Устройство и работа системы охлаждения

Температура при работе двигателя в среднем составляет 800…900° С, а при сгорании рабочей смеси в цилиндрах двигателей достигает 2500° С. Это вызывает сильный нагрев деталей и может привести к заклиниванию поршней в цилиндре, обгоранию головок клапанов, выгоранию смазки, выплавлению вкладышей подшипников и другим неисправностям. Жидкостная или воздушная система охлаждения служит для необходимого поддерживания в двигателе определенного теплового режима. В системе охлаждения температура охлаждающей жидкости на всех режимах работы двигателя должна поддерживаться в пределах 87...102° С.

Система охлаждения имеет следующие основные элементы: рубашка охлаждения двигателя, центробежный насос, трубо­проводы, радиатор, вентилятор, расширительный бачок, термо­стат и датчик с указателем температуры охлаждающей жид­кости (рис.6.1).

Рассмотрим принцип действия жидкостной системы охлаждения. При пуске холодного двигателя термосиловой элемент 11 термостата 13 (см.рис.6.1) находится в крайнем левом положении, при котором основной клапан 12 закрыт, а перепускной 15 открыт. При работе двигателя крыльчатка центробежного насоса 9, при­водимая во вращение через ременную передачу от шкива колен­чатого вала, захватывает охлаждающую жидкость из патрубка 10 и нагнетает ее в рубашку 8 блока и головки цилиндров двигате­ля 7. При этом жидкость отнимает излишнее тепло от нагретых частей, нагревается сама и через открытый перепускной кла­пан 15 термостата 13 снова поступает к насосу, т. е. цирку­ляция происходит по «малому кругу», минуя радиатор (см. стрелки I), что ускоряет нагрев двигателя.

Термосиловой элемент 11 термоста­та по мере прогрева двигателя нагревается и перемещает клапаны вправо, постепенно закры­вая перепускной 15 и открывая основной 12 клапаны. При этом циркуляция жидкости будет происходить, как и преж­де, по «малому кругу» и одновременно частично по «большому кругу» через радиатор 1 по патрубкам 4 и 14.

Необходимый тепловой режим двигателя поддерживается следующим образом. Перепускной клапан полностью за­кроется, когда двигатель полностью прогреется и температура жид­кости достигнет 85...95° С. В это время откроется основной клапан, и циркуляция жидкости будет происходить только по «большому кругу» (см. стрелки II) в сле­дующей последовательности: от насоса 9 в рубашку 8 блока и головки цилиндров по патрубку 4 в верхний бачок радиатора, че­рез сердцевину (по трубкам) в нижний бачок 16, и охлажден­ная при помощи вентилятора 5, по патрубку 14, через открытый клапан 12 термостата, по патрубку 10 снова к насосу.

Рис.6.1. Принципиальная схема жидкостной системы охлаждения двигателя:

I – циркуляция жидкости по малому кругу; II – циркуляция жидкости по большому кругу; 1– радиатор; 2 – заливная горловина с пробкой; 3 – расширительный бачок; 4, 10, 14 – патрубки; 5 – вентилятор; 6 – цилиндр; 7 – двигатель 8 – рубашка охлаждения блока и головки цилиндров; 9 – центробежный насос; 11 – термосиловой элемент; 12 – основной клапан; 13 – термостат; 15 – перепускной клапан; 16 – нижний бачок радиатора

Для компенсации измене­ний объема жидкости в результате работы двигателя служит расширительный бачок 3.

На двигателе автомобиля ВАЗ-2105 система охлаждения жид­костная, закрытая, с принудительной цикруляцией охлаждающей жидкости. Она содержит следующие элементы: рубашка 2 (рис.6.2) охлаждения блока и головки цилиндров, радиатор 3, расширительный бачок 1, центробежный насос 5, вентилятор 4, термостат 6, соединительные патрубки и шланги, сливные пробки, датчик и указатель температуры охлаждающей жидкости.

Рис.6.2. Система охлаждения ВАЗ-2105: 1 – расширительный бачок; 2 – рубашка охлаждения; 3 – радиатор; 4 – вентилятор; 5 – центробежный насос системы охлаждения; 6 – термостат; 7 – патрубок отвода жидкости из отопителя; 8 – патрубок подвода жидкости из головки цилиндров в отопитель

Радиатор представляет собой два латунных бачка (нижний и верхний), припаянных к сердцевине. Бачки соединены патрубками, верх­ний бачок имеет заливную горловину с пробкой. Сердцеви­на радиатора изготовлена из латунных трубок 1 (рис.6.3,а), соединяющих верхний и нижний бачки, и стальных пластин 2, увеличивающих поверхность охлаждения.

Пробкой 6 закрывается заливная горловина 5 (см.рис.6.3,б) радиатора и соединяется шлангом 7 с расширительным бач­ком 1 (см.рис.6.2). Пробка радиатора имеет выпускной 3 и впускной 4 клапаны, через которые радиатор сообщается с расширительным бачком.

Для предохранения от разрушения радиатора и патрубков выпускной клапан открывается при избыточном давлении в системе охлаждения до 0,5 кгс/см², и жидкость или пар отводятся из радиатора в расширительный бачок.

Клапан впускного бачка открывается при разрежении 0,01 кгс/см², и в радиатор поступает жидкость из расширительного бачка, что предотвращает сдавливание трубок сердцевины радиатора под действием атмосферного давления.

Рис.6.3. Сердцевина (а) и пробка (б) радиатора автомобилей ВАЗ-2105 и «Москвич»: 1 – трубки; 2 – стальные пластины; 3 – выпускной клапан; 4 – впускной клапан; 5 – горловина радиатора; б – корпус пробки; 7 – патрубок к расширительному бачку

Центробежный насос охлаждающей жидкости обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости в системе охлаждения. Он имеет корпус, в котором установ­лен вал 3 (рис.6.4) на шариковом подшипнике 9. На заводе подшипник заполняется смазкой Литол-24 и в дальнейшем не сма­зывается. На передний конец вала напрессована ступица 11 шки­ва 10, а на задний – крыльчатка 5.

Для уплотнения заднего конца вала на выходе его из корпуса служит самоуплотняющийся сальник с уплотнительной шай­бой 4, изготовленной из графитовой композиции, по поверхности которой скользит своим торцом крыльчатка. Внутри корпуса саль­ника находится резиновая манжета и разжимная пружина, прижимающая торцы манжеты к корпусу и к уплотнительной шайбе.

Привод насоса осуществляется трапециевидным ремнем от шкива коленчатого вала. Этим же ремнем осуществляется при­вод генератора.

Вентилятор 4 (см.рис.6.2) четырехлопастный пласт­массовый служит для создания направленного потока воздуха через сердцевину радиатора, в результате в нем происходит охлажде­ние жидкости. К ступице вала центробежного насоса болтами крепятся лопасти вентилятора вместе с приводным шкивом. Вентилятор снабжен специальным кожухом, прикрепляемым к радиатору для увеличения эффективности работы.

Аналогично устроена система охлаждения двигателя автомо­биля «Москвич-2140», а на автомобиле ВАЗ-2108 она имеет некоторые конструктивные особенности.

Рис.6.4. Центробежный насос охлаждающей жидкости ВАЗ-2105: 1 – стопорный винт подшипника; 2 – крышка корпуса; 3 – вал насоса; 4 – опорная уплотнительная шайба неразборного самоуплотняющегося сальника; 5 – крыльчатка; 6 – приемный патрубок; 7 – приемное отверстие отопителя салона кузова; 8 – окно подачи жидкости в рубашку блока цилиндров; 9 – двухрядный шариковый подшипник; 10 – шкив; 11 – ступица шкива

Разборной радиатор состоит из двух вертикальных пласт­массовых бачков 2 и 6 и сердцевины, изготовленной из ребрис­тых алюминиевых пластин 4 и горизонтальных трубок 3 (рис.6.5). В левом бачке имеется перегородка для улучшения циркуляции жидкости и теплоотдачи. Заливная горловина распо­ложена на расширительном бачке. В пробке расширительного бачка помещаются два клапана:

- выпускной (паровой) клапан открывается при избыточном давлении в системе охлаждения 0,2 кгс/см² и выпускает пары в атмосферу;

- впускной клапан (воздушный) открывается при понижении давления в системе до 0,97...0,87 кгс/см² (разрежение) вслед­ствие остывания или слива жидкости и пропускает в систему ат­мосферный воздух.

Для предупреждения образования паровых пробок верхний патрубок бачка шлангом постоянно соединен с патрубком радиатора. Нижний патрубок бачка шлангом соединяется с дополнительным патрубком термостата.

Датчик 4 установлен в бачке радиатора, и в зависимости от температуры охлаждающей жид­кости, которая поддерживается в пределах 85...95⁰ С, автоматически включает и выключает электродвигатель в бачке радиатора. Вентилятор 9 (см.рис.6.5) приводится от электродвигателя 10.

Рис.6.5. Система охлаждения ВАЗ-2108: 1 – расширительный бачок; 2 – левый бачок радиатора; 3– алюминиевые трубки; 4 – охлаждающие пластины сердцевины; 5 – датчик включения электровентилятора; 6 – правый бачок радиатора; 7 – сливная пробка; 8 – сердцевина радиатора; 9 – кожух электровентилятора; 10 – крыльчатка электровентилятора; 11 – электродвигатель; 12 – насос охлаждающей жидкости

Охлаждающие жидкости представляют собой смесь технического этиленгликоля и дистиллированной воды с темпера­турой замерзания соответственно минус 40 и 65° С (Тосол А-40 или Тосол А-65). При этой температуре жидкость превращается не в лед, а в густую массу, не вызывающую повреждений радиатора и блока цилиндров двигателя.

Охлаждающие жидкости не склонны к вспениванию, отложению накипи и испарению, но являются ядовитыми. При попадании их в организм человека может произойти тяже­лое отравление, поэтому их нельзя отсасывать ртом через шланг. После работы с ними надо хорошо мыть руки с мылом, не допускать попадания жидкости на окрашенную поверхность кузова во избежание порчи окраски. Жидкость хранят в закупоренной чистой пластмассовой или стеклянной посуде.

Расчет системы охлаждения

Исходная величина для расчета элементов системы охлаждения - количество теплоты (Дж/с), которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду,

Q_ж = q_ж · N_eN,

где q_ж - удельное количество теплоты, Дж/(кВт·с); N_eN - эффек­тивная мощность, кВт.

На основании статистических данных для различных типов дви­гателей удельное количество теплоты q_ж [Дж/(кВт·с)] составляет:

карбюраторные двигатели – 800 … 1200;

дизели – 630 … 1000.

Для ориентировочных расчетов четырехтактных двигателей ко­личество теплоты (Дж/с) может быть подсчитано по эмпирической формуле в зависимости от параметров двигателя.

Q_ж = C · i · D^1+2m · n^m · α^-1,

где С = 0,41¸0,47 - коэффициент пропорциональности; i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; n - частота вращения коленчатого вала, об/мин; α - коэффициент избытка воздуха; m= 0,6…0,7 - показатель степени.

Расчет радиатора. Основные параметры радиатора: поверхность охлаждения радиатора F_p (м²), омываемая воздухом; фронтальная поверхность радиатора F_ф.р (м²); глубина радиатора l(м) - рас­стояние между передней и задней стенками его решетки по ходу воздуха, l=0,06…0,15м; коэффициент компактности радиатора φ - отношение охлаждающей поверхности к объему радиатора, φ=F_р/F_ф.р·l=600…900 м²/м³; коэффициент оребрения ψ - отноше­ние площадей поверхностей, омываемых воздухом и жидкостью, ψ = 3…6.

Количество жидкости (кг/с), циркулирующей в системе охлаж­дения в единицу времени,

G_ж = Q_ж/(с_ж · ΔТ_ж) ,

где с_ж - теплоемкость циркулирующей жидкости: для воды с_ж = 4,178 Дж/(кг·К), для этиленгликолиевых смесей с_ж = 2,093 Дж/(кг·К); ΔТ_ж=5…10 - перепад температуры охлаж­дающей жидкости в радиаторе, К; ΔТ_ж = Т_ж.вх - Т_ж.вых .

Поверхность охлаждения радиатора (м²)

F_p = Q_ж/[К(Т_ж.ср – Т_в.ср)],

где К - полный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·град); Т_ж.ср=(Т_ж.вх+Т_ж.вых)/2=353…368 - средняя температура жидкости в радиаторе, К; Т_в.ср = (Т_в.вх+Т_в.вых)/2 = 323…328 - средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, К.

Полный коэффициент теплопередачи К зависит от многих фак­торов: конструкции радиатора (трубок, ребер, качества пайки), ско­рости жидкости и воздуха.

К = (ψ / α_ж + δ / λ + 1 / α_в)^-1,

где ψ - коэффициент оребрения; α_ж - коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке трубки радиатора, Вт/(м²·К); δ - толщина стенки трубки, м; λ - коэффициент теплопроводности металла тру­бок радиатора, Вт/(м·К); α_в - коэффициент теплоотдачи от стенок трубок радиатора к воздуху, Вт/(м²·К). Можно принимать К [Вт/(м²·К)]:

для карбюраторных двигателей 140 … 180;

для дизелей 80…100.

Для существующих конструкций систем жидкостного охлажде­ния удельная поверхность охлаждения радиатора (м²/кВт) f_р = F_р / N_eN и удельная емкость системы охлаждения (л/кВт): v_ж = V_ж / N_eN, где V_ж - полная емкость системы (л), имеют следующие значения:

для легковых автомобилей f_р = 0,136 ¸ 0,313; v_ж = 0,613 ¸ 0,354;

для грузовых автомобилей f_р = 0,204 ¸ 0,408; v_ж = 0,272 ¸ 0,816.

Количество теплоты, отводимой от двигателя Q_ж и передаваемой через охлаждающую жидкость охлаждающему воздуху в радиаторе Q_в, принимают равными. В этом случае расход воздуха через радиа­тор (м³/с)

G_в = Q_в/(ρ_в · с_в · ΔТ_в) ,

где Q_в - количество теплоты, отводимое от радиатора охлаждаю­щим воздухом: Q_в = Q_ж, Дж/с; с_в = 1000 - теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); ΔТ= Т_в.вых – Т_в.вх = 20 … 30 - перепад температуры воздуха в радиаторе, К (Т_в.вх = 313 К); ρ - плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе, кг/м³:

ρ_в = p₀ · 10⁶/(R_в · Т_в.ср),

где p₀ - атмосферное давление, МПа; R_B = 287 - удельная газовая по­стоянная для воздуха, Дж/(кг·К); Т_в.ср = 323 … 328 - средняя тем­пература воздуха, проходящего через радиатор, К.

Фронтальная поверхность решетки радиатора, выполненная в ви­де квадрата с целью получения коэффициента обдува равным еди­нице, (м²)

F_ф.р = G_в / v_в,

где v_в = 6…24 - скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения машины, м/с.

Глубину радиатора определяют по найденным значениям поверхности охлаждения радиатора F_р и фронтальной поверхности решетки радиатора F_ф.р:

l = F_р / (F_ф.р ·φ).