Система охолодження двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ)

1. Призначення і класифікація систем охолодження.

2. Схеми роботи систем охолодження.

3. Будова механізмів систем охолодження.

4. Охолоджувальні рідини.

1. Призначення. Система охолодження служить для примусового автоматичного регулювання відведення зайвої теплоти від деталей двигуна в навколишнє середовище.

Класифікація систем охолодження показана на рис. 32. На сучасних автотракторних не адіабатних двигунах застосовується закрита система охолодження з примусовою циркуляцією рідини і повітряна система охолодження. На сьогодні термосифонною циркуляцією рідини обладнані тільки пускові двигуни тракторів.

Рис. 32. Класифікація систем охолодження

В охолоджувальній сорочці і радіаторі закритої системи тиск дещо вищий від атмосферного, відповідно вища і температура кипіння рідини. Закрита система є більш досконалою і застосовується на всіх сучасних автомобільних двигунах.

На сучасних автотранспортних двигунах в основному застосовується закрита система охолодження з примусовою циркуляцією рідини.

У двигунах сучасних автомобілів і тракторів застосовують як рідинну, так і повітряну системи охолодження.

Залежно від типу двигуна температура газів у середині циліндрів в період згоряння робочої суміші досягає 2000...2500 °С.

Гази, які мають таку високу температуру, сильно нагрівають деталі двигуна, у результаті чого нормальна робота його може порушитись.

Сильне нагрівання двигуна може викликати зниження потужності внаслідок погіршення наповнення циліндрів, самозапалення суміші і детонацію, посилення спрацювання, заїдання і поломку деталей внаслідок порушення нормальних проміжків і зниження механічних властивостей матеріалів.

Для забезпечення нормальної роботи не адіабатного двигуна необхідно охолоджувати деталі, відводячи від них зайву теплоту в навколишнє середовище або безпосередньо, або за допомогою проміжного тіла, наприклад низькозамерзаючої рідини (антифризу). На охолодження двигуна витрачається близько 30% теплової енергії палива, тому охолодження повинно бути обмеженим.

Під час збільшення охолодження (при переохолодженні) деталей двигуна, які обмежують внутрішньоциліндровий простір, збільшуються витрати теплоти в навколишнє середовище, погіршується випаровування палива, внаслідок згущення мастила збільшуються втрати на тертя. Все це призводить до зниження потужності і погіршення економічності двигуна, а в дизельних двигунах, крім цього, до засмолення поршнів, поршневих кілець і випускних клапанів.

Таким чином, як перегрівання, так і переохолодження порушують нормальну роботу двигуна.

2. Теплота від деталей відводиться в атмосферу. Це втрати теплової енергії, значення яких залежить від типу двигуна, його конструкції і способу охолодження. У поршневих двигунах застосовують два способи охолодження. В першому випадку тепло від стінок передається рідині, а від неї повітрю. У другому випадку – від стінок циліндрів прямо повітрю.

Система охолодження працює наступним чином: водяна сорочка–радіатор–водяна сорочка. Температура охолоджуючої води працюючого двигуна повинна бути в межах 80...95°С. Для забезпечення необхідного температурного стану двигун має ряд пристроїв, деталей і приладів, об’єднаних в систему охолодження.

Сукупність пристроїв, які забезпечують підведення охолодженого середовища до нагрітих деталей двигуна і відведення від них у навколишнє середовище зайвої теплоти, являють собою систему охолодження.

Повітряне охолодження двигунів, при якому зовнішні стінки циліндра безпосередньо омиваються повітрям, є найбільш простим, але деталі при цьому охолоджуються нерівномірно. Для поліпшення тепловіддачі стінки циліндра виливають з ребрами, які збільшують поверхню охолодження (двигуни Д-37 трактора Т-40А, Д-21 і Т-25 тощо).

Надійним є рідинне охолодження, при якому рідина циркулює в сорочці блока і омиває циліндри. Залежно від способу циркуляції охолоджуючої води, розрізняють дві системи охолодження (рис. 33): термосифонну і примусову.

Рис. 33. Схема водяних систем охолодження: а – термосифонна;      б – примусова; 1 – серцевина радіатора; 2 – вентилятор;    3 –жалюзі; 4 – верхній бак радіатора; 5 – кришка заливної горловини; 6 – паровідвідна трубка; 7 – верхній патрубок; 5 – сорочка головки циліндрів; 9 – сорочка блок-картера; 10 – нижній патрубок; 11 – нижній бак радіатора;             12 – пробка зливного отвору; 13 – пароповітряний клапан; 14 –термостат; 15 – термометр; 16 – водорозподільчий канал; 17– центробіжний насос; 18 – водовідвідна трубка

Термосифонна – це така система охолодження двигуна, коли циркуляція води відбувається внаслідок різниці щільності холодної і гарячої води. Як недолік, необхідно збільшувати місткість для рідини, забезпечувати точність її рівня.

У примусовій системі охолодження циркуляція води створюється центробіжним насосом. Тоді, крім радіатора, в систему входить водяний центробіжний насос, термостат, дистанційний покажчик температури, розширювачі об’єму рідини. Різниця температур холодної і гарячої води не перевищує 10°С. Заслуговує на увагу такий елемент, як термостат. Він призначений для перекриття руху рідини за малим чи великим колами, в залежності від температури двигуна.

Інший принцип охолодження автотракторних двигунів – повітряна система охолодження. Вона буває також двох типів – примусова або охолодження зустрічним потоком повітря.

У системі повітряного охолодження відвід тепла від деталей двигуна проходить в результаті обдуву циліндрів і їх головок повітрям зустрічним потоком повітря. Для автомобільних і тракторних двигунів використовують примусове охолодження (наприклад – Д-37Е).

Повітряна система охолодження має деякі недоліки. Основні з яких: нерівномірне охолодження деталей двигуна, втрата індикаторної потужності (до 9%).

3. У загальному випадку у закриту рідинну систему охолодження з примусовою циркуляцією рідини входять такі основні елементи: рідинний насос 17 із розподільною трубою 18; охолоджувальні сорочки головки 8 і блока циліндрів 9; нижній 10 і верхній 7 з’єднувальні патрубки з шлангами; радіатор з пароповітряними клапанами і розширювальним бачком; жалюзі радіатора; вентилятор; автоматична муфта виключення лопатей вентилятора; термостат; зливні краники; прилади для контролю температури води. Навколо циліндрів двигуна та їхніх головок є простір (охолоджувальні сорочки), який заповнюється охолодженою рідиною. Охолоджувальна сорочка з’єднана патрубками 7, 10 з радіатором 1 – пристроєм для охолодження нагрітої рідини. Радіатор і сорочка заповнюється рідиною через заливну горловину, яка закривається кришкою 5. Кришка має клапани, через які внутрішня порожнина системи охолодження контактує з атмосферою.

У закритих системах охолодження підтримується надлишковий тиск (до 0,02 МПа), в результаті чого температура кипіння охолоджувальної рідини підвищується до 120°С. Пара або рідина при надлишковому тиску відводиться по трубці 6 в розширювальний бачок. Закриті системи охолодження більш компактні, ніж відкриті, тобто такі, які безпосередньо контактують з атмосферою і рідше потребують дозаправки рідиною.

Примусова циркуляція рідини в системі утворюється насосом 17, який приводиться в роботу від колінчастого вала двигуна шківом. Рідина стикається з нагрітими стінками циліндрів і головки, нагрівається і через верхній патрубок 7 надходить у верхній бачок радіатора 4. По трубках радіатора 1, які обдуваються потоком повітря, рідина проходить у нижній бачок радіатора і охолоджується. Рух повітря через радіатор забезпечується вентилятором 2 і зустрічним потоком повітря під час руху автомобіля. Охолоджена рідина через нижній патрубок надходить в насос 17 і від нього по водорозподільній трубі (каналу) знову підводиться до найбільш нагрітих ділянок кожного циліндра. Водорозподільна труба (канал) дозволяє рівномірно охолоджувати всі деталі незалежно від їхньої віддаленості від насоса. Таким чином, в системі охолодження відбувається безперервна циркуляція охолоджувальної рідини.

Температура охолоджувальної рідини контролюється термометром 15. Оптимальним температурним режимом двигуна є такий, при якому температура охолоджувальної рідини в головці блока циліндрів дорівнює 80...100°С. Для швидкого прогріву двигуна, особливо після його пуску, в системі охолодження встановлюють термостат 16. Коли двигун не прогрітий, клапан термостата закритий і рідина із сорочки охолодження не може попасти в радіатор (у велике коло циркуляції).

При закритому клапані термостата рідина поступає до насоса через трубку (мале коло циркуляції). Оскільки двигун в такому випадку охолоджується лише частиною рідини, яка заповнює систему, то ця рідина швидко нагрівається. Потім клапан термостата відкривається і двигун охолоджується всією рідиною, яка циркулює по великому колу. Прохідний переріз клапана термостата і кількість рідини, яка надходить у радіатор, збільшуються з підвищенням температури, чим у визначених межах автоматично регулюється температурний режим двигуна.

Оптимальний температурний режим двигуна підтримується, в основному, зміною інтенсивності повітряного потоку, який проходить через радіатор.

За допомогою жалюзі змінюється кількість повітря, яке проходить через радіатор, а тим самим і інтенсивність охолодження. Інтенсивність повітряного потоку може бути змінена також за допомогою вентилятора з автоматично змінюваним кроком лопаті вентилятора. На деяких двигунах за допомогою гідравлічних, електричних муфт або електродвигуна вентилятор 2 включається в роботу тільки після прогріву двигуна. Рідина із системи охолодження зливається через крани, встановлені в нижній точці системи охолодження (радіаторі і в блоці циліндрів). Однією з особливостей системи охолодження сучасного двигуна автомобіля є наявність розширювального бачка, розміщеного у вищій точці системи.

Розширювальний бачок, який сполучається з атмосферою, заповнений охолоджувальною рідиною і з’єднаний трубкою з наливною горловиною радіатора 1. При відкриванні випускного (парового) клапана, який є в пробці заливної горловини, зайва рідина чи пара відводиться в розширювальний бачок. При зменшенні об’єму охолоджувальної рідини (наприклад, при її охолодженні) у пробці відкривається впускний клапан і рідина із розширювального бачка повертається в радіатор. Таким чином, в системі підтримується постійний об’єм циркулюючої рідини.

Друга особливість системи охолодження сучасного двигуна полягає у способі підтримки оптимального температурного режиму, який забезпечується двоклапанним термостатом 14. Коли двигун не прогрітий, нижній клапан термостата закритий і охолоджувальна рідина не проходить через радіатор (рис. 34). Внаслідок циркуляції частини рідини двигун швидко прогрівається. Коли двигун прогрітий, верхній клапан термостата закритий, а нижній відкритий. У такому випадку більша частина рідини із сорочки головки блока попадає в радіатор 1, охолоджується в ньому, а потім по трубопроводу 18 і через відкритий нижній клапан термостата надходить в насос.

Менша частина рідини, як і на непрогрітому двигуні, циркулює через впускний трубопровід, карб’юратор і опалювач салону. В деякому інтервалі температур обидва клапани термостата відкриті і рідина циркулює одночасно по двох колах. Кількість рухомої рідини в кожному колі циркуляції залежить від ступеня відкриття того чи іншого клапана, чим забезпечується автоматичне підтримування оптимального температурного режиму двигуна.

Радіатор є теплообмінником, в якому теплота від води передається потокові повітря. У верхньому бачку 9 радіатора є горловина 8, через яку система заповнюється охолоджувальною рідиною. Горловина герметично закрита пробкою 7, яка забезпечена двома клапанами. У нижньому бачку 15 радіатора встановлений кран 14 для зливу рідини із системи. Верхній 9 і нижній 15 бачки сполучаються рядами плоских трубок з припаяними до них пластинами, які створюють необхідну охолоджувальну поверхню. Жалюзі радіатора 1 (див. рис. 34) повертаються за допомогою рукоятки, внаслідок чого змінюється витрата повітря через радіатор, чим підтримується тепловий режим двигуна. На деяких двигунах управління жалюзями радіатора відбувається автоматично. Охолоджувальна рідина із охолоджувальної сорочки поступає в радіатор через трубу 10, а відводиться з нього через трубку 7. Радіатор закріплений на рамі автомобіля спереду двигуна на резинових подушках.

Рис. 34. Радіатор: 1 – каркас жалюзі; 2 – жалюзі; 3 – тяга: 4 – рукоятка привода жалюзі; 5 – фіксатор; 6 – стояк; 7 – пробка радіатора; 8 – горловина радіатора; 9 – верхній бачок; 10, 13 – нижній і верхній патрубки; 11 – корпус термостата; 12 – серцевина радіатора; 14 – зливний кран; 15 – нижній бачок;              16 – напрямляючий кожух; 17 – паровідвідна труба

Рідинний насос відцентрового типу забезпечує циркуляцію рідини в системі охолодження. Вал насоса обертається у двох кулькових підшипниках, які забезпечені сальниками для збереження змащувального матеріалу. На одному кінці вала закріплена пластмасова крильчатка з металевою втулкою. У крильчатці встановлено саморухомий сальник, текстолітова шайба якого, обертаючись, притискається пружиною до торця корпуса підшипників. Саморухомий сальник перешкоджає витіканню рідини із насоса. На другому кінці вала розміщена маточина приводу рідинного насоса і вентилятора. До маточини болтами прикріплений шків вентилятора.

Привод рідинного насоса і вентилятора здійснюється клиноподібним пасом. При обертанні вала насоса рідина захоплюється лопатями крильчатки і направляється до вихідного патрубка. При частоті обертання колінчастого вала двигуна 3000 хв^-1 подача насоса складає 240 л/хв.

Термостат є автоматичним клапаном, здатним прискорювати прогрів двигуна і регулювати в означених межах кількість рідини, яка проходить через радіатор. Термостати бувають рідинними і з твердими наповнювачами. Термостат із твердим наповнювачем (рис. 35) має товстостінний балон 9, заповнений сумішшю 10 церезине (нафтового воску) з мідним порошком. Над балоном розміщена напрямляюча втулка 7 з отвором для штока 5. Втулка відділена від балона резиновою діафрагмою 8. Шток 5 зв’язаний коромислом 2 із клапаном 1. Коли двигун не прогрітий, заслінка закрита і охолодна рідина не надходить в радіатор. При нагріванні церезин плавиться, об’єм його збільшується, внаслідок чого діафрагма 8, буфер 6 і шток 5 пересуваються вверх, пружина 4 розтягується і клапан 1 відкривається. Рідина починає циркулювати через радіатор (велике коло циркуляції). Клапан термостата починає відкриватися при температурі охолоджувальної рідини 70±2°С, повністю заслінка відкривається при температурі 83±2 °С. В інтервалі вказаних температур площа прохідного отвору термостата збільшується з підвищенням температури, внаслідок чого автоматично збільшується кількість рідини, яка надходить в радіатор.

У термостатах із рідинним наповнювачем чутливий елемент (гофрований циліндр із тонкої латуні) – заповнений рідиною, яка легко випаровується, сумішшю дистильованої води і етилового спирту. Коли система охолодження не прогріта, тиск у циліндрі знижується і він знаходиться в стиснутому стані, закриваючи клапан термостата. При нагріванні рідини в циліндрі термостата до певної температури її тиск підвищується настільки, що циліндр розширюється і клапан термостата відкривається.

Термостати з твердим наповнювачем мають більшу механічну міцність порівняно з термостатами з рідинним наповнювачем, що дозволяє застосовувати їх у закритих системах охолодження з великим надлишковим тиском.

Рис. 35. Термостат: 1, 6, 13 – патрубки відповідно входу гарячої рідини із сорочки охолодження двигуна, подачі рідини в насос, входу охолодженої рідини із радіатора; 2 – перепускний клапан; 3 – пружина;         4 – стакан; 5 – гумова вставка; 7 – пружина;        8 – сідло; 9 – основний клапан; 10 – нерухомий утримувач; 11 – гайка нерухомого утримувача; 12 – стальний полірований поршень; 14 – твердий термочутливий наповнювач; 15 – стояк; Р, Д,                Н – напрямок руху рідини від радіатора (Р), від двигуна (Д), до насоса (Н)

Вентилятор служить для підвищення швидкості і кількості повітря, яке проходить через радіатор. Вентилятор встановлюється, як правило, за радіатором. Лопаті вентилятора 2 (див. рис. 33) кріпляться заклепками до хрестовини. Продуктивність вентилятора залежить від діаметра, кількості і кута нахилу лопатей, а також частоти обертання вала. На вітчизняних автомобільних двигунах вентилятори мають чотири, шість або вісім лопатей. Лопаті виготовляються з листової сталі або з пластмаси. Кут нахилу лопатей до площини обертання складає 35...40°С. Для підвищення ефективності роботи вентилятора його інколи розміщають в направляючому кожусі 15, закріпленому на радіаторі. З цією метою кінці лопатей згинають у бік радіатора. На сучасних двигунах обертання від вала на лопаті вентилятора передається гідравлічною або електромагнітною муфтою. Коли двигун не прогрітий, муфта автоматично відключає лопаті від вала, прискорюючи прогрів двигуна.

4. Охолоджувальні рідини. До недавнього часу як охолоджувальну рідину часто застосовували воду, яка має високу теплоємність. Однак використання води в системі охолодження зв’язані з накипанням і корозією стінок охолоджувальної сорочки і небезпекою замерзання в зимових умовах роботи. З цієї точки зору мають переваги низькозамерзаючі рідини-антифризи, які є етиленгліколевими сумішами.

У системах охолодження сучасних двигунів застосовуються низькозамерзаючі рідини типу "Тосол А", "Тосол А-40" і "Тосол А-60". Основою низькозамерзаючих рідин є етиленгліколь. Антифризи "Тосол А-40" і "Тосол А-60" крім концентрованого етиленгліколя мають у своєму складі різні присадки, наприклад такі, як протипінні, протикорозійні та інші.

ЛЕКЦІЯ № 7