Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Как известно, любой двигатель внутреннего сгорания производит большое количество тепла. Это связано исключительно с его конструкцией, которая подразумевает постоянное сгорание топлива в цилиндрах на высоких температурах. Фактически же, тепло, производимое сгорающим топливом, выделяется в таком количестве, которое уже через несколько минут работы докрасна раскаляет некоторые из элементов, не говоря уже о значительном нагревании большинства из смежных к цилиндрам узлах. И поскольку значительное и постоянное нагревание многих элементов является нежелательным для двигателя процессом разрушительного характера, в автомобилях используется система активного охлаждения, выполняющая функции забора тепла от цилиндров и его рассеивания в окружающую среду, а так же, отопления салона автомобиля при такой необходимости.

Система активного охлаждения, помимо отвода тепла от цилиндров двигателя, так же выполняет функции передачи тепла в салон автомобиля, охлаждения масла в системе смазки при наличии масляного радиатора, охлаждения турбины при наличии таковой, а так же охлаждения газов в системе рециркуляции.

Система активного охлаждения двигателя для выполнения своей основной задачи использует рабочее вещество, предназначенное для переноса тепла от нагретых узлов автомобиля к тем узлам, которые рассеивают тепло в окружающую среду. Таким образом, охлаждение сводится к пропусканию рабочего вещества через определенную систему сбора тепла, и дальнейшее перенаправление рабочего вещества в систему рассеивания. Конструкции системы активного охлаждения имеют три типа – системы жидкостного охлаждения, системы воздушного охлаждения и комбинированные системы. При этом, наиболее распространены системы жидкостного охлаждения двигателя, которые используют жидкость для переноса тепла и его последующего рассеивания. Основными преимуществами жидкостной системы является эффективность работы (высокое КПД), низкий уровень шума, высокая скорость и универсальность применения. Система активного жидкостного охлаждения является одинаковой для бензиновых, дизельных и любых других топливных двигателей, имеющих классическую поршневую конструкцию.

Основными элементами, характерными для активной жидкостной системы охлаждения двигателя, являются расширительный бачок, радиатор охлаждения, масляный радиатор, насос охлаждающей жидкости, вентилятор радиатора охлаждения, радиатор печки салона, и система соединительный патрубков. В дополнение, система включает в себя разветвленную систему полых каналов, проходящую через блок двигателя, опоясывающую цилиндры и основные элементы, склонные к значительной выработке или аккумуляции тепла.

охлаждение двигателя, система охлаждения двигателя, радиатор охлаждения двигателя, вентилятор охлаждения двигателя

Работа жидкостной системы охлаждения начинается в расширительном бачке, отводимом под хранение активной охлаждающей жидкости. В общем смысле, в качестве охлаждающей жидкости можно использовать и обычную воду, но для эффективной работы, долгого срока службы и защиты от разрушительных эффектов ржавения, используются специализированные жидкости – тосол и антифриз, применяемые в зависимости от модели автомобиля и материалов, из которых изготовлена его система охлаждения. Расширительный бачок всегда содержит определенное количество охлаждающей жидкости, и имеет отметки минимального и максимального уровня содержимого. В нижней части бачка присутствует отверстие для подсоединения шланга, направленного в сторону двигателя автомобиля. В верхней части бачка присутствует отверстие для присоединения шланга, идущего от радиатора автомобиля – так называемая «обратка». Жидкость из расширительного бачка, под действием сил тяжести и разряженности среды, создаваемой насосом ОЖ, прокачивается по системе, проходит через блок двигателя, забирая его тепло, далее поступает в радиатор, и снова возвращается в бачок в виде жидкости или паров, смешиваясь с общей массой жидкости, уже находящейся внутри него. Однако, с фактической точки зрения, расширительный бачок только хранит запасной объем теплоносителя, а основные циклы теплообмена происходят независимо от него. Бачок имеет обязательную необходимость, поскольку исходя из особенностей конструкции, внутри системы охлаждения зачастую образуется пар, который необходимо собирать и конденсировать в определенном месте, которым и является расширительный бачок.

Покинув расширительный бачок, охлаждающая жидкость устремляется прямо в блок цилиндров. Конструкция блока устроена таким образом, чтобы обеспечивать эффективный механизм отдачи тепла во внешнюю среду – внутренняя часть блока имеет множество полых каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость, поступая прямо из бачка и обратного контура радиатора. Строго говоря, основной поток охлаждающей жидкости, заходящий внутрь каналов блока, поступает не из расширительного бачка, а из обратного контура. Попав внутрь блока цилиндров, охлаждающая жидкость проходит по системе трубок, так же называемых «рубашкой охлаждения», забирая тепло от нагретого блока в себя. В результате, проходя по рубашке, жидкость нагревается, а двигатель остывает. На выходе из блока цилиндров жидкость уже имеет высокую температуру, которую необходимо понизить. Это происходит в следующем блоке, который именуется радиатором двигателя.

Радиатор представляет из себя систему трубок и каналов, соединенных большим количеством тонких перемычек. Конструкция радиатора выполнена таким образом, чтобы максимально увеличить площадь его поверхности, дав возможность внешней среде свободно проникать внутрь, проходя через него максимально эффективно. В радиатор поступает горячая охлаждающая жидкость, проходя через всю систему каналов, и нагревая радиатор. При движении автомобиля, воздух через переднюю часть автомобиля естественным образом попадает в радиатор, проходя через его поверхность. В результате, происходит теплообмен, и внешняя среда получает большую часть тепла, находящегося в радиаторе. Результатом данного процесса является охлаждение системы, чего и требуется достичь. В зависимости от мощности двигателя, может меняться размер радиатора, его толщина и материал изготовления. На отдельных моделях автомобилей, может использоваться сразу несколько радиаторов, увеличивая скорость теплообмена.

Поверх радиатора практически всегда устанавливается вентилятор и защитный кожух, предотвращающий попадание внутрь радиатора посторонних предметов и защищающий его от механических повреждений. Вентилятор предназначен для активного нагнетания воздушного потока в радиатор, и как следствие, ускорения теплообмена между радиатором и окружающей средой. В тех случаях, когда воздушного потока из внешней среды оказывается недостаточно для охлаждения жидкости до необходимой температуры, включается вентилятор радиатора, активно обдувая его забираемым извне воздухом. В зависимости от конструкций двигателя, вентилятор может приводиться в движение электрическим мотором, шестернями, либо ременным приводом. При этом, подавляющее распространение в более дорогих автомобилях имеют электрические вентиляторы, в то время, как механическим приводом оснащают бюджетные модели. Основная проблема механического ременного привода заключается в необходимости установки вискомуфты, блокируемой при высокой температуре, и разблокируемой при низкой. Подобная конструкция быстро выходит из строя, да и вообще может работать нестабильно. Исходя из этого, имея механический вентилятор, приводимый в движение ременный приводом и вискомуфтой, многие меняют его на более надежную и простую конструкцию электрического привода.

Внутри самого радиатора, в зависимости от температуры внешней среды и других факторов, охлаждающая жидкость может либо просто охлаждаться, возвращаясь внутрь системы охлаждения двигателя по системе патрубков, либо превращаться в пар, поступая в расширительный бачок с последующей конденсацией, смешением с основной массой охлаждающей жидкости, и дальнейшим повторением цикла. Расширительный бачок же, помимо прочих функций, выполняет роль буфера объема жидкости в системе. Исходя из того, что по мере нагревания объем жидкости увеличивается, а по мере охлаждения – уменьшается, а так же, исходя из того, что часть жидкости может переходить в состояние пара, увеличивая давление в системе, расширительный бачок гасит изменения объема, не допуская повреждения внутри системы, и сглаживает колебания давления. Очень часто, и в особенности это актуально для современных автомобилей, расширительные бачки делают круглыми, с той целью, чтобы давление среды равномерно распределялось на его стенки, вызывая одинаковый износ и в то же время, предотвращая возможные поломки вследствие большой нагрузки на какую-либо отдельную часть бачка.

Помимо патрубков, ведущих от рубашки двигателя к радиатору, существует так же набор патрубков, ведущий к радиатору отопителя салона. Аналогичным основному радиатору образом, радиатор отопителя выполняет функции теплообмена, нагревая окружающей среду, отдавая тепло из системы охлаждения. В результате, когда водитель или пассажир включает печку, поток воздуха, поступающего внутрь салона автомобиля, перенаправляется через радиатор отопителя, нагреваясь и обогревая салон. Для того, чтобы обогрев был ощутим и эффективен, патрубок, ведущий на радиатор отопителя, устанавливается непосредственно у выхода охлаждающей жидкости из двигателя.

Следующая деталь системы охлаждения двигателя, на которую стоит обратить пристальное внимание, и без которой система в принципе не может функционировать – это насос охлаждающей жидкости, в обиходе называемый помпой или насосом ОЖ. Насос обеспечивает постоянную циркуляцию охлаждающей жидкости по системе, прокачивая её от рубашки блока цилиндров в направлении радиатора охлаждения. В большинстве случаев, насос является механическим узлом, приводимым в действие коленчатым валом двигателя через систему шестерней или ременный привод. Его конструкция устроена таким образом, чтобы использовать для прокачки центробежную силу, направляя поток жидкости от краев движущей лопасти к её центру, что является способом, минимизирующим затраты потребляемой насосом энергии двигателя. В большинстве из двигателей, устанавливается один насос охлаждающей жидкости. В некоторых двигателях, оснащенных турбинами, либо имеющих высокую мощность, может устанавливаться дополнительный насос, питающий систему охлаждения турбины или дополнительный контур охлаждения блока цилиндров.

Следующей важной запчастью системы охлаждения является термостат. Термостат представляет из себя узел, регулирующий объем охлаждающей жидкости, проходящей по системе. Исходя из того, что температура работы двигателя может отличаться в зависимости от нагрузки или длительности работы, должен меняться и сам поток охлаждающей жидкости, либо увеличиваясь, либо уменьшаясь до определенных значений. Так, при высоких оборотах двигателя, поток охлаждающей жидкости должен быть больше, обеспечивая лучшее охлаждения, а при небольших оборотах – меньше, обеспечивая экономию энергии. Нагреваясь, термостат увеличивает зазор в магистрале, на которой он установлен, пропуская большее количество жидкости за единицу времени. Остывая, термостат сужает просвет в канале, уменьшая количество проходящей жидкости. Термостат, как правило, устанавливается в патрубке, ведущем от рубашки блока цилиндров к радиатору. Чем более мощным и сложным является двигатель, тем более технологичной и сложной является конструкция термостата. Это логично, поскольку такая запчасть обязана быть работоспособной при любых обстоятельствах, хотя бы, исходя из того, что от качества её работы зависит работоспособность двигателя и его гарантированная защита от перегрева. В некоторых случаях, термостат может иметь механизм электрического подогрева, срабатывающий при значительных оборотах двигателя и соответственно, высокой температуре охлаждающей жидкости. При достижении жидкостью определенных значений температуры, на термостат начинает поступать напряжение, которое полностью его «открывает», обеспечивая максимально эффективную циркуляцию по системе.

Помимо основной выполняемой функции, термостат предназначен для более качественного запуска двигателя в холодное время года. В том случае, когда запуск двигателя происходит при низких температурах, что фиксируется датчиком температуры охлаждающей жидкости, либо уже учтено механической конструкцией термостата, последний остается в закрытом положении, препятствуя циркуляции охлаждающей жидкости по основному кругу. В результате, охлаждающая жидкость, покидая рубашку двигателя, не попадает в основной охлаждающий контур, а возвращается на вход в контур охлаждения блока цилиндров. В результате, в тот момент, когда двигателю необходим глубокий прогрев до рабочей температуры, термостат помогает удержать её в необходимом «коридоре» до того момента, как двигатель нагреется до должных рабочих параметров.

Еще одной запчастью системы активного охлаждения двигателя, на которую стоит обратить внимание, является датчик температуры охлаждающей жидкости. Исходя из модели двигателя и конструктивных особенностей системы охлаждения, датчик может располагаться в различных местах, однако, в большинстве случаев, он устанавливается на выходе потока охлаждающей жидкости из двигателя. Исходя из параметров, фиксируемых датчиком, происходит регуляция потока жидкости и корректировка скорости охлаждения двигателя. В некоторых из конструкций систем, устанавливается сразу два датчика температуры охлаждающей жидкости, первый из которых располагается, условно говоря, перед радиатором, а второй – после него. В таких случаях, происходит более эффективная терморегуляция, поскольку система понимает, насколько эффективно работает (или работает ли вообще) сам радиатор. Датчик температуры охлаждающей жидкости имеет прямое подключение к бортовому компьютеру, непрерывно передавая в него считываемые данные.

Хотя система охлаждения и имеет значительное количество недостатков, таких, как например, частые протечки, внутренняя коррозия, условная герметичность и вредность паров охлаждающей жидкости для человека, она является незаменимой и практически безальтернативной конструкцией. Даже в наиболее современных двигателях, при их работе выделяется значительное количество тепла, которое необходимо каким-либо образом рассеивать, отводя от блока цилиндров. Хотя и известны многочисленные попытки заменить жидкостную систему охлаждения более простыми или надежными конструкциями, практически нет моделей двигателей, на практике использующих такие наработки. В большей степени, это связано с низкой скоростью рассеивания тепла.

Рассматривая возможные поломки системы охлаждения, в первую очередь, стоит рассмотреть внутреннюю коррозию, и как следствие, образование посторонних отверстий в системе охлаждения, приводящих к постоянному уменьшению объема жидкости внутри системе. Наиболее подверженным этой насущной проблема является радиатор двигателя, его нижняя и боковые части. При редкой замене жидкости, в системе образуется нагар и вязкая субстанция, содержащая в себе различные побочные элементы, образуемые в ходе постоянного воздействия высоких температур. В результате, трубки радиатора забиваются, в отдельных его частях давление увеличивается, а сама субстанция начинает проедать стенку радиатора. Результатом такого воздействия является банальная дырка в системе, из которой либо по капле, либо с большей скоростью, начинает проистекать охлаждающая жидкость, покидая систему. Когда система остается пустой, или полупустой, продолжительное воздействие высокой температуры и отсутствие отвода в сторону радиатора вызывает значительные повреждения как самой системы, так и группы охлаждения – значительно засоряются форсунки двигателя, начинает оплавляться проводка и патрубки, «запаиваются» каналы радиатора и некоторые из каналов рубашки двигателя. Если вовремя не заметить возникшую проблему и пропустить момент ремонта, можно довести двигатель до такого состояния, при котором придется выполнять замену не только элементов охлаждающей группы, но и дорогостоящих запчастей самого двигателя.

Старайтесь выполнять периодические осмотры элементов двигателя, а так же внимательно следите за уровнем охлаждающей жидкости в расширительном бачке. Не пропускайте моменты долива жидкости, и не превышайте заправочного объема, указанного пластиковой меткой на бачке. В случае, если согласно Вашим наблюдениям, жидкость стала покидать бачок значительно быстрее обычного, либо вовсе отсутствует в нем, срочно диагностируйте неполадку и выполняйте её ремонт. В особенности, это применимо в том случае, если в один из дней Вы обнаружили пустой бачок. Такая ситуация опасна не только тем, что двигатель может перегреться, но и тем, что в систему попал воздух, который срочно необходимо удалить. Наполнив охлаждающей жидкостью бачок, Вы просто заполните верхнюю часть системы, оставив воздух, и возможно – воздушные пробки внутри неё, что не решит проблему перегрева. Столкнувшись с такой проблемой, рекомендуется обратиться в автосервис для диагностики причины опустошения системы, устранения этой причины и извлечения воздушных пробок из самой системы.

Выполняя замену охлаждающей жидкости, рекомендуется точно знать, что было залито до момента замены и что рекомендуется заливать для Вашей модели автомобиля. В частности, если система охлаждения Вашего автомобиля использует тосол, следует заливать только тосол. Если производитель рекомендует использовать антифриз, следует использовать антифриз. Тем более, не следует выполнять смешение антифриза и тосола, либо различных антифризов – например, красного и зеленого.

Регулярно исследуя систему охлаждения на предмет повреждений, не забывая менять охлаждающую жидкость в установленные нормы пробега, а так же заливая качественную жидкость от известных производителей, Вы избавите себя от множества проблем, связанных с системой охлаждения и её ремонтом.