Устройство и принцип работы системы охлаждения двигателя

Помимо главной функции отвода тепла от основных узлов двигателя автомобиля, система охлаждения решает ряд дополнительных задач. Фактически она участвует в работе системы смазки, отопления салона, выхлопа и рециркуляции отработавших газов, турбонаддува и коробки передач. О том, как она устроена, а также в чем заключается принцип работы охлаждающей системы и пойдет речь далее.

Виды систем охлаждения двигателя

Регулирование температуры автомобильного двигателя может осуществляться при помощи охлаждающей жидкости (антифриза, ОЖ) и посредством циркуляции воздуха. Исходя из этого различают три вида систем:

• Воздушная. Физически представляет собой обдув, благодаря которому происходит вытеснение горячего воздуха из подкапотного пространства в атмосферу. Воздушное охлаждение может быть естественным и принудительным (с использованием вентилятора). В силу низкой эффективности как самостоятельная система практически не применяется.
• Жидкостная. Представляет собой систему трубчатых контуров, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Жидкостное охлаждение может быть принудительным (перекачка насосом), термосифонным (за счет разности в плотности нагретой и охлажденной жидкостей) и комбинированным (охлаждение головки блока цилиндров осуществляется принудительно, а остальные узлы термосифонным принципом). Такая система более эффективна в сравнении с воздушной, но при определенных режимах работы (длительный простой с включенным двигателем, повышенные температуры окружающей среды) может быть недостаточной для качественного охлаждения.
• Комбинированная. Представляет собой использование и воздушного обдува, и жидкостных контуров.

Системы охлаждения на основе жидкости также разделяются на открытые и закрытые. Первые имеют сообщение с атмосферой при помощи пароотводной трубки, а во вторых жидкость полностью изолирована от окружающей среды. В закрытых системах давление антифриза больше, а следовательно, выше и температура кипения. Это позволяет использовать их при высоких температурах нагрева жидкости (до 120°C).

Устройство и принцип работы системы охлаждения ДВС

Наиболее популярной в современных автомобилях является комбинированная система охлаждения двигателя с принудительной циркуляцией воздуха и жидкости. Она состоит из следующих элементов:

• Радиатор системы охлаждения.
• Вентилятор радиатора.
• Малый и большой охлаждающие контуры.
• Рубашка системы охлаждения (система каналов в блоке цилиндров).
• Датчик температуры.
• Термостат.
• Расширительный бачок.
• Насос (помпа).
• Радиатор печки.
• Масляный радиатор (опционально).
• Радиатор системы рециркуляции отработавших газов (опционально).

В момент запуска двигателя насос начинает перекачку жидкости по малому контуру. Когда двигатель нагревается до рабочей температуры, срабатывает термостат и открывает второй (большой) контур охлаждения. Проходя через узлы мотора, охлаждающая жидкость нагревается и расширяется. При увеличении температуры часть жидкости поступает в расширительный бачок. Это позволяет компенсировать излишний объем, независимо от того, какое давление установилось в системе.

Большой и малый круги циркуляции ОЖ

Проходя через участок радиатора системы охлаждения, антифриз вновь остывает и возвращается на новый цикл. Если этот режим снижения температуры оказывается недостаточным, срабатывает температурный датчик, передающий сигнал блоку управления двигателя и запускающий вентилятор воздушного охлаждения. Если и его оказывается недостаточно, на приборную панель (индикатор) поступает сигнал о перегреве двигателя.

Масляный радиатор и радиатор рециркуляции отработавших газов может присутствовать не во всех системах охлаждения. Они необходимы для синхронного снижения температуры смазки и выхлопа, что делает эксплуатацию автомобиля более безопасной и экономичной. В автомобилях с турбонаддувом также может присутствовать еще один охлаждающий контур для снижения температуры воздуха наддува.

Как устроен радиатор охлаждения двигателя

Радиатор системы охлаждения ДВС состоит из следующих элементов:

• Сердцевина. Она может быть трубчатой (вертикальные трубки овального или круглого сечения, объединенные тонкими горизонтальными пластинами), пластинчатой (изогнутые пары пластин, спаянные по краям) и сотовой (спаянные трубки с сечением в виде правильного шестиугольника).
• Верхний бачок. Оснащен заливной горловиной с герметичной пробкой, а также патрубком для установки шланга, подводящего антифриз. В горловине выполнено отверстие для установки пароотводящей трубки. Последняя имеет паровой клапан, который открывается в случае закипания.
• Воздушный клапан. Он необходим для наполнения радиатора воздухом после остановки двигателя. Когда охлаждающая жидкость полностью остывает, без подачи дополнительного объема воздуха в системе может возникнуть сильное разрежение, провоцирующее сдавливание трубок.
• Нижний бачок. Оснащен патрубком для крепления шланга отвода жидкости.
• Крепления.

Принцип работы радиатора основан на многоуровневой циркуляции воздуха в его сердцевине, что делает снижение температуры охлаждающей жидкости, проходящей через него, более интенсивным.

Наиболее эффективными являются радиаторы пластинчатого типа, но они подвержены быстрому загрязнению, а потому самой популярной конструкцией стали трубчатые.

Особенности работы датчика температуры ОЖ

Температурный датчик позволяет контролировать состояние системы. Определить, где находится датчик температуры охлаждающей жидкости просто: как правило, он расположен в канале головки блока цилиндров. Он представляет собой терморезистор в герметичном корпусе, который может быть изготовлен из бронзы, пластика и латуни. На корпусе имеется резьба для установки в канал.

Принцип работы датчика основан на следующем эффекте: при повышении температуры сопротивление чувствительного элемента снижается, а при ее уменьшении увеличивается. Показатель сопротивления передается на электронный блок управления двигателем. Чтобы при этом данные состояния охлаждающей жидкости были точными, датчик должен быть полностью погружен в нее. При температуре 100°C сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости должно быть порядка 177 Ом. С учетом погрешностей измерения допускается показатель сопротивления 190 Ом. Если же отклонения больше допустимых, датчик необходимо заменить.

В некоторых моделях автомобилей может быть предусмотрено два датчика температуры. Один отвечает исключительно за включение вентилятора радиатора, а второй представляет собой датчик указателя текущей температуры охлаждающей жидкости.

Что используют в качестве охлаждающих жидкостей

В роли рабочей жидкости в системах охлаждения изначально применялась дистиллированная или деионизированная вода. Однако для современных двигателей она не обеспечивает нужный диапазон рабочих температур. Помимо этого, она склонна к коррозионной активности в отношении металлов, что снижает срок эксплуатации системы охлаждения. Для устранения этих недостатков в качестве охлаждающей жидкости сегодня применяются составы со специальными присадками (этиленгликоль, ингибиторы коррозии), что повышает характеристики всей системы. Чаще всего используется антифриз, который имеет более низкий порог замерзания.

При возникновении ситуации, когда требуется экстренный долив охлаждающей жидкости, можно использовать обычную чистую воду. Однако для корректной работы системы при первой возможности такой раствор необходимо заменить на качественный антифриз.

Замена охлаждающей жидкости проводится каждые 60-100 тысяч километров пробега. В охлажденном состоянии (при выключенном двигателе) ее количество должно быть на уровне нижнего края патрубка расширительного бачка охлаждающей системы. Для удобства на нем выполнены отметки “Min” и “Max”. Когда количество жидкости ниже минимальной отметки – выполняют долив. Если после работы уровень вновь упал – это свидетельствует о разгерметизации системы.

Значимость системы охлаждения двигателя не вызывает сомнений. А потому стоит регулярно проводить профилактический осмотр ее основных узлов. Это позволит избежать перегрева двигателя и возникновения критических поломок.

Принудительная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания

В принудительной системе охлаждения [рис. 1, б)] специальный насос прогоняет теплоноситель через систему. В данной системе скорость циркуляции жидкости значительно увеличивается, что препятствует её застою, а также парообразованию.

Рис. 1. Принципиальные схемы систем охлаждения двигателей.

а) – Жидкостная термосифонная система охлаждения;

б) – Жидкостная принудительная система охлаждения:

1) – Сердцевина радиатора;

4) – Верхний бак радиатора;

5) – Крышка наливной горловины;

6) – Пароотводная трубка;

7) – Верхний патрубок;

8) – Рубашка головки цилиндров;

9) – Рубашка блок-картера;

10) – Нижний патрубок;

11) – Нижний бак радиатора;

12) – Пробка сливного отверстия;

13) – Паровоздушный клапан;

16) – Водораспределительный канал;

17) – Центробежный насос;

18) – Водоотводная трубка;

в) – Воздушная система охлаждения:

1) – Масляный радиатор;

4) – Задний дефлектор;

6) – Шпилька крепления среднего дефлектора;

7) – Средний дефлектор;

8) – Передний дефлектор;

10) – Направляющий аппарат;

11) – Защитная сетка.

Система охлаждения с принудительной циркуляцией может быть как открытой (постоянно сообщается с атмосферой), так и закрытой. На автомобильных и тракторных двигателях широкое распространение получили закрытые системы охлаждения, где снижено испарение охлаждающей жидкости, а температура начала кипения выше, чем в открытой системе охлаждения.

Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателей стандартного типа охлаждает его нагреваемые детали. В системах современных автомобилей она выполняет и другие функции:

• охлаждает масло системы смазки;
• охлаждает воздух, циркулирующий в системе турбонаддува;
• охлаждает отработавшие газы в системе их рециркуляции;
• охлаждает рабочую жидкость автоматической коробки передач;
• нагревает воздух, циркулирующий в системах вентиляции, отопления и кондиционирования.

Есть несколько способов охлаждения двигателя, от применения которого зависит тип используемой системы охлаждения. Различают жидкостную, воздушную и комбинированную системы. Жидкостная — отводит от двигателя тепло при помощи потока жидкости, а воздушная — потока воздуха. В комбинированной системе оба этих способа объединены.

Чаще других в автомобилях используется жидкостная система охлаждения. Она равномерно и достаточно эффективно охлаждает детали двигателя и работает с меньшим шумом, чем воздушная. Основываясь на популярности жидкостной системы, именно на её примере и будет рассмотрен принцип действия систем охлаждения двигателя автомобиля в целом.

Схема системы охлаждения двигателя

Рассмотрим каждый из этих элементов по отдельности:

1. Радиаторы.

1. В обычном радиаторе нагретая жидкость охлаждается встречным потоком воздуха. Чтобы повысить его эффективность, в конструкции используется специальное устройство трубчатого вида.
2. Масляный радиатор предназначен для уменьшения температуры масла системы смазки.
3. Для охлаждения отработавших газов системы их рециркуляции задействуют третий вид радиаторов. Он позволяет охлаждать топливно-воздушную смесь при её сгорании, благодаря чему меньше образовывается оксидов азота. Дополнительный радиатор снабжен отдельным насосом, который также включен в систему охлаждения.

2. Вентилятор радиатора. Для повышения эффективности работы радиатора в нём используется вентилятор, который может иметь различный приводной механизм:

• гидравлический;
• механический (соединен на постоянной основе с коленчатым валом мотора автомобиля);
• электрический (работает от тока аккумулятора).

Наиболее распространен электрический вид вентиляторов, управление которым осуществляется в достаточно широких пределах.

3. Центробежный насос. При помощи насоса в системе охлаждения обеспечивается циркуляция её жидкости. Центробежный насос может быть оснащен различным типом привода, например, ременным или же шестеренным. У двигателей с турбонаддувом помимо основного может быть использован дополнительный центробежный насос для более эффективного охлаждения турбокомпрессора и наддувочного воздуха. Для управления работой насосов используется блок управления двигателем.

4. Термостат. При помощи термостата осуществляется регулировка количества жидкости, попадающей в радиатор. Устанавливается термостат в патрубке, ведущем к радиатору от рубашки охлаждения мотора. Благодаря термостату можно управлять температурным режимом системы охлаждения.

В автомобилях с мощным двигателем может быть использован термостат несколько иного вида — с электрическим подогревом. Он способен обеспечить регулирование температурного режима жидкости системы в двухступенчатом диапазоне при трех рабочих положениях.

В открытом состоянии такой термостат находится во время максимальной работы двигателя. При этом температура охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, понижается до 90 °С, благодаря чему снижается вероятность детонации двигателя. В остальных двух рабочих положениях термостата (открытое и полуоткрытое) температура жидкости будет поддерживаться на отметке 105 °С.

5. Теплообменник отопителя. Поступающий в теплообменник воздух нагревается для последующего его использования в отопительной системе автомобиля. Для повышения эффективности работы теплообменника его размещают непосредственно на выходе охлаждающей жидкости, прошедшей через двигатель и имеющей высокую температуру.

6. Расширительный бачок. Вследствие изменения температуры охлаждающей жидкости меняется и её объем. Чтобы компенсировать его, в систему охлаждения встраивается расширительный бачок, поддерживающий объем жидкости в системе на одном уровне.

7. Рубашка охлаждения двигателя. В конструкции такая рубашка представляет собой каналы для жидкости, проходящие через головку блока двигателя и блок цилиндров.

8. Система управления. В качестве элементов управления системы охлаждения двигателя в ней могут быть представлены следующие устройства:

Температурный датчик циркулирующей жидкости. Датчик температуры преобразует величину температуры в соответствующую величину электрического сигнала, который подается на блок управления. В тех случаях, когда система охлаждения используется для охлаждения отработавших газов или в других задачах, в ней может быть установлен ещё один температурный датчик, устанавливаемый на выходе радиатора.

Блок управления на электронной основе. Получая от датчика температуры электрические сигналы, блок управления автоматически реагирует и выполняет соответствующие воздействия на другие исполнительные элементы системы. Обычно, блок управления имеет программное обеспечение, выполняющее всю функции по автоматизации процесса обработки сигналов и настройки работы системы охлаждения.

Также, в системе управления могут быть задействованы следующие устройства и элементы: реле охлаждения мотора после его остановки, реле вспомогательного насоса, термостатный нагреватель, управляющий блок радиаторного вентилятора.

Принцип работы системы охлаждения двигателя в действии

Налаженная работа охлаждения обусловлена наличием системы управления. В автомобилях с современными двигателями её действия основаны на математической модели, в которой учтены различные показатели параметров системы:

• температура смазочного масла;
• температура жидкости, используемой для охлаждения двигателя;
• температура наружной среды;
• другие важные показатели, влияющие на работу системы.

Система управления, оценивая различные параметры и их влияние на работу системы, компенсирует их влияние регулированием условий работы управляемых элементов.

С помощью центробежного насоса осуществляется принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе. Проходя через рубашку охлаждения жидкость нагревается, а попав в радиатор — остывает. Нагревая жидкость, сами детали двигателя остывают. В рубашке охлаждения жидкость может циркулировать как в продольном (по линии цилиндров), так и в поперечном направлении (от одного коллектора к другому).

От температуры охлаждающей жидкости зависит круг ее циркуляции. Во время запуска двигателя он сам и охлаждающая жидкость холодные, и чтобы ускорить его нагрев жидкость направляется на малый круг циркуляции, минуя радиатор. В дальнейшем, при нагревании двигателя, термостат нагревается и меняет свое рабочее положение на полуоткрытое. Вследствие этого охлаждающая жидкость начинает течь через радиатор.

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.

Если в автомобиле используется турбонаддув, то он может быть оснащен двухконтурной системой охлаждения. Первый её контур охлаждает сам двигатель, а второй — наддувочный поток воздуха.

Смотрите познавательное видео про принцип работы системы охлаждения двигателя: