвигается цилиндрическая заслонка 8. При подаче вакуума в вакуумную камеру 2, диафрагма 3 втягиваясь влево и преодолевая сопротивление пружины 5, толкает шток 7 с направляющим поршнем, передвигает заслонку 8 и закрывает крыльчатку насоса (рис. 6.9, а). Подача охлаждающей жидкости (ОЖ) при этом прекращается. Условием для приведения заслонки в закрытое положение является температура ОЖ меньше 30 °C.
Для возобновления подачи ОЖ подача разрежения на вакуумный привод отключается. Под воздействием пружины цилиндрическая заслонка убирается обратно (рис. 6.9, б).
Для постепенного смешивания ОЖ при запуске двигателя насос включается на одну секунду и снова отключается. Этот цикл осуществляется несколько раз подряд с интервалами между циклами 7 секунд. Если необходимо включать отопитель насос включается сразу же.
Положение цилиндрической заслонки регулируется ступенчато. Она может быть только или выдвинута, или убрана (насос отключён/насос включён). При отсутствии напряжения или при отказе клапана отключать циркуляцию ОЖ нельзя, цилиндрическая заслонка под воздействием усилия пружины убирается (максимальная производительность насоса).
В системах охлаждения в качестве основного или дополнительного может применяться электрический насос (рис. 6.10).
Электрический насос позволяет обеспечивать требуемые потоки охлаждающей жидкости без зависимости от частоты вращения коленчатого вала, что характерно для механических насосов.
Управление электрическим насосом осуществляется блоком управления двигателя, в памяти параметрических характеристик которого находятся данные по температурам нагрева и охлаждения двигателя. Частота вращения вала насоса изменяется в более широких пределах, чем в механических насосах, например, минимальная частота вращения составляет 18 об/мин. Электронное регулирование позволяет быстро прогревать двигатель и масло, что снижает трение и уменьшает расход топлива.
В системах охлаждения с электрическим насосом применяются различные контуры циркуляции охлаждающей жидкости, что позволяет циркулировать жидкости по большим или малым контурам в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Такая система циркуляции более эффективна по сравнению с обычной и снижает потребление электроэнергии на привод электрического жидкостного насоса, мощность которого не превышает 200 Вт.
Вентилятор радиатора служит для повышения интенсивности охлаждения жидкости в радиаторе. Он увеличивает скорость и количество воздуха, проходящего через радиатор. На двигателях автомобилей устанавливают четырех- и шестилопастные вентиляторы.
Вентилятор может иметь различный привод:
- механический (постоянное соединение с коленчатым валом двигателя, фрикционная муфта);
- электрический (электромагнитная муфта, управляемый электродвигатель);
- гидравлический (гидромуфта, вязкостная муфта (вискомуфта).
Наибольшее распространение получил электрический привод вентилятора, обеспечивающий широкие возможности для регулирования (см. рис. 6.3, б). Вентилятор состоит из ступицы со шкивом, к которой крепятся лопасти. Лопасти вентиляторов изготовляются из листовой стали или из пластмассы. Вентилятор устанавливают непосредственно за радиатором. Для повышения эффективности работы вентилятора его иногда размешают в направляющем кожухе, закрепленном на радиаторе.
Лопасти на ступице вентилятора расположены неравномерно и под углом к плоскости его вращения. Это увеличивает подачу вентилятора и уменьшает шумность его работы. Для более эффективной работы электровентилятор размещен в кожухе 7, который прикреплен к радиатору. Электровентилятор крепится к кожуху на трех резиновых втулках. Включается и выключается электровентилятор автоматически датчиком 3 в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.
Фрикционная муфта показана на рис. 6.11. Она может работать в трех режимах: автоматическом, постоянно включенным и постоянно выключенном. Управление вентилятора осуществляется с помощью ручного или электромагнитного выключателя.
Вентилятор при неработающем двигателе находится в отключенном состоянии. После пуска двигателя крыльчатка вентилятора может вращаться за счет трения в подшипниках и других сопрягаемых деталях дисковой муфты с частотой 200…500 об/мин.
При достижении температурного режима двигателя близкого к высшему оптимальному (+85°…+93°С) масло от включателя под давлением поступает в штуцер 13 (рис.) корпуса 14. Далее через отверстие в корпусе, радиальные отверстия во втулках 10 и 22 попадает в осевое отверстие ведущего вала 18, а оттуда к поршню 30. Поршень начинает перемещаться, передавая усилия через пружины 32 на обойму, которая давит на диски 4 и 5, выбирая зазоры между ними. После сжатия ведущих и ведомых дисков ведомый вал 25 с крыльчаткой начинает вращаться с рабочей частотой.
После того как, температурное состояние двигателя достигнет значения близкого к низшему оптимальному, включатель прекращает подачу масла. Масло, находящееся под поршнем 30, под действием центробежных сил, а также пружин 7, 32 через дренажные отверстия по специальным каналам перемещается во внутреннюю полость передней крышки 2 и шкива 24. С помощью черпательной трубки 9 и далее по каналам в корпусе масло попадает в картер двигателя.
По мере освобождения полости под поршнем 30 от масла он перемещается под действием пружин 7 и 32. Диски фрикционного привода расходятся и вентилятор отключается.
Гидромуфта для привода вентилятора с автоматическим управлением может применяться в системе охлаждения дизельных двигателей (рис.6.12).
Привод гидромуфты от коленчатого вала двигателя осуществляется через шлицевой ведущий вал 4. Вентилятор, расположенный соосно с коленчатым валом, укреплен на ступице 15, установленной на ведомом валу 16. Ведущую часть гидромуфты составляют: ведущий вал 4 в сборе с кожухом 8; ведущее колесо 9, соединенное болтами с кожухом и валом 12 шкива; шкив 13 привода генератора, привернутый к валу 12 болтами. Ведущая и ведомая части гидромуфты вращается на шарикоподшипниках. Ведомую часть гидромуфты составляют: ведомое колесо 7 в сборе, соединенное болтами с ведомым валом 16. Уплотнение гидромуфты осуществлено двумя уплотнительными кольцами 2 и 5, а также самоподжимными сальниками 11 и 14. Для управления гидромуфтой привода вентилятора имеется выключатель золотникового типа, установленный на нагнетательном патрубке в передней части двигателя.
В зависимости от температуры жидкости в системе охлаждения выключатель гидромуфты соединяет или разъединяет ведущий вал с ведомым 16, изменяя количество масла, поступающего в гидромуфту из системы смазки. Масло для работы гидромуфты подается насосом (на рисунке не показан) в ее полость, затем по специальной трубке подводится в каналы ведущего вала и через отверстия в ведомом колесе — в межлопастное пространство. Передача крутящего момента с ведущего колеса 9 гидромуфты на ведомое колесо 7 происходит при заполнении рабочей полости маслом. При работающем двигателе масло, поступающее из нагнетающей секции масляного насоса через канал регулятора-выключателя, попадает на лопатки вращающегося ведущего колеса, увлекается им, приобретая при этом кинетическую энергию. В дальнейшем частицы масла, ударяясь в лопатки ведомого колеса, отдают им энергию, обеспечивая вращение ведомых деталей и вентилятора. Частота вращения ведомого колеса с вентилятором при постоянной частоте вращения ведущего колеса зависит от количества масла, поступающего в полость гидромуфты. Резкое изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя сопровождается проскальзыванием ведущего колеса гидромуфты относительно ведомого, что снижает динамические нагрузки в приводе. Муфты такого типа могут работать, как в ручном, так и в автоматическом режиме.
В автоматическом режиме гидромуфта приходит в движение, а конкретно, включает вентилятор, при повышении температуры охлаждающей жидкости до 83…86° С. Вентилятор, включаясь, обдувает радиатор, тем самым охлаждая антифриз и поддерживая оптимальный температурный режим двигателя. При понижении температуры охлаждающей жидкости выключатель гидромуфты срабатывает, и она выключает вращение вентилятора. После этого он может вращаться только пассивно, от потока входящего воздуха из-за движения автомобиля.
Вискомуфта. Вискомуфта вентилятора без электронного управления. Передача крутящего момента вискомуфтой вентилятора обеспечивается силиконовой жидкостью. Вискомуфта вентилятора разделена на два отсека. В рабочем пространстве 1 (рис. 6.13) расположен ротор 2, который соединен с фланцем 7.
Камера 3 свободно вращается на фланце 7 и соединена с вентилятором. Внутри камеры 3 находится силиконовая жидкость. Отверстие 4 камеры 3 перекрывается клапаном 5, который управляется биметаллической пластиной 6.
Если отверстие 4 камеры 3 перекрыто клапаном 5, силиконовая жидкость не может поступать в рабочую область 1. При этом под действием центробежных сил жидкость может только удалятся из рабочего пространства 1 через отверстия 8 в камеру 3. В связи с малым количеством силиконовой жидкости в рабочем пространстве 1 разница скоростей вращения между фланцем 7 и камерой 3 с вентилятором будет большой.
При увеличении температуры воздуха биметаллическая пластина 6 выгибает клапан 5, частично открывая отверстие 4 камеры 3. В результате некоторое количество силиконовой жидкости поступает в рабочее пространство 1 и начинает циркулировать по каналам вдоль ротора 2. Вследствие трения разница в скорости вращения между фланцем 7 и камерой 3 будет постепенно уменьшаться.
При дальнейшем повышении температуры воздуха биметаллическая пластина 6 продолжает изгибаться, полностью открывая отверстие 4 камеры 3. Чем больше степень открытия отверстия 4 камеры 3, тем большее количество силиконовой жидкости поступает в рабочее пространство 1 и на каналы ротора 2. С увеличением трения разница в скоростях вращения между фланцем 7 и камерой 3 становится всё меньше и вентилятор будет вращаться быстрее.
У некоторых модификаций вязкостных муфт применяется не биметаллическая пластина, показанная на рисунке выше, а спираль.
Вискомуфта вентилятора с электронным управлением. Такая муфта (рис. 6.14) контролирует и регулирует скорость вращения вентилятора для того, чтобы обеспечить достаточное поступление воздушного потока для обеспечения значений температуры охлаждающей жидкости и/или воздуха на впуске в заданном диапазоне.
Муфта вентилятора состоит и статора 1 и ротора 3, которые установлены на приводном валу 5, а также камеры для силиконовой жидкости 6.
Между статором 1 и ротором 3 имеется рабочее пространство 7. Вентилятор установлен на статоре 1, который свободно вращается на приводном валу 5.
Катушка 4, которая посредством подшипника установлена на приводном валу 5, генерирует магнитное поле.
В зависимости от режима работы двигателя напряжение катушки 4 корректируется по сигналу электронного блока управления. С изменением магнитного поля клапан 2, притягиваясь к катушке, открывается в большей или меньшей степени.
Работа муфты вентилятора зависит от следующих факторов:
• Температура охлаждающей жидкости.
• Температура воздуха на впуске.
• Скорость автомобиля.
• Частота вращения коленчатого вала двигателя.
• Скорость вращения вентилятора.
• Активация ретардера.
• Положение внутренних каналов муфты вентилятора (защита от перегрева).
Скорость вращения вентилятора определяется встроенным датчиком Холла с импульсным диском. Этот датчик посылает сигнал в электронный блок. Электронный блок использует этот сигнал для определения внутреннего проскальзывания в муфте вентилятора и, как следствие, для управления вращением вентилятора.
Если на катушку 4 напряжение не подается, клапан 2 находится в исходном положении. Силиконовая жидкость выпущена, а возвратное отверстие 8 закрыто. Количество силиконовой жидкости в рабочем пространстве 7 между статором 1 и ротором 3 увеличивается. Вследствие увеличения трения в рабочем пространстве между статором 1 и ротором 3 проскальзывание между статором 1 и ротором 3 снижается, таким образом, скорость вращения вентилятора увеличивается.
В зависимости от степени передачи крутящего момента от коленчатого вала приводу вентилятора скорость вращения вентилятора будет приближаться к значению или даже превышать скорость вращения шкива двигателя, вследствие разности диаметров шкивов двигателя и вентилятора.
При включении катушки 4 возникает магнитное поле, вследствие чего клапан 2 перемещается. Наполнительное отверстие 8 перекрывается, в то же время возвратные порты остаются открытыми. Силиконовая жидкость перетекает из рабочего пространства 7 между статором 1 и ротором 3 в камеру 6. При уменьшении количества силиконовой жидкости в рабочем пространстве степень проскальзывания между статором 1 и ротором (3) увеличивается, скорость вращения вентилятора уменьшается.
Для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения применяют жидкостные насосы центробежного типа.
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.
Термостаты бывают жидкостные (сильфонные) и с твердым наполнителем, а также одноклапанные, которые ограничивают только поток жидкости, и двухклапанные, распределяющими поток жидкости между радиатором и малым кругом циркуляции жидкости. Устанавливают термостат либо на пути движения жидкости к радиатору (верхний патрубок), либо перед насосом.
Жидкостной термостат состоит из корпуса с окнами, гофрированного баллона, заполненного легко испаряющейся жидкостью — смесью 2/3 дистиллированной воды и 1/3 этилового спирта и клапана (рис. 6.15). Нижняя часть баллона жестко соединена с кронштейном корпуса. К верхней части баллона припаян шток с клапаном. Шток может перемещаться в направляющей корпуса. Если жидкость в системе охлаждения не прогрета, то давление в сильфоне понижено и жидкость находится в сжатом состоянии (клапан закрыт). По мере прогрева системы охлаждения жидкость в сильфоне испаряется, давление повышается, сильфон расширяется, открывается клапан. С этого момента жидкость начинает циркулировать через радиатор. Клапан начинает открываться при температуре жидкости 70—80 °С и полностью открывается при температуре 85—95 °С.
Термостаты жидкостного типа вследствие образования микроскопических трещин в стенках сильфона и потери герметичности имеют ограниченный срок службы.
В настоящее время применяют термостаты с твердым наполнителем (рис. 6.16).
На холодном двигателе основной клапан 4 термостата закрыт и вся охлаждающая жидкость циркулирует через открытый перепускной клапан 2 термостата в водяной насос по малому кругу, минуя радиатор. При прогреве двигателя и подъеме температуры охлаждающей жидкости до плюс 82 ± 2 °С основной клапан термостата начинает открываться, а перепускной — закрываться. При этом часть охлаждающей жидкости начинает циркулировать по большому кругу через радиатор охлаждения.
При температуре плюс 97 ± 2 °С основной клапан открыт полностью, перепускной клапан при этом закрыт и вся охлаждающая жидкость циркулирует через радиатор по большому кругу. Во фланце термостата выполнено отверстие с автоматическим дренажным клапаном 3. Отверстие служит для выхода воздуха при заправке системы охлаждения. При работе двигателя жидкостный насос создает давление жидкости, под действием которого шарик клапана поднимается и закрывает отверстие, препятствуя утечке жидкости в радиатор. Герметичность соединения крышки термостата с корпусом обеспечивается благодаря резиновой прокладке П-образного профиля, установленной на фланец термостата.
Инновационным развитием систем охлаждения является применение в них термостата с шаровым клапаном (рис. 6.17). Такой термостат позволяет управлять циркуляцией потоков ОЖ в зависимости от потребности, что обеспечивает при холодном пуске быстрый выход на оптимальную рабочую температуру и поддержание её при различных режимах работы двигателя.
Главным элементом термостата является поворотная управляющая заслонка 7, которая бесступенчато перераспределяет потоки охлаждающей жидкости, поступающие на оба входа термостата. Заслонка перемещается под воздействием термоэлемента 4, установленного в корпусе термостата. В исходное положение заслонку возвращает пружина 2, усилие которой направлено против усилия (расширяющегося) термоэлемента.
На холодном двигателе управляющая заслонка полностью перекрывает поступление ОЖ от радиатора системы охлаждения (рис. 6.17, а). Охлаждающая жидкость циркулирует только по малому контуру, что позволяет быстро прогревать двигатель до рабочей температуры.
С ростом температуры ОЖ термоэлемент начинает перемещать управляющую заслонку. Она частично открывает канал поступления холодной охлаждающей жидкости от радиатора системы охлаждения (рис. 6.17, б). Это позволяет отводить от двигателя лишнее тепло, поддерживая его в оптимальном температурном диапазоне.
При достижении двигателем рабочей температуры заслонка полностью открывает канал поступления ОЖ от радиатора системы охлаждения (рис. 6.17, в). Основной поток охлаждающей жидкости проходит теперь через радиатор системы охлаждения.
Преимущества термостата с шаровым клапаном относительно традиционного термостата: незначительные усилия привода; компактная конструкция; высокая пропускная способность при полностью открытой управляющей заслонке.
Электронный термостат. В таком термостате в отличие от термостатов обычных систем охлаждения установлен дополнительное нагревательное сопротивление 3 (рис. 6.18).
При нагревании охлаждающей жидкости наполнитель 2 разжижается и расширяется, что ведет к перемещению штифта 1. Когда к нагревательному сопротивлению не поступает ток, термостат действует как традиционный, однако температура его срабатывания повышена и составляет 110°C (температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя). В наполнитель встроено нагревательное сопротивление 3. Когда на него подается ток, оно нагревает наполнитель 2, который при этом расширяется, в результате чего штифт выдвигается на определенную величину «x» в зависимости от степени нагрева наполнителя. Штифт 1 теперь перемещается не только под действием нагретой охлаждающей жидкости, но и под действием нагревания сопротивления, а степень его нагревания определяет блок управления двигателем в соответствии с заложенной в него программой оптимизации температуры охлаждающей жидкости. В зависимости от характера импульса и времени его подачи изменяется степень нагревания наполнителя.
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 может устанавливаться дополнительный датчик температуры охлаждающей жидкости.
Контроль температурного режима двигателя осуществляется по указателю температуры и сигнализатору перегрева (контрольная лампа), находящихся в составе комбинации приборов автомобиля. Указатель температуры охлаждающей жидкости управляется сигналом, формируемым блоком управления на основании информации от датчика. В комбинации приборов автомобиля, с указателя температуры охлаждающей жидкости снимается информация о текущей температуре ОЖ двигателя, и в случае превышения ею предельно-допустимого значения 105 °С, производится зажигание лампы сигнализатора перегрева охлаждающей жидкости.
Двухконтурные системы охлаждения. Помимо традиционных одноконтурных систем охлаждения в автомобильных двигателях могут применяться двухконтурные системы с двумя термостатами. В такой системе охлаждения предусмотрены два контура циркуляции охлаждающей жидкости (рис. 6.19). Потоки жидкости через головку и блок цилиндров разделены и могут иметь различные температуры. Управление этими потоками осуществляется двумя термостатами, расположенными в общем корпусе. Один из термостатов управляет потоком жидкости через блок цилиндров, а другой – через головку цилиндров. Одна третья часть жидкости направляется к цилиндрам, а остальные две трети – к камерам сгорания в головке цилиндров. Кроме того, головки цилиндров обоих двигателей охлаждаются поперечными потоками жидкости.
При температуре охлаждающей жидкости ниже 87°C оба термостата закрыты, благодаря чему прогрев двигателя ускоряется.
При этом охлаждающая жидкость движется по контуру, включающему:
— насос охлаждающей жидкости 11;
— головку цилиндров;
— корпус термостатов 6;
— радиатор отопителя 3;
— охладитель масла 8;
— клапан перепуска отработавших газов 2;
— расширительный бачок 1.
При температурах охлаждающей жидкости от 87 до 105°Cтермостат 4 головки блока цилиндров открыт, а термостат 6 блока цилиндров закрыт. В результате этого температура охлаждающей жидкости в головке цилиндров стабилизируется на уровне 87°С, а в блоке цилиндров она продолжает повышаться. При этом охлаждающая жидкость движется по контуру, включающему кроме вышеперечисленных составляющих системы охлаждения и через радиатор.
При температурах охлаждающей жидкости свыше 105°C оба термостата открыты. В результате этого температура охлаждающей жидкости в головке цилиндров стабилизируется на уровне 87°С, а в блоке цилиндров она устанавливается на уровне 105…107°C. При этом охлаждающая жидкость движется по контуру, включающему дополнительно к вышеперечисленному и через блок цилиндров.
Применение двухконтурной системы охлаждения и электрического насоса имеет следующие преимущества:
— ускоряется, прогрев блока цилиндров, охлаждающая жидкость через который не прокачивается вплоть до температуры 105…107°С;
— повышенные температуры блока цилиндров способствуют снижению потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме;
— сниженный температурный уровень головки цилиндров обеспечивает лучшее охлаждение камер сгорания, в результате чего повышается наполнение цилиндров и снижается склонность смеси к детонации, при одновременном уменьшении оксидов азота в сгорающей топливовоздушной смеси.
Дальнейшим развитием электронного управления системы охлаждения является интеллектуальное управление температурой системы охлаждения. Такая система прежде всего применяется для быстрого прогрева двигателя и, при необходимости, салона автомобиля.
Возникающее при сгорании топлива тепло распределяется между двигателем и коробкой передач, с одной стороны, и салоном автомобиля, с другой стороны. При достижении двигателем своей рабочей температуры задачей системы становится его охлаждение, направленное на то, чтобы не допустить превышения максимально допустимых для деталей двигателя температур. Для этого избыточное тепло через компоненты системы охлаждения отводится и рассеивается в окружающем воздухе.
Два основных компонента системы управления температурой — это выпускной коллектор, интегрированный в головку блока цилиндров, и модуль поворотных заслонок (рис. 6.20). Такой коллектор с водяным охлаждением позволяет практически полностью отказаться от обогащения смеси при полной нагрузке, позволяет снизить расход топлива. Кроме того, интегрированный выпускной коллектор способствует более быстрому нагреву охлаждающей жидкости и поэтому является важным элементом системы управления температурой.
Центральным исполнительным механизмом системы управления температурой является пластиковый модуль поворотных заслонок, в котором установлены две поворотные заслонки для регулировки потока охлаждающей жидкости (рис. 6.21). Поворотная заслонка 1 приводится от электродвигателя через червячную передачу с большим передаточным числом. В свою очередь, заслонка имеет зубчатое соединение с поворотной заслонкой 2. Поворотная заслонка 1 заменяет традиционный восковой термостат и может при необходимости оперативно осуществлять бесступенчатую регулировку температуры ОЖ в диапазоне от 85 °C до 107 °C. Кроме того, поворотная заслонка 1 регулирует возврат ОЖ от масляного радиатора двигателя.
При прогреве двигателя поворотная заслонка 2 сначала полностью перекрывает поступление ОЖ в двигатель. Все внешние клапаны закрыты (→ охлаждающая жидкость в двигателе не движется).
При поступлении команды на отопление (климатическая установка включена) неподвижная ОЖ не должна полностью уходить из двигателя. На этот случай предусмотрен отдельный контур отопления, по которому тепло, отводимое от головки блока цилиндров с интегрированным выпускным коллектором, поступает в систему отопления салона. Подача ОЖ в блок цилиндров (поворотная заслонка 2) при этом по-прежнему перекрыта, благодаря чему гильзы цилиндров продолжают быстро нагреваться, и трение снижается.
При дальнейшем повышении температуры двигателя поворотная заслонка 2 начинает постепенно открываться, образуя минимальный необходимый поток ОЖ, достаточный для охлаждения деталей. Быстрый нагрев ОЖ способствует дальнейшему снижению трения при прогреве двигателя.
При достижении определённой температуры ОЖ производится дополнительный нагрев моторного масла путём целенаправленного соединения с масляным радиатором двигателя с помощью поворотной заслонки 1.
После достаточного прогрева двигателя открывается распределительный клапан к масляному радиатору коробки передач, чтобы направить избыточное тепло на нагрев трансмиссионного масла.
Система интеллектуального управления температурой позволяет в полном диапазоне частоты вращения коленчатого вала поддерживать оптимальную температуру ОЖ для достижения минимального трения и максимального термодинамического КПД.
При низкой частоте вращения коленчатого вала и нагрузках двигателя температура охлаждающей жидкости поддерживается на уровне 107 °C для минимизации трения в двигателе. При повышении нагрузки и частоты вращения температура ОЖ снижается до 85 °C (рис. 6.22). Тем самым обеспечивается идеальный компромисс между снижением трения и повышением эффективности зажигания (и сокращением риска детонации). Высокая скорость перемещения поворотной заслонки даёт возможность быстро снижать температуру при резком повышении нагрузки. Это позволяет избежать превышений допустимой температуры.
Систему интеллектуального управления температурой дополняет специальная функция принудительной циркуляции при остановке двигателя. Электрический насос системы отопления и поворотная заслонка, установленная в специальное положение, создают направленную циркуляцию ОЖ из головки блока цилиндров и турбонагнетателя через основной радиатор системы охлаждения, что обеспечивает быстрый отвод тепла, накопившегося в деталях. Эта функция значительно сокращает время принудительной циркуляции.
В общей сложности представленная система интеллектуального управления температурой сокращает содержание CO2 на 2,5 г на км. в европейском ездовом цикле и даёт значительную топливную экономию при эксплуатации, а также обеспечивает высокий уровень комфорта благодаря быстрому обогреву салона.
Система охлаждения рециркуляции отработавших газов. В связи с принятием новых более жестких норм по предельно допустимому содержанию оксидов азота, которое возрастает пропорционально температуре, в отработавших газах дизельных двигателей применяют охлаждение рецеркулируемых отработавших газов.
В этой системе часть отработавших газов отбирается из основного потока между блоком цилиндров и турбонагнетателем (рис. 6.23). Отработавшие газы охлаждаются жидкостью системы охлаждения двигателя, а затем вводятся в поток свежего воздуха на входе промежуточного охладителя. Система EGR состоит из клапана, регулирующего количество рециркулирующих отработавших газов, выпускных трубопроводов и теплообменника, который подвергается воздействию очень высоких температурных нагрузок (например, в двигателях легковых автомобилей температура отработавших газов может достигать 450 °С, а в двигателях грузовиков — 700 °С), что требует применения термостойких материалов.
Система охлаждения рециркулируемых отработавших газов (ОГ) может иметь термостатическую регулировку. Охлажденная охлаждающая жидкость (ОЖ) для подачи в охладитель ОГ отбирается непосредственно с выхода радиатора системы охлаждения (рис. 6.24). За счёт сниженной температуры ОЖ отработавшие газы могут охлаждаться сильнее, что обеспечивает снижение образования оксидов азота (NOx) в камере сгорания.
Дополнительный насос радиатора рециркуляции ОГ работает, если активирована рециркуляция ОГ и закрыта заслонка рециркуляции. Если температура ОЖ на выходе из радиатора превышает 70 °C, то дополнительный насос ОЖ отключается. Он снова включается только при снижении температуры ОЖ ниже 63 °C. Термостат ОЖ системы рециркуляции ОГ открывается, если температура ОЖ на выходе из радиатора, зарегистрированная датчиком, превышает 70 °C. Термостат ОЖ служит для защиты охладителя рециркулируемых ОГ от перегрева (например, в случае отказа насоса рециркуляции ОГ из строя).
Радиатор рециркуляции ОГ работает в «режиме отсутствия охлаждения (байпас открыт)», если:
– температура двигателя менее 55 °C;
– температура ОЖ на выходе из радиатора менее 18 °C или более 70 °C;
– двигатель работает на холостом ходу;
– температура ОГ после радиатора рециркуляции ОГ менее 120 °C;
– температура окружающей среды менее 16 °C.
Теплообмен между ОГ и охлаждающей жидкостью происходит в радиаторе системы рециркуляции, имеющем охлаждающие кассеты, через которые протекает жидкость (рис. 6.25).
Внутри радиатора системы рециркуляции ОГ имеются две охлаждающие кассеты, состоящие из верхней и нижней частей. Для охлаждения у кассет имеются рёбра, которые направляют поток ОГ через радиатор. Рёбра имеют большую поверхность, которая поглощает тепло ОГ и отводит его через поверхность кассеты. Для создания оптимального потока охлаждающей жидкости и достижения эффективного теплообмена охлаждающая жидкость протекает через три слоя кассеты и посредством направляющих выводится через выходной патрубок. Второй выходной патрубок на радиаторе рециркуляции ОГ открывается и закрывается с помощью термостата.
Еще одним применением охладителей отработавших газов является их предварительное охлаждение на двигателях с искровым зажиганием. Предварительное охлаждение отработавших газов требуется для поддержания их температуры в пределах рабочего диапазона каталитических нейтрализаторов аккумуляторного типа.