Лекция 9. Назначение и характеристика системы охлаждения

Лекция 9. Назначение и характеристика системы охлаждения

План

1. Назначение и характеристика.

1. Назначение и характеристика.

Системой охлаждения называ­ется совокупность устройств, осуществляющих принудительный регулируемый отвод теплоты от деталей двигателя в окружающую среду.

Система охлаждения предназначена для поддержания оптималь­ного температурного режима, обеспечивающего получение мак­симальной мощности, высокой экономичности и длительного срока службы двигателя.

При сгорании рабочей смеси температура в цилиндрах двига­теля повышается до 2500 °С 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 износ деталей и может произойти поломка двигателя. При чрезмерном охлаждении дви­гатель также теряет мощность, ухудшается его экономичность и возрастает износ.

Для принудительного и регулируемого отвода теплоты в двига­телях автомобилей применяют жидкостную и воздушную системы охлаждения.

Тип системы охлаждения определяется теплоносителем (рабо­чим веществом), используемым для охлаждения двигателя.

Применение в двигателях различных систем охлаждения зави­сит от типа и назначения двигателя, его мощности и класса авто­мобиля.

В жидкостной системе охлаждения используются специальные
охлаждающие жидкости — антифризы различных марок, имею­щие температуру загустевания минус 40 "С и ниже. Антифризы со­держат антикоррозионные и антивспенивающие присадки, исключающие образование накипи. Они очень ядовиты и требуют осторожного обращения. По сравнению с водой антифризы имеют меньшую теплоемкость и поэтому отводят теплоту от стенок ци­линдров двигателя менее интенсивно. Так, при охлаждении анти
фризом температура стенок цилиндров на 15...20"С выше, чем, при охлаждении водой. Это ускоряет прогрев двигателя и уменьшает износ цилиндров, но в летнее время может привести к перегреву двигателя.

Оптимальным температурным режимом двигателя при жидко­стной системе охлаждения считается такой, при котором температура охлаждающей жидкости в двигателе составляет 80... 100 "С ! на всех режимах работы двигателя. Это возможно при условии , что с охлаждающей жидкостью уносится в окружающую среду 25...35% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. При этом в бензиновых двигателях величина отводимой теплоты больше, чем в дизелях.

На рис. 2.31 приведена диаграмма распределения теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателей автомоби­лей при жидкостной системе охлаждения. Из диаграммы следует, что в механическую работу преобразуется 20...35 % теплоты, уно­сится с отработавшими газами 35...40%, теряется на трение 5% и уносится с охлаждающей жидкостью 25...35 % теплоты.

По сравнению с воздушной жидкостная система охлаждения более эффективна, менее шумна, обеспечивает меньшую сред­нюю температуру деталей двигателя, улучшение наполнения ци­линдров горючей смесью и более легкий пуск двигателя при низ­ких температурах, а также использование жидкости для подогре­ва горючей смеси и отопления салона кузова автомобиля. Однако в системе возможно подсекание охлаждающей жидкости и имеет­ся вероятность переохлаждения двигателя в зимнее время.

В двигателях автомобилей жидкостная система охлаждения по­лучила наиболее широкое распространение (см. рис. 2.7, 2.8, 2.10 — 2.15).

В воздушной системе охлаждения отвод теплоты от стенок ка­мер сгорания и цилиндров двигателя осуществляется принуди­тельно потоком воздуха, создаваемым мощным вентилятором. Для более интенсивного отвода теплоты от цилиндров и головок цилиндров они выполнены с оребрением. Вентилятор у V-образного двигателя (см. рис. 2.9) установлен в развале между цилиндрами и приводится клино-ременнои передачей от шкива коленчатого вала. Двигатель сверху, с передней и задней сторон закрыт кожухами, направляющими потоки воздуха к наиболее нагреваемым частям. Вентилятор отсасывает воздух из внутреннего пространства, ог­раниченного развалом цилиндров. Поток воздуха, входящий сна­ружи в пространство между развалом цилиндров, проходит между ребрами цилиндров и головок и охлаждает их. На режиме макси­мальной мощности вентилятор потребляет 8 % мощности, разви­ваемой двигателем.

Интенсивность воздушного охлаждения двигателей существен­но зависит от организации направления потока воздуха и распо­ложения вентилятора.

В рядных двигателях вентиляторы располагают спереди, сбоку или объединяют с маховиком, а в V-образных — обычно в разва­ле между цилиндрами. В зависимости от расположения вентилято­ра цилиндры охлаждаются воздухом, который нагнетается или про­сасывается через систему охлаждения.

Оптимальным температурным режимом двигателя с воздуш­ным охлаждением считается такой, при котором температура мас­ла в смазочной системе двигателя составляет 70... 110°С на всех режимах работы двигателя. Это возможно при условии, что с охлаждающим воздухом рассеивается в окружающую среду до 35 % теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах двигателя.

Воздушная система охлаждения уменьшает время прогрева дви­гателя, обеспечивает стабильный отвод теплоты от стенок камер сгорания и цилиндров двигателя, более надежна и удобна в экс­плуатации, проста в обслуживании, более технологична при зад­нем расположении двигателя, переохлаждение двигателя малове­роятно. Однако воздушная система охлаждения увеличивает габаритные размеры двигателя, создает повышенный шум при работе; двигателя, сложнее в производстве и требует применения более • качественных горюче-смазочных материалов.

Воздушная система охлаждения имеет ограниченное применение в двигателях легковых автомобилей.

Лекция 10. Конструкция и работа жидкостной системы охлаждения

В дви­гателях автомобилей применяемая жидкостная система охлажде­ния является закрытой (герметичной), с принудительной цирку­ляцией охлаждающей жидкости. Внутренняя полость закрытой системы охлаждения не имеет постоянной связи с окружающей средой, а связь осуществляется через специальные клапаны (при определенном давлении или вакууме), находящиеся в пробках радиатора или расширительного бачка системы. Охлаждающая жидкость в такой системе закипает при ПО... 120 "С. Принудитель­ная циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивает­ся жидкостным насосом.

Система охлаждения двигателя состоит из рубашки охлажде­ния головки и блока цилиндров, радиатора, насоса, термостата, вентилятора, расширительного бачка, соединительных трубопро­водов и сливных краников. Кроме того, в систему охлаждения вхо­дит отопитель салона кузова автомобиля.

При непрогретом двигателе основной клапан термостата 19 (рис. 2.32) закрыт, и охлаждающая жидкость не проходит через радиатор 10. В этом случае жидкость нагнетается насосом 17 в рубашку охлаждения 8 блока и головки цилиндров двигателя. Из головки блока цилиндров через шланг 3 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. 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. Расширительный бачок 6, заполненный охлаж­дающей жидкостью, сообщается с атмосферой через резиновый

клапан, установленный в пробке 7 бачка. Бачок соединен шлан­гом с заливной горловиной радиатора, которая имеет пробку 9 с клапанами. Бачок компенсирует изменения объема охлаждающей жидкости, и в системе поддерживается постоянный объем цирку­лирующей жидкости. Для слива охлаждающей жидкости из систе­мы охлаждения имеются два сливных отверстия с резьбовыми пробками, одно из которых находится в нижнем бачке радиатора, а другое в блоке цилиндров двигателя. Температура жидкости в системе контролируется указателем, датчик которого установлен в головке блока цилиндров двигателя.

Жидкостный насос обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости в системе охлаждения двигателя. На двигателях автомо­билей применяют лопастные насосы центробежного типа (рис. 2.33). Вал 6 насоса установлен в отлитой из алюминиевого сплава крыш­ке 4 в двухрядном неразборном подшипнике 5. Подшипник разме­щен и зафиксирован в крышке стопорным винтом 8. На одном конце вала напрессована литая чугунная крыльчатка, а на дру­гом конце — ступица 7 и шкив 11 вентилятора 15. При вращении вала насоса охлаждающая жидкость через патрубок 10 поступает к центру крыльчатки, захватывается се лопастями, отбрасывается к корпусу 2 насоса под действием центробежной силы и через окно 3 в корпусе направляется в рубашку охлаждения блока цилиндров двигателя. Уплотнительное устройство 9, состоящее из самопод­вижного сальника и графитокомпозитного кольца, установлен­ное на валу насоса, исключает попадание жидкости в подшипник вала. Привод насоса и вентилятора осуществляется клиновым рем­нем 12 от шкива. 13, который установлен на переднем конце ко­ленчатого вала двигателя. Этим ремнем также вращается шкив 14 генератора. Нормальную работу насоса и вентилятора обеспечива­ет правильное натяжение ремня. Натяжение ремня регулируют путем перемещения генератора в сторону от двигателя (показано на рис. 2.33 стрелкой а). Насос корпусом 2, отлитым из алюмини­евого сплава, крепится к фланцу блока цилиндров в передней части двигателя.

Термостат способствует ускорению прогрева двигателя и ре­гулирует в определенных пределах количество охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор. Термостат представляет собой автоматический клапан. В двигателях автомобилей применяют не­разборные двухклапанные термостаты с твердым наполнителем.

Термостат (рис. 2.34) имеет два входных патрубка 1 и 11, вы­ходной патрубок 6, два клапана (основной 8, дополнительный 2) и чувствительный элемент. Термостат установлен перед входом в насос охлаждающей жидкости и соединяется с ним через патру­бок 6. Через патрубок 1 термостат соединяется с головкой блока цилиндров двигателя, а через патрубок 11 — с.нижним бачком радиатора.

Чувствительный элемент термостата состоит из баллона 4, ре­зиновой диафрагмы 5 и штока 9. Внутри баллона между его стен­кой и резиновой диафрагмой находится твердый наполнитель 10 (мелкокристаллический воск), обладающий высоким коэффици­ентом объемного расширения. Основной клапан 8 термостата с пружиной 7начинает открываться при температуре охлаждающей жидкости более 80 °С. При температуре ниже 80"С основной кла­пан закрывает выход жидкости из радиатора, и она поступает из двигателя в насос, проходя через открытый дополнительный кла­пан 2 термостата с пружиной 3. При возрастании температуры охлаждающей жидкости более 80 °С в чувствительном элементе плавится твердый наполнитель, и объем его увеличивается. Вслед­ствие этого шток 9 выходит из баллона 4, и баллон перемещается вверх. Дополнительный клапан 2 при этом начинает закрываться и при температуре более 94 "С перекрывает проход охлаждающей жидкости от двигателя к на­сосу. Основной клапан в этом случае открывается полнос­тью, и охлаждающая жидкость циркулирует через радиатор.

Расширительный бачок слу­жит для компенсации изме­нений 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. На легковых 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 окружающим воздухом. В пробке расширительных бачков часто имеется один резиновый клапан, срабатывающий при давлении, близком к атмосферному.

Радиатор обеспечивает отвод теплоты охлаждающей жидкости в окружающую среду. На легковых автомобилях применяются трубчато-пластинчатые радиаторы.

Радиатор легкового автомобиля (рис. 2.35) — неразборный, име­ет вертикальное расположение трубок и горизонтальное располо­жение охлаждающих пластин. Бачки радиатора и трубки латун­ные, а охлаждающие пластины стальные, луженые. Трубки и пла­стины образуют сердцевину 5 радиатора. В верхнем бачке 3 радиа­тора имеется горловина 2, через которую систему охлаждения заполняют жидкостью. Горловина герметично закрывается проб­кой 1, имеющей два клапана (впускной 7 и выпускной 8). Выпус­кной клапан открывается при избыточном давлении в системе 0,05 МПа, и закипевшая охлаждающая жидкость через патрубок 6 и соединительный шланг выбрасывается в расширительный ба­чок. Впускной клапан не имеет пружины и обеспечивает связь внут­ренней полости системы охлаждения с окружающей средой через расширительный бачок и резиновый клапан в его пробке, кото­рый срабатывает при давлении, близком к атмосферному. Впускной клапан перепускает жидкость из расширительного бачка при уменьшении ее объема в системе (при охлаждении) и пропускает и расширительный бачок при увеличении объема (при нагрева­нии жидкости). Радиатор установлен нижним бачком 4 на крон­штейны кузова на двух резиновых опорах, а закреплен вверху дву­мя болтами через стальные распорки и резиновые втулки. Для на­правления воздушного потока через радиатор и более эффектив­ной работы вентилятора за радиатором установлен стальной ко­жух 9 вентилятора, состоящий из двух половин'. Обе половины кожуха имеют резиновые уплотнители 10, которые уменьшают проход воздуха к вентилятору помимо радиатора и предохраняют от поломок кожух и радиатор при колебаниях двигателя на рези­новых опорах крепления. Радиатор не имеет жалюзи и утепляется в случае необходимости специальным съемным чехлом-утеплите­лем.

Радиатор легкового автомобиля, приведенный на рис. 2.36, — 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. Две опоры находятся снизу под левым и правым бачками, а третья опора — сверху. Резиновые опоры и резиновые прокладки между сердцевиной и бачками де­лают радиатор нечувствительным к вибрациям.

Вентилятор увеличивает скорость и количество воздуха, про­ходящего через радиатор. На двигателях легковых автомобилей ус­танавливают четырех- и шестилопастные вентиляторы. Вентилятор 15 двигателя (см. рис. 2.33) — шестилопастный. Ло­пасти его имеют скругленные концы и расположены под углом к плоскости вращения вентилятора. Вентилятор крепится наклад­кой 16 и болтами 17 к ступице 7 на валу насоса охлаждающей жидкости. Между вентилятором и ступицей устанавливается шкив. И привода насоса охлаждающей жидкости. На некоторых двигателях (см. рис. 2.36) применяется электро­вентилятор. Он состоит из электродвигателя 6 и вентилятора 5. Вентилятор — четырехлопастный, крепится на валу электродви­гателя. 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.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение системы охлаждения?

2. Каков оптимальный температурный режим двигателей при жидкостной и воздушной системах охлаждения?

3. Назовите основные части системы охлаждения, опишите их работу.

4. Каковы свойства антифризов?

8