Дизайн и принцип работы автомобильных систем охлаждения
ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ
Том Бенфорд
Система охлаждения вашего автомобиля действительно замечательна, но большинство людей не понимают, как и насколько хорошо она работает. Двигатель вашего автомобиля лучше всего работает при довольно высокой температуре. Когда двигатель холодный, компоненты изнашиваются быстрее, двигатель менее эффективен и выбрасывает больше вредных веществ. Таким образом, важная роль системы охлаждения состоит в том, чтобы позволить двигателю прогреться как можно быстрее, а затем поддерживать его работу при постоянной температуре.
Чтобы лучше понять, как работает система охлаждения, рекомендуется посмотреть на работу двигателя в целом. Внутри работающего двигателя постоянно горит топливо. Много тепла от этого сгорания выходит прямо из выхлопной системы, но часть его впитывается в двигатель, нагревая его. Двигатель работает лучше всего, когда температура его охлаждающей жидкости составляет около 180-220° по Фаренгейту (в зависимости от года выпуска вашего автомобиля).
- Камера сгорания достаточно горячая, чтобы полностью испарить топливо, обеспечивая лучшее сгорание и снижение выбросов.
- Масло, используемое для смазки двигателя, имеет более низкую вязкость (оно более жидкое), поэтому детали двигателя двигаются более свободно, и двигатель тратит меньше энергии на перемещение своих компонентов.
- Металлические детали меньше изнашиваются.
В автомобилях используются два типа систем охлаждения: с жидкостным и воздушным охлаждением; но поскольку большинство автомобилей имеют жидкостное охлаждение, мы сосредоточимся здесь исключительно на этой системе.
Кратко о том, как это работает:
В системе охлаждения автомобилей с жидкостным охлаждением жидкость циркулирует по трубам и каналам в двигателе. Когда эта жидкость проходит через горячий двигатель, она поглощает тепло, охлаждая двигатель. После того, как жидкость покидает двигатель, она проходит через теплообменник или радиатор, который передает тепло от жидкости воздуху, проходящему через теплообменник.
По сути, насос направляет жидкость в блок цилиндров, где она проходит через каналы в двигателе вокруг цилиндров. Затем он возвращается через головку блока цилиндров двигателя. Термостат находится там, где жидкость выходит из двигателя. Трубопровод вокруг термостата отправляет жидкость обратно в насос напрямую, если термостат закрыт. Если он открыт, жидкость сначала проходит через радиатор, а затем возвращается к насосу. Также имеется отдельный контур для системы отопления. Этот контур забирает жидкость из головки блока цилиндров и пропускает ее через сердечник отопителя, а затем обратно к насосу.
А на автомобилях с АКПП обычно имеется еще и отдельный контур охлаждения трансмиссионной жидкости, встроенный в радиатор. Масло из трансмиссии прокачивается трансмиссией через второй теплообменник внутри радиатора.
Жидкость
Автомобили должны эксплуатироваться при самых разных температурах, от значительно ниже нуля до значительно выше 100° F (38° C), поэтому жидкость, используемая для охлаждения двигателя, должна иметь очень низкую температуру замерзания, высокую точку кипения и способность удерживать большое количество тепла.
Вода является одной из наиболее эффективных жидкостей для удержания тепла, но вода замерзает при слишком высокой температуре, чтобы ее можно было использовать в автомобильных двигателях. Жидкость, которую используют большинство автомобилей, представляет собой смесь воды и этиленгликоля, также известную как антифриз. При добавлении этиленгликоля в воду температуры кипения и замерзания значительно улучшаются, как вы можете видеть на этой диаграмме:
Температура охлаждающей жидкости иногда может достигать от 250° до 275° F (от 121° до 135° C). Даже с добавлением этиленгликоля при этих температурах охлаждающая жидкость будет кипеть, поэтому необходимо предпринять дополнительные меры, чтобы повысить ее температуру кипения.
Система охлаждения использует давление для дальнейшего повышения точки кипения охлаждающей жидкости. Точно так же, как температура кипения воды в скороварке выше, температура кипения охлаждающей жидкости выше, если вы создаете давление в системе. Большинство автомобилей имеют предел давления от 14 до 15 фунтов на квадратный дюйм (psi), что повышает температуру кипения еще на 45 ° F (25 ° C), чтобы охлаждающая жидкость могла выдерживать высокие температуры.
Антифриз также содержит присадки для защиты от коррозии.
Водяной насос
Водяной насос представляет собой простой центробежный насос, приводимый в действие ремнем, соединенным с коленчатым валом двигателя. Насос обеспечивает циркуляцию жидкости при работающем двигателе. Водяной насос использует центробежную силу для подачи жидкости наружу во время вращения, в результате чего жидкость непрерывно вытягивается из центра. Вход в насос расположен ближе к центру, так что жидкость, возвращающаяся из радиатора, попадает на лопасти насоса.
Затем лопасти насоса выбрасывают жидкость наружу насоса, где она может попасть в двигатель.
Жидкость, выходящая из насоса, проходит сначала через блок цилиндров и головку цилиндров, затем в радиатор и, наконец, обратно в насос.
Стенки цилиндра достаточно тонкие, а блок цилиндров в основном полый.
Двигатель
В блоке цилиндров и головке блока цилиндров имеется множество каналов, отлитых или обработанных механической обработкой для обеспечения потока жидкости. Эти проходы направляют охлаждающую жидкость к наиболее критическим областям двигателя.
Температура в камере сгорания двигателя может достигать 4500° F (2500° C), поэтому охлаждение области вокруг цилиндров имеет решающее значение. Области вокруг выпускных клапанов особенно важны, и почти все пространство внутри ГБЦ вокруг клапанов, которое не нужно для конструкции, заполнено охлаждающей жидкостью. Если двигатель слишком долго работает без охлаждения, он может заклинить.
Когда это происходит, металл нагревается настолько, что поршень приваривается к цилиндру, что обычно приводит к полному разрушению двигателя.
Одним из способов снижения требований к системе охлаждения является уменьшение количества тепла, передаваемого от камеры сгорания к металлическим частям двигателя. Некоторые двигатели делают это, покрывая внутреннюю часть верхней части головки блока цилиндров тонким слоем керамики. Поскольку керамика является плохим проводником тепла, к металлу передается меньше тепла, а через выхлопные газы уходит больше.
Головка двигателя также имеет большие каналы для охлаждающей жидкости.
Радиатор
Как отмечалось ранее, радиатор представляет собой тип теплообменника. Он предназначен для передачи тепла от протекающего через него горячего теплоносителя к воздуху, продуваемому через него вентилятором. Некоторые автомобили (например, Корветы) оснащены алюминиевыми радиаторами, так как они имеют более высокий тепловой коэффициент, чем латунные или медные.
Эти радиаторы изготавливаются путем припайки тонких алюминиевых ребер к плоским алюминиевым трубкам. Теплоноситель течет от входа к выходу по множеству труб, установленных параллельно. Ребра отводят тепло от трубок и передают его воздуху, проходящему через радиатор.
В трубки иногда вставляют ребро, называемое турбулизатором, которое увеличивает турбулентность жидкости, протекающей по трубкам. Если бы жидкость текла по трубкам очень плавно, непосредственно охлаждалась бы только та жидкость, которая действительно соприкасается с трубками. Количество тепла, передаваемого трубкам от протекающей по ним жидкости, зависит от разницы температур между трубкой и соприкасающейся с ней жидкостью. Поэтому, если жидкость, находящаяся в контакте с трубкой, быстро остывает, передается меньше тепла. Создавая турбулентность внутри трубки, вся жидкость смешивается, поддерживая температуру жидкости, соприкасающейся с трубкой, чтобы можно было отводить больше тепла, и вся жидкость внутри трубки используется эффективно.
Радиаторы обычно имеют по баку с каждой стороны, а внутри бака находится охладитель трансмиссии. Охладитель коробки передач подобен радиатору внутри радиатора, за исключением того, что вместо теплообмена с воздухом масло обменивается теплом с охлаждающей жидкостью в радиаторе.
Герметичная крышка
Крышка радиатора повышает температуру кипения охлаждающей жидкости примерно на 45° F (25° C). Крышка на самом деле представляет собой клапан сброса давления, и на автомобилях он обычно устанавливается на 15 фунтов на квадратный дюйм. Температура кипения воды повышается, когда вода находится под давлением. Когда жидкость в системе охлаждения нагревается, она расширяется, вызывая повышение давления. Крышка — единственное место, откуда может выйти это давление, поэтому положение пружины на крышке определяет максимальное давление в системе охлаждения. Когда давление достигает 15 фунтов на квадратный дюйм, клапан открывается, позволяя охлаждающей жидкости выйти из системы охлаждения.
Эта охлаждающая жидкость поступает через переливную трубку в нижнюю часть переливного бачка. Такое расположение предотвращает попадание воздуха в систему. Когда радиатор снова остывает, в системе охлаждения создается вакуум, который открывает другой подпружиненный клапан, всасывая воду обратно со дна переливного бачка, чтобы заменить воду, которая была вытеснена.
Термостат
Основная задача термостата — обеспечить быстрый нагрев двигателя, а затем поддерживать постоянную температуру двигателя. Он делает это, регулируя количество воды, проходящей через радиатор. При низких температурах выход к радиатору полностью перекрывается — вся охлаждающая жидкость рециркулирует обратно через двигатель.
Как только температура охлаждающей жидкости поднимается до 180–195 °F (82–91 °C), термостат начинает открываться, позволяя жидкости течь через радиатор. К тому времени, когда охлаждающая жидкость достигает температуры от 200° до 218° F (93°-103°C), термостат полностью открыт.
Термостат
Вентилятор
Как и термостат, вентилятор охлаждения должен управляться так, чтобы он позволял двигателю поддерживать постоянную температуру. Автомобили более поздних моделей имеют электрические вентиляторы. Вентиляторы управляются либо термостатическим выключателем, либо компьютером двигателя и включаются, когда температура охлаждающей жидкости превышает заданное значение. Они отключаются, когда температура падает ниже этой точки.
В старых автомобилях установлены вентиляторы охлаждения с приводом от двигателя. Эти вентиляторы имеют вязкостную муфту с термостатическим управлением, расположенную на ступице вентилятора, в воздушном потоке, проходящем через радиатор.
Система отопления
Возможно, вы слышали, что если ваш автомобиль перегревается, вы должны открыть все окна и включить обогреватель с вентилятором, работающим на полную мощность. Это хороший совет, потому что система отопления на самом деле является вторичной системой охлаждения, которая отражает основную систему охлаждения вашего автомобиля.
Сердцевина отопителя, расположенная в приборной панели или под ней, на самом деле представляет собой небольшой радиатор. Вентилятор отопителя нагнетает воздух через радиатор отопителя в салон автомобиля.
Сердечник отопителя всасывает горячую охлаждающую жидкость из головки блока цилиндров и возвращает ее в насос, поэтому обогреватель работает независимо от того, открыт или закрыт термостат.
Вот и все!
Тепловое управление | Отопление | Мой автомобильный словарь
Как мы все знаем, моторные отсеки стали намного меньше, что привело к колоссальному накоплению тепла, которое необходимо рассеивать. Многое требуется от современных систем охлаждения, где охлаждение…
Функция
Управление температурным режимом: Система охлаждения двигателя
Как мы все знаем, моторные отсеки стали намного меньше, что привело к огромному накоплению тепла, которое необходимо рассеять. Многое требуется от современных систем охлаждения, когда речь идет об охлаждении моторного отсека.
В связи с этим в последнее время был достигнут значительный прогресс в области охлаждения.
Система охлаждения должна соответствовать следующим требованиям:
- Более короткий период прогрева
- Более быстрый обогрев салона
- Низкий расход топлива
- Увеличенный срок службы компонентов
Следующие компоненты составляют основу всех систем охлаждения двигателя:
- Радиатор
- Термостат
- Насос охлаждающей жидкости (механический или электрический)
- Расширительный бачок
- Трубопроводы
- Вентилятор двигателя (с приводом от клинового ремня или Visco®)
- Датчик температуры (управление двигателем/дисплей)
Радиатор
90 004 Радиаторы установлены в потоке воздуха в передней части автомобиля. В их задачу входит отвод тепла, образующегося в результате сгорания в двигателе и поглощаемого охлаждающей жидкостью, в наружный воздух.
Насос охлаждающей жидкости
Насос охлаждающей жидкости имеет механический или электрический привод; он подает охлаждающую жидкость по контуру охлаждающей жидкости.
Вентилятор радиатора
Один или несколько вентиляторов радиатора с механическим или электрическим приводом поддерживают процесс охлаждения охлаждающей жидкости. Вентиляторы расположены до или после радиатора и могут регулироваться электронным способом.
Термостат
Термостат охлаждающей жидкости с механической или электронной регулировкой расположен в контуре хладагента. Он регулирует температуру охлаждающей жидкости.
Теплообменник
Клапан нагрева, управляемый механически, пневматически или электрически, открывает и закрывает контур охлаждения теплообменника. Клапан теплообменника (дополнительно) Воздух, поступающий от вентилятора салона, проходит через теплообменник, нагреваясь при этом.
Функция :
Доохладители с воздушным или водяным охлаждением должны охлаждать воздух, сжатый турбонагнетателем, для повышения эффективности двигателя. После механической неисправности, влияющей на турбонагнетатель, необходимо заменить охладители.
Компоненты климат-контроля автомобиля
Компрессор
Компрессор приводится в движение двигателем автомобиля через клиновидный ремень. Он сжимает всасываемый газообразный хладагент перед подачей его в конденсатор.
Конденсатор
Конденсатор расположен перед радиатором. Он охлаждает хладагент, выходящий из компрессора, так что он выходит из конденсатора в виде жидкости.
Фильтр-осушитель
Фильтр-осушитель удаляет загрязнения и влагу из жидкого хладагента. Он также действует как хранилище хладагента. Внутри корпуса находится фильтрующая прокладка из гранулята, которая может поглощать только определенное количество влаги.
Расширительный клапан
Расширительный клапан является точкой, разделяющей зоны высокого и низкого давления. Он регулирует поток хладагента в зависимости от температуры, впрыскивая большее или меньшее количество жидкого хладагента в испаритель. В то же время он пропускает газообразный хладагент из испарителя в компрессор
Безопасность
Управление температурным режимом обеспечивает безопасную работу двигателя независимо от условий эксплуатации и погодных условий. Это позволяет избежать поломок из-за перегрева двигателя и дорогостоящего ремонта. Кондиционер также вносит важный вклад в повышение безопасности и повышение комфорта при езде. Поскольку водители меньше подвержены физическому стрессу и переутомлению, они лучше концентрируются и реагируют. Это помогает избежать несчастных случаев.
Амортизация
Для обеспечения надежной работы системы терморегулирования на протяжении всего срока службы автомобиля обязательно соблюдение интервалов технического обслуживания, предписанных производителем автомобиля.
Система охлаждения проверяется в рамках сервисных и профилактических работ. Специалисты в автосервисах проверяют содержание антифриза в охлаждающей жидкости и проверяют все компоненты системы на наличие утечек и повреждений.
Оборудование климат-контроля автомобиля также должно регулярно проверяться в гараже. Шланги и уплотнения стареют и высыхают, в результате чего они ослабевают и дают протечки. Это приводит к испарению хладагента и снижению эффективности охлаждения. Ситуацию можно исправить, проверив систему кондиционирования и при необходимости дозаправив ее хладагентом. Также рекомендуется проводить обслуживание кондиционера каждые два года. Обслуживание кондиционеров включает, например, замену хладагента, проверку на наличие утечек и замену осушителя при необходимости.
Защита окружающей среды
Для обеспечения минимальных выбросов двигатель должен очень быстро достигать своей рабочей температуры и поддерживать эту температуру в течение всего времени работы.