Збільшення теплонапряженности сучасних автомобільних двигунів змушує конструкторів робити нові кроки у вдосконаленні систем охолодження. Поряд зі збільшенням загальної ефективності теплообміну не залишаються без уваги питання економічнос
© Михайло Ожерельев
Збільшення теплонапряженности сучасних автомобільних двигунів змушує конструкторів робити нові кроки у вдосконаленні систем охолодження. Поряд зі збільшенням загальної ефективності теплообміну не залишаються без уваги питання економічності, екологічності та зменшення рівня шуму.
У двигунах внутрішнього згоряння від 25 до 45% теплоти, що виділяється при згорянні палива, перетворюється в корисну роботу, а інша енергія несеться з відпрацьованими газами, охолоджувальною рідиною, повітрям,
оточуючий двигун, і витрачається на подолання різних сил. Згоряння палива в циліндрах відбувається при температурі близько 2000-2200 ° С, і без примусового охолодження деталі, що знаходяться в зоні нагріву, працювати просто не зможуть. Так, наприклад, поршень з алюмінієвого сплаву повинен розплавитися при температурі близько 600 ° С, а моторне масло спалахне або випарується при нагріванні всього до 200-250 ° С. Тому для підтримки нормальної температури деталей і збереження достатньої мастила на поверхнях ковзання двигун потрібно інтенсивно охолоджувати. Цей процес повинен бути строго дозованим, так як не можна допускати ні перегріву, ні недостатнього нагріву двигуна. У першому випадку вигоряння масла і теплове розширення деталей супроводжується їх інтенсивним зносом, а в другому погане випаровування палива і підвищення в'язкості масла зменшує паливну економічність. Встановлено, що оптимальна температура деталей двигуна лежить в межах 85-95 ° С, вона повинна підтримуватися в цьому діапазоні незалежно від режиму роботи і температури навколишнього середовища. Підраховано, що витрати на охолодження складають 3-5% від загальної ефективної потужності двигуна, а за способом відведення тепла системи охолодження підрозділяються на два види - повітря і рідинні.
© Михайло Ожерельев
У повітряних системах все поверхні двигуна намагаються забезпечити ребрами, тобто збільшити поверхню відведення тепла, і встановлюють потужні вентилятори для обдування. До переваг таких систем слід віднести простоту і високу надійність, а до недоліків - велику потужність, затрачену на привід вентилятора, швидке охолодження двигуна в холодну погоду і утруднений при цьому повторний пуск. Проте, дана система знаходить своє застосування в великовантажних автомобілях, характерний приклад - чехословацька Tatra. А в іншій системі - рідинної, внутрішній простір блоку циліндрів і головки має спеціальні порожнини, через які за допомогою насоса прокачується охолоджуюча рідина. Тепло, що забирається охолоджувальною рідиною, потім розсіюється в навколишнє середовище, проходячи крізь соти радіатора. Серед переваг рідинних систем - висока інерційність, що дозволяє тривалий час підтримувати нормальну температуру двигуна в вимкненому стані, а також можливість підігріву двигуна в холодну пору за допомогою автономки і використання гарячого теплоносія в опаленні салону або кабіни водія. Серед недоліків - порівняльна складність, висока вартість, а також ймовірність розморожування двигуна і його псування при помилках в експлуатації в холодну пору року (так, саме час згадати про хороші біметалічні радіатори , Зігріваючі тіло в холодну російську зиму). Правда, один з перерахованих недоліків втрачає свою актуальність із застосуванням спеціальних охолоджуючих рідин - антифризів.
Сучасні антифризи являють собою суміш води з етиленгліколем в приблизній пропорції 45 і 65% відповідно.
© Михайло Ожерельев
Відсоток вмісту етиленгліколю відповідає мінімальній мінусовій температурі замерзання суміші. Але навіть при замерзанні охолоджуюча рідина перетворюється не в лід, а в густу масу, яка не збільшується в обсязі і не викликає ушкодження блоку циліндрів або радіатора. Крім цього охолоджуючі рідини в обов'язковому порядку доповнені пакетом різних речовин, що уповільнюють корозію (інгібіторів), які обирають залежно від призначення двигуна і від матеріалів, що використовуються в його конструкції. Ще один важливий момент, який досягається завдяки особливому складу антифризу - збільшення точки кипіння, що дозволяє зробити охолодження більш ефективним.
Тим часом слід не забувати про те, що при експлуатації охолоджуюча рідина старіє, інгібітор в ній поступово знижується, тепловіддача зменшується, схильність до піноутворення збільшується, а незахищені метали інтенсивно піддаються корозії. Ресурс антифризу напряму залежить і від технічного стану автомобіля. Старіння особливо інтенсивно, коли в систему охолодження просочуються відпрацьовані гази або повітря. Тому потрібно частіше перевіряти місця можливих витоків рідини, а також стан і кріплення шлангів. Термін заміни антифризу зазвичай наказує виробник автомобіля. Як правило, це два роки, але буває, що охолоджуюча рідина виробляє свій ресурс раніше. Серед симптомів даного явища можна назвати освіту желеподібної маси на внутрішній стороні горловини розширювального бачка, значна зміна кольору, а також помутніння. Таку охолоджуючу рідину краще замінити якомога швидше, незалежно від того, скільки вона прослужила.
© Михайло Ожерельев
Для підвищення ефективності теплообміну охолоджуючої рідини з навколишнім середовищем йде постійний пошук нових рішень. Радіатори з алюмінієвого сплаву з пластиковими бачками змінили раніше застосовувалися конструкції з латуні. Але, як і раніше, основним завданням радіатора, залишилося забезпечення безперервного і надійного відведення тепла, а серед інших пріоритетів з'явилися розробки в напрямку оптимізації спільної роботи з вентилятором і зменшенні аеродинамічного опору. Більш потужний вентилятор з підвищеними витратами енергії дозволяє зменшити розміри радіатора і навпаки. Крім того, різниця температур між охолоджуючим повітрям і рідиною повинна бути якомога більшою - це мета, яка досяжна тільки за рахунок
підвищення максимальних значень температур охолоджуючої рідини, що в свою чергу вимагає відповідного підвищення тиску в системі. Наприклад, при тиску 1,4 бар температура кипіння охолоджуючої рідини піднімається до 120 ° С.
Іншим важливим елементом системи охолодження є механічний прилад - термостат, який регулює потік теплоносія через радіатор, що забезпечує тим самим швидкий прогрів, і підтримка постійної температури. Встановлений на виході з головки блоку циліндрів він при низькій температурі перекриває магістраль до верхнього патрубка радіатора, переводячи систему в режим зниженої циркуляції по так званому «малому колі», а при високій відповідно включає «велике коло». Прилад складається з корпусу, датчика і системи клапанів. Датчик заповнений твердою речовиною під назвою церезин, які мають температуру плавлення, відповідну робочій температурі в системі. При досягненні цієї температури віск плавиться і збільшується в об'ємі, відповідно переміщаючи шток і відкриваючи клапан. При несправному термостаті, коли його основний клапан під дією пружини постійно закритий, двигун буде перегріватися. Однак і при нормально переміщаються, але не герметичних клапанах термостат може бути причиною довгого прогріву і роботи двигуна при низькій температурі охолоджуючої рідини. У таких випадках прилад бажано якомога швидше замінити.
© Михайло Ожерельев
Наступним пристроєм, гідним уваги, є вентилятор радіатора, призначений для обмеження температури охолоджуючої рідини по верхній межі. Подача вентилятора залежить від діаметра, числа і кута нахилу лопатей і частоти обертання його вала, а для підвищення ефективності він часто розміщується в направляющем кожусі (диффузоре), закріпленому на радіаторі. При виборі конструкції і розташування лопатей розробники прагнуть знизити створюваний ним шум, який може бути досить значним при високих швидкостях обертання крильчатки. Залежно від компонування силового агрегату на вантажівці або автобусі вентилятор може обертатися від пасової передачі, складного приводу з кутовим редуктором або гідромотора. Гідропривід виявився найбільш зручним для автобусів з заднім поперечним розташуванням радіатора, а ось електродвигуни, широко використовувані для цих цілей в легкових автомобілях, свого застосування у вантажівок не знайшли. Причина в обмеженої потужності, великому витраті енергії і можливі відмови через погані контактів.
© Михайло Ожерельев
Залежно від умов роботи машини, природний повітряний потік може забезпечити достатнє охолодження аж до 95% часу роботи двигуна, тому з метою економії палива (сьогодні в комерційному транспорті економічність виходить на перший план), вентилятор прагнуть по можливості відключити, забезпечивши системою управління. Завдяки своїй ефективності велике поширення на комерційному транспорті отримав рідинно-фрикційний привід вентилятора (вязкостная муфта). Серед розробників і виробників - відомі компанії Borg Warner і Behr. Система дозволяє здійснювати безступінчасте регулювання частоти обертання вентилятора відповідно до температури повітряного потоку, що обтікає біметалічний елемент. Муфта складається з трьох основних частин: диска приводу, що приводиться від двигуна, що її веде частини і механізму управління.
© Михайло Ожерельев
Ведена частина в свою чергу має живильну і робочу камери, через які циркулює робоча рідина. Крутний момент передається за рахунок внутрішнього тертя високов'язкої рідини, а регулювальна биметаллическая пружина, реагуючи на зниження температури навколишнього повітря, забезпечує закриття клапана. Це призводить до звільнення робочої камери від рідини і відключення приводу незалежно від невеликого залишкового крутного моменту.
Останнім часом широке застосування знаходять і віськомуфти з електронним управлінням. Роль біметалічної пластини виконує електромагнітний клапан, керований за сигналами електронного блоку, що дає можливість прискореної реакції взаємодії. Електроніка також примусово заблокує муфту при включенні кондиціонера і при роботі компресора в режимі нагнітання. У першому випадку інтенсивний обдув потрібно конденсатору кондиціонера, а в другому - змійовика компресора. Муфта приводу вентилятора з електронним управлінням, прижившись у європейців, вже знайшла своє застосування і у вітчизняному двигунобудування, зокрема на новому двигуні ЯМЗ-650. А двигуни американського ринку є прихильниками іншого плану вентилятором - пневматичної. Привід Kysor, який використовується на великовантажних автомобілях Freightliner і International постійно передає обертання від шківа на крильчатку через фрикційне кільце. У положенні відключення пневмоцилиндр роз'єднує провідну і провідну частини приводу, завдяки чому швидкість обертання вентилятора значно знижується. Велика фрикційна поверхня муфти Kysor дає можливість миттєвої передачі вентилятору високого крутного моменту, що в кінцевому підсумку прискорює реакцію взаємодії, а при виході з ладу електроніки або пневматики вентилятор залишиться включеним на повну потужність.
Ще одна цікава система - електронно-регульований насос охолоджуючої рідини для вантажних автомобілів (HDSSP), розроблений компанією Borg
Warner - новий приклад в області вязкостной технології. Вязкостная муфта розташовується між насосом і шківом двигуна. Таке розташування дозволяє з високою точністю контролювати швидкість обертання робочого колеса насоса блоком управління двигуна і в кінцевому підсумку отримати необхідну швидкість потоку охолоджуючої рідини. Одним з переваг електронно-регульованого насоса охолоджуючої рідини є: плавність в регулюванні і повний контроль над швидкістю обертання.
Регулювання охолоджуючої рідини, а не тільки повітряного потоку - це наступний логічний крок до вдосконалення в області систем терморегулювання, що вже став реальністю в технологіях деяких компаній. Незабаром планується розпочати серійне виробництво електронно-регульованих насосів охолоджуючої рідини для вантажних автомобілів, а як приклад - система з двоступеневої регулюванням здатна працювати в режимі змінних навантажень, з'явиться в оснащенні Mercedes Actros вже в 2009 році.
