При работе двигателя внутреннего сгорания только примерно четверть высвобождаемой химической энергии топлива преобразуется в механическую работу, которая может использоваться для приведения автомобиля в движение, остальное рассеивается в окружающем воздухе в виде теплоты (рис. 7.1). Чуть больше трети общей энергии выбрасывается вместе с отработавшими газами, ещё треть воспринимается и отводится системой охлаждения двигателя.
Температура в течение рабочего цикла двигателя изменяется от 80… 120° С (минимальная) в конце впуска до 2000…2500 °С (максимальная) в конце сгорания смеси и в среднем при работе двигателя составляет 800…900°С. Поэтому детали двигателя сильно нагреваются, и если их не охлаждать, то будут снижаться мощность двигателя, его экономичность, увеличиваться изнашивание деталей и может произойти поломка двигателя.
Интенсивность нагрева деталей зависит от режима работы двигателя, поэтому при малых нагрузках и частотах вращения коленчатого вала температуры деталей и масла могут быть, наоборот, недостаточными для нормальной работы двигателя. Следовательно, двигатель должен иметь устройства, позволяющие менять интенсивность отвода теплоты от деталей в зависимости от режима работы двигателя. Для обеспечения оптимального и стабильного теплового состояния двигателя на любом режиме его работы путем принудительного отвода теплоты от деталей применяется система охлаждения двигателя. Нарушение теплового режима работы двигателя негативно сказывается на работе всех его систем и механизмов. При переохлаждении двигателя растут потери на трение из-за повышения вязкости масла и интенсивность изнашивания, ухудшается смесеобразование и сгорание, повышается выброс углеводородов, увеличиваются тепловые потери в стенки цилиндра, конденсация паров воды в картере усиливает коррозионный износ деталей.
При перегреве двигателя снижается вязкость масла и растут потери на трение, снижается прочность материалов, растут температурные напряжения и деформации деталей, вызывая их коробление и выбирая зазоры в подвижных сочленениях, уменьшается массовое наполнение, а в двигателях с искровым зажиганием также возрастает вероятность детонации. Оптимальным температурным режимом двигателя при жидкостной системе охлаждения считается такой, при котором температура охлаждающей жидкости в двигателе составляет 80… 100 °С.
Система охлаждения представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих отвод тепла от нагретых деталей двигателя и поддерживающих требуемый температурный режим для нормальной его работы. На современных автомобилях система охлаждения, помимо основной функции, выполняет ряд других функций, в том числе:
- нагрев воздуха в системе отопления, вентиляции и кондиционирования;
- охлаждение масла в системе смазки;
- охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
- охлаждение воздуха в системе турбонаддува;
- охлаждение рабочей жидкости в автоматической коробке передач.
В большинстве современных двигателей применяются жидкостные системы охлаждения, которые подразделяются на одноконтурные и двухконтурные.
В жидкостной системе охлаждения используются специальные охлаждающие жидкости — антифризы различных марок, являющиеся смесью этиленгликоля (двухатомного спирта) с дистиллированной водой. Данная смесь в зависимости от взаимной концентрации компонентов имеет температуру замерзания от 0 до –75 ºС. Антифризы содержат специальные присадки, позволяющие придать охлаждающей жидкости смазочные, антикоррозионные, антивспенивающие и другие свойства.
Необходимое соотношение антифриза с водой представлено в табл. 6.1.
|
— 25°С
|
40% |
| — 30°С | 46% |
| — 38°С | 54% |
| — 46°С | 60% |
Конструкции системы охлаждения бензинового и дизельного двигателей грузовых и легковых автомобилей подобны. Система охлаждения двигателя включает рубашку охлаждения 12, 13 (рис. 6.2) радиатор охлаждающей жидкости 1, радиатор (теплообменник) отопителя 11, вентилятор 3, центробежный насос охлаждающей жидкости 5, а также расширительный бачок 6и термостат 4. Для регулирования работы системы используются элементы управления: термостат 4, датчик температуры охлаждающей жидкости для электронного блока управления двигателем или системы управления вентиляторами, а также указатель температуры 9 или контрольная лампочка аварийного значения температуры, установленные на панели перед водителем.
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 воздуха 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).
Во время работы двигателя охлаждающая жидкость нагревается и подается водяным насосом в радиатор, где она охлаждается, а затем снова поступает в рубашку блока цилиндров. Для надежной работы двигателя необходимо, чтобы охлаждающая жидкость постоянно циркулировала по замкнутому кругу «двигатель — радиатор — двигатель». Жидкость может циркулировать по малому кругу, минуя радиатор (непрогретый двигатель, термостат закрыт), или по большому кругу, поступая в радиатор (прогретый двигатель, термостат открыт), где охлаждается встречным потоком воздуха. При необходимости жидкость охлаждается потоком воздуха от вентилятора.
При запуске двигателя сам двигатель и охлаждающая жидкость в нем холодные. Для ускорения прогрева двигателя охлаждающая жидкость движется по малому кругу, минуя радиатор. В ходе работы двигателя цикл движения охлаждающей жидкости многократно повторяется. Направление движения охлаждающей жидкости показано на рис. стрелками.
При непрогретом двигателе основной клапан термостата 4 закрыт, охлаждающая жидкость подается насосом системы охлаждения 5 в нижнюю рубашку охлаждения гильз цилиндров и в верхнюю рубашку охлаждения гильз цилиндров 13. Через радиатор 1 жидкость в этом случае не проходит (малый круг). Из головки блока цилиндров через шланг жидкость поступает к дополнительному клапану термостата и попадает вновь в насос. Вследствие циркуляции этой части жидкости двигатель быстро прогревается. Одновременно меньшая часть жидкости поступает из головки блока цилиндров в обогреватель (рубашку) впускного трубопровода двигателя, а при открытом кране — в отопитель салона кузова автомобиля. При прогретом двигателе дополнительный клапан термостата закрыт, а основной клапан открыт. В этом случае большая часть жидкости из головки блока цилиндров попадает в радиатор, охлаждается в нем и через открытый основной клапан термостата поступает в насос (большой круг). Меньшая часть жидкости, как и при непрогретом двигателе, циркулирует через обогреватель впускного трубопровода двигателя и отопитель салона кузова. В некотором интервале температур основной и дополнительный клапаны термостата открыты одновременно, и охлаждающая жидкость циркулирует в этом случае по двум направлениям (кругам циркуляции). Количество циркулирующей жидкости в каждом круге зависит от степени открытия клапанов термостата, чем обеспечивается автоматическое поддержание оптимального температурного режима двигателя.
Если встречного потока воздуха радиатора недостаточно для понижения температуры жидкости до требуемого значения, включается вентилятор, образующий дополнительный поток воздуха. Охлажденная жидкость вновь попадает в рубашку охлаждения и цикл повторяется.