Принцип дії системи охолодження

Мета роботи: Ознайомитися з призначенням та конструкцією системи охолодження двигуна, вивчити принцип дії та класифікацію приборів системи охолодження.

Короткі відомості

Температура газів в циліндрах працюючого двигуна досягає 1800 - 2000°С. Частина тепла, що виділяється при згорянні робочої суміші в циліндрах двигуна перетворюється на механічну роботу, а частина розподіляється на нагрівання двигуна. Робоча температура двигуна повинна бути в межах 80 - 95°С. У разі перегрівання двигуна його потужність різко зменшується, а витрата палива збільшується, крім того, це може призвести до заклинювання поршнів, підгоряння клапанів, вигоряння мастила, виплавлення підшипників КВ і руйнування його шийок. У випадку ж переохолодження двигуна його потужність також знижується, збільшується витрата палива, частина робочої суміші конденсується на стінках циліндрів і змиває мастило.

Так как сгорание в двигателе происходит при высоких температурах, достигающих 2100-2300°С, то без принудительного охлаждения такие детали, как цилиндр, поршень и направляющие втулки клапанов, нагревались бы до температуры выше воспламенения масла.

Для підтримки робочої температури двигуна і служить система охолодження. Існують два способи охолодження двигунів внутрішнього згоряння: повітряний і рідинний.

При повітряному охолодженні тепло відводиться завдяки потоку повітря. Переваги такої системи полягають в простоті її конструкції, зменшенні робочих вузлів, зменшенні маси, зручності обслуговування, виключенні розморожування при низьких температурах. Однак ця система має і певні недоліки, а саме значне споживання потужності для створення потоку повітря, підвищену гучність, складність у якісному регулюванні теплового режиму двигуна. Переважно повітряна система охолодження використовується на двигунах автомобілів, які працюють у кліматичних зонах з низькою температурою навколишнього середовища.

Рис. 1 Варіанти повітряних систем охолодження: а – з вертикальним розташуванням циліндрів, б – з горизонтальним розташуванням.

До системи охолодження (рис.2) відносяться: масляний радіатор 1; 2, 9 – масляні трубопроводи; 3 – датчик температури мастила, 4 – вентилятор; 5 – гідромуфта; 6 – дросель; 7 – картер гідромуфти; 8 – електрогідроклапан; 10, 12 – датчики температури головки циліндра; 11 – покажчик температури; 13 – електронний блок керування; 14 – сигнал керування пневмоциліндром; 15 – електропневмоклапан пневмоциліндра керування потоком повітря.

Рис. 2 Варіант повітряної схеми охолодження

Проте більш розповсюдженою на ДВЗ автомобілів є рідинна система охолодження. Більшість рідинних систем охолодження є закритими, з примусовою циркуляцією рідини. У закритій системі за рахунок збільшення тиску, можливе підвищення температури кипіння охолоджувальної рідини (ОР). У сучасних закритих системах для зміни обсягів ОР застосовують окремі розширювальні бачки.

В якості ОР використовують етиленгликолевоводну суміш – антифриз. Зокрема застосовують антифризи ТОСОЛ, які при низьких температурах густіють, але не кристалізуються й не пошкоджують блок циліндрів і радіатор.

Принцип роботи й основні вузли рідинної системи охолодження показані на рис 3.

Рис.3 Принципова схема рідинної системи охолодження

1 – радіатор; 2 – термостат; 3 – насос; 4 – канали в блоці циліндрів; 5 – канали в головці блоку циліндрів; 6 – вентилятор

Рідинна система охолодження складається з водяної сорочки розміщеної в блоці циліндрів, водяного насоса призначеного для примусової циркуляції охолоджувальної рідини, термостата для автоматичного підтримання оптимального теплового режиму двигуна, радіатора для віддачі зайвого тепла в атмосферу, верхнього та нижнього патрубка що з’єднують двигун з радіатором, «жалюзів» для закриття серцевини радіатора в зимовий період, та приладів і датчиків контролю температури, зливних краників та вентилятора.

Радіатор складається з верхнього і нижнього бачків, серцевини. Кріплять його в автомобілі на гумових подушках з пружинами.

Рис. 4 Радіатор

Будова радіатора: 1- верхній бачок з патрубком, 2- паровідвідна трубка, 3- заливна горловина з пробкою, 4- серцевина, 5 нижній патрубок Найпоширеніші трубчасті і пластинчасті радіатори. У перших серцевина кількома рядами латунних трубок, які проходять через горизонтальні пластини, що збільшують поверхню охолодження серцевини і підвищують жорсткість радіатора. У других серцевина складається з одного ряду плоских латунних трубок, кожна з яких виготовлена із спаяних між собою по краях гофрованих пластин. Верхній бачок радіатора вищеописаних автомобілів (крім КамАЗ-5320) має заливну горловину і паровідвідну трубку. Горловина радіатора герметично закривається пробкою, в якій е два клапани: паровий і повітряний. Паровий клапан Відкривається автоматично лише із підвищенням тиску в системі охолодження понад 0,04 МПа (0,4 кгс/см2), внаслідок чого температура кипіння рідини підвищуєтеся. Повітряний клапан відкривається і пропускає в систему повітря, коли тиск в ній зменшуються, внаслідок охолодження рідини, захищаючи таким чином трубки радіатора від сплющування під дією атмосферного тиску.

Циркуляцію ОР умовно розділяють на два види: циркуляція по малому й по великому колу. В обох варіантах джерелом примусового руху рідини є насос. Його кріплять болтами через прокладку до верхньої частини блока циліндрів. Насос складається із корпуса 7, крильчатки 5 та корпуса підшипників 10, які з’єднані між собою через «прокладку» 6. Вал 4 насоса обертається в двох шарикопідшипниках 3.

Рис. 5 Водяний насос і вентилятор

Передній підшипник фіксується упорним кільцем 2, а задній утримується від переміщення дистанційною втулкою 11.

Пластмасова крильчатка 5 кріпиться на задньому кінці вала за допомогою металевої маточини («ступица»). При обертанні крильчатки рідина із притічного («подводящего) патрубка 9 поступає до центру, а далі, захоплюється лопатями («лопастями») та під дією відцентрової сили відкидується до стінок корпуса 7, далі через порожнисті приливи («полые приливы») 8 подається у рубашку охолодження двигуна.

Для підвищення швидкості потоку повітря, який проходить через радіатор, використовують вентилятор 15 (рис.5). Вентилятори, які встановлюють на двигунах мають 4, 5, 6 – лопасті.

Для пришвидшення прогрівання холодного двигуна та автоматичної підтримки його теплового режиму в заданих діапазонах слугує термостат. Конструктивно він представляє собою клапан, який регулює кількість циркулюючої рідини через радіатор. На двигунах ЗІЛ – 130 застосовують термостати з твердим наповнювачем (рис. 6,а)

Рис. 6 Термостат з твердим наповнювачем

а) загальний вид; б) клапан термостата відкритий; в) клапан термостата закритий

При обертанні колінчатого вала крутний момент за допомогою приводного паса передається на шків вала насоса, приводячи його в обертання. При цьому крильчатка захоплює рідину, що підводить по шлангу й патрубку з радіатора, і подає її в сорочку охолодження. Там вона прохолоджує нагріті деталі Якщо двигун непрогрітий і температура охолоджувальної рідини менша за 75-80 0С то охолоджувальна рухається по малому колу циркуляції охолоджувальної рідини водяний насос – водяна сорочка – перепускні вікна термостата (так як основний клапан термостата закритий) – водяний насос. При прогрівані двигуна більше ніж 80 0С повністю відкривається клапан термостата і охолоджувальна рідина починає рухатися по великому колі циркуляції охолоджувальної рідини. Водяний насос – водяна сорочка – клапан термостату – верхній патрубок – радіатор – нижній патрубок водяний насос.

Такий термостат розташовується між патрубком 7 (рис. 3,б) та корпусом 12 випускного трубопроводу. Балончик 1 термостата заповнений чутливою масою 2, яка складається із суміші церезина та мідного порошку. Активна маса, яка знаходиться у балончику закрита гумовою мембраною 3, на якій встановлено направляюча втулка 4 з отвором для гумового буфера 11, який зберігає мембрану від руйнування. На буфері встановлено шток 5, який з’єднано важелем 8 з клапаном 6, який в закритому положенні щільно притискається до сідла 10 пружиною 9.

При температурі рідини (70±2)°С активна маса починає плавитися та розширяється (рис. 3, в), переміщюючи вгору гумову мембрану 3, буфер 11 та шток 5. Останній діє на важіль 8, починає відкривати клапан 6, повне відкриття якого відбудеться при температурі(85±2)°С. Отже, у діапазоні температур 68 – 85°С клапан термостату змінює своє положення, регулюючи в заданих границях кількість охолоджуючої рідини, яка проходить через радіатор, підтримуючи тим самим нормальний температурний режим роботи двигуна.

Рідинні термостати застосовують в системах охолодження двигунів автомобілів ГАЗ-53-12, ГАЗ – 2410. (рисунок 7, а). У корпусі 1 такого термостата знаходиться гофрований циліндр 6 із тонкої латуні та заповнений рідиною, що легко випаровується (суміш 70% етилового спирту та 30% води) до верхньої частини гофрованого циліндра штоком 5 приєднано клапан 3 термостата.

При температурі охолоджуючої рідини нижче 75°С гофрований циліндр знаходиться в стиснутому положенні, клапан термостата при цьому закритий, а охолоджуюча рідина циркулює через перепускний клапан 2 по малому колу.

З підвищенням температури рідини тиск у гофрованому циліндрі збільшується (рис.7,б). Клапан термостата відкривається і рідина через патрубок 4 (рис.7,а) починає циркулювати по великому колу. При температурі вище 90°С клапан термостата відкривається повністю і вся рідина циркулює через радіатор.

Рис. 7 Термостат з рідинним наповнювачем

а) клапан термостата закритий; б) клапан термостата відкритий

Радіатор, який є вузлом теплообміну, призначений для передачі тепла від охолоджуючої рідини потоку повітря. Каркас радіатора утворено боковими стійками 1 (рис.8,а), з’єднаного пластиною. Він кріпиться до рами автомобіля на гумових подушках 5, з метою скорочення вібрацій та ударних навантажень, які виникають при його русі.

Радіатор складається із верхнього 4 та нижнього 6 бачків та тепло розсіювальної серцевини 7, зовнішня поверхня якої обдувається повітрям, що розсіює теплоту. Кількість повітря, що проходить через серцевину регулюється жалюзі 8, встановленими в спеціальній рамці на каркасі радіатора. Вони зроблені у вигляді набірки вузьких пластин із спеціального заліза та оснащені шарнірним пристроєм, який забезпечує їх поворот із кабіни водія.

Рисунок 8 – Радіатор та типи його серцевин

а) загальна конструкція; б) трубчато-пластинчата серцевина; в) трубчато-стрічкова серцевина

Трубчато – пластинчата серцевина (рис. 8, б) складається із трьох – чотирьох рядів латунних трубок овального перерізу, до яких припаяні поперечно розташовані пластини 9.

Трубчато – стрічкова серцевина (рис. 8, в) складається із латунних трубок, між рядами яких розташовуються зигзагоподібні стрічки 10, які мають спеціальні виштамповки.

Принцип дії системи охолодження

В залежності від теплового стану двигуна циркуляція рідини в системі відбувається по великому або малому колу системи охолодження (рис. 9,а). Циркуляція забезпечується насосом 8, який приводиться у дію від шківа 18, з’єднаного через клинопасову передачу зі шківом КВ. При нормальному тепловому режимі двигуна охолоджуюча рідина циркулює по великому колу. При цьому клапан термостата 10 відкритий та рідина через патрубок 11 подається до верхнього бачка 13 радіатора 16, звідки по трубам серцевими радіатора вона потрапляє в нижній бачок 20. Рідина, яка проходить через радіатор охолоджується повітрям, яке подається вентилятором 19 та потоком повітря, який виникає при русі автомобілі регулюється за допомогою жалюзі 17. Охолоджуюча рідина через нижній патрубок 22 радіатора подається знову до насоса 8, а далі у рубашку охолодження 7 блока і в головки циліндрів.

Рис. 9 – Схеми рідинної системи охолодження двигунів

Під час пуску та роботі непрогрітого двигуна, коли температура охолоджуючої рідини нижче 72°С, її циркуляція відбувається по малому колу. У цьому випадку рідина не поступає у радіатор, так як клапан термостата 10 закритий, при цьому рідина проходить по рубашці блока 7 та головці циліндра, далі через перепускний клапан 9 омиває термостат 10, знову поступає до насосу, забезпечуючи тим самим швидкий прогрів холодного двигуна. По мірі підвищення температури охолоджуючої рідини, клапан термостата відкривається, та вона починає циркулювати по великому колу.

У V-подібних двигунах (рис.9,б) рідина через приливи 23 корпуса насоса подається в раструби рубашки охолодження лівого та правого рядів циліндрів, а далі через порожнину 26 впускного трубопроводу та термостата 0 поступає у радіатор 16, а далі до насоса. Одночасно із порожнини трубопроводу по гнучкому шлангу 24 рідина також поступає у рубашку охолодження компресора, а по шлангу 25 повертається у насос.

Контрольні питання

1. Призначення і типи систем охолодження.

2. Який нормальний тепловий режим роботи двигуна і які наслідки може спричинити перегрів та переохолодження двигуна?

3. Як контролюють та регулюють температуру двигуна?

4. У яких випадках циркуляція охолоджуючої р

5.? ідини відбувається по великому, а в яких по малому колу?

6. Яке призначення та конструкція рідинного насосу?

7. У чому полягає принцип роботи термостатів із рідинним і твердим наповнювачем?

8. Які типи та конструкція вентиляторів та радіаторів?