Система охлаждения

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания обеспечивает подвод охлаждающей жидкости или воздуха к нагретым деталям и отвод в атмосферу излишков тепла.

Как вредит работе двигателя нарушение температурного режима

В момент сгорания рабочей смеси температура в цилиндре поднимается до 2000 °C и даже выше. При этом, оптимальная температура блока цилиндров, при которой все механические детали работают без лишнего напряжения, колеблется в пределах от 80 до 90°. Сильный нагрев может привести к нарушению рабочих зазоров между сопряженными деталями, а это означает, что им грозит усиленный износ, заклинивание и поломка. Даже если до этого не дойдет, перегрев приводит к снижению мощности двигателя, за счёт ухудшения наполнения цилиндров горючей смесью, самовоспламенения и детонации. Для нормальной работы двигателя необходимо охлаждать детали, отводя от них тепло в атмосферу.

На высокогорном перевале Зустен в Швейцарских Альпах сохраняется превращенная в музей станция замены воды в радиаторах автомобилей. В 30-е годы в верхней точке перевала "кипели" почти все автомобили

Чрезмерное снижение температуры также негативно сказывается на работе двигателя. Перемешанное с воздухом топливо, попадая на холодные стенки цилиндра, частично конденсируется и стекает в картер двигателя и смешивается с моторным маслом. От этого масло теряет свойства, что приводит к повышенному износу деталей.

Очень опасное явление — кипение двигателя. При этом охлаждающая жидкость в прямом смысле вскипает в рубашке охлаждения, что очень часто приводит к серьёзным последствиям и дорогостоящему ремонту. Дело в физических свойствах жидкости - при переходе в парообразное состояние происходит резкое расширение. Последствия всегда плачевны - как правило, первыми не выдерживают резиновые соединительные патрубки радиатора. В системе жидкостного охлаждения применяется антифриз с температурой кипения около 120°C. Для предотвращения разгерметизации и отвода избытков жидкости в систему введен расширительный бачок.

Системы охлаждения разных конструкций

О необходимости охлаждения двигателей инженерам стало известно задолго до появления автомобилей. Однако после того как двигатели попали в руки непрофессионалов — то есть автолюбителей, желающих просто передвигаться, не следя за температурой под капотом, проблема приобрела настоящую актуальность.  

В ходе эволюции автомобилей было испробовано множество различных конструкций этой системы, однако все они так или иначе относятся к трем основным типам.

Воздушное охлаждение

Этот тип строится на принципе обдува блока цилиндров воздухом, отводящим тепло от двигателя. Воздушное охлаждение - самая простая система: чем сильнее обдув, тем ниже температура. Недостаток заключается в низкой теплоёмкости воздуха.

Porsche 911 с двигателем воздушного охлаждения выпускался с 1964 до 1998 года

Это значит, что для отвода большого количества тепла от двигателя необходима значительная площадь контакта. Иными словами, создавать компактные и мощные силовые установки с воздушным охлаждением сложно.

Однако там, где мощность не требуется, воздушное охлаждение успешно справляется со своей работой. 

Жидкостная система охлаждения

Жидкостная система построена на принципе отвода тепла циркулирующей в непосредственной близости от цилиндров охлаждающей жидкостью. Система жидкостного охлаждения, даже при условии принудительной циркуляции, не может охлаждать мощные двигатели, так как для отвода большого количества тепла необходим значительный объем жидкости. Это условие практически невозможно реализовать в легковом автомобиле, поэтому двигатели, оснащённые этой системой охлаждения, используются, в основном, на судах, то есть там, где есть возможность организовать постоянный приток холодной воды.

Гибридная система охлаждения

Гибридный тип на данный момент стал вершиной постройки систем охлаждения. Его преимущество заключается в том, что гибридная система сочетает в себе достоинства как жидкостного, так и воздушного охлаждения. Блок цилиндров охлаждается циркулирующей жидкостью, а жидкость, в свою очередь, охлаждается потоком воздуха. Состоит система из рубашки охлаждения блока цилиндров, радиатора, одного или нескольких вентиляторов, водяного насоса, термостата, расширительного бачка, соединительных патрубков и датчика температуры. Эта конструкция используется на всех современных автомобилях, за редким исключением.

Схема системы охлаждения двигателя

Схема системы охлаждения двигателя выглядит следующим образом:

Конструкция системы жидкостного (гибридного) охлаждения 

 Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через рубашку охлаждения двигателя, забирая тепло, а затем охлаждается в радиаторе. Система организована так, что в ней существует два круга циркуляции жидкости — большой и малый. Большой круг составляют рубашка охлаждения двигателя, водяной насос, радиаторы (в том числе — отопителя салона), термостат. В малый круг входит рубашка охлаждения двигателя, водяной насос, термостат (иногда радиатор отопителя салона также входит в малый круг с целью быстрого прогрева салона).

Двигатель водяного охлаждения Volkswagen Type E был снят с производства лишь в 2006 году. Последние годы его устанавливали в аэропланы малой авиации

Сразу после запуска непрогретая жидкость циркулирует по малому кругу. Функцию запорного клапана, не пускающего жидкость в большой круг осуществляет термостат. Как только жидкость прогревается до оптимальной температуры, термостат открывается, и охлаждающая жидкость начинает циркулировать через радиатор, где ее охлаждает набегающий поток воздуха (а в случае стоянки с работающим двигателем жидкость принудительно охлаждается вентилятором). Чем выше становится температура, тем сильнее открывается термостат, и тем чаще включается вентилятор. Так в системе поддерживается постоянная оптимальная температура в пределах 85-90 °C. Емкость и другие параметры системы просчитываются для каждой модели автомобиля с большим запасом, чтобы не допустить перегрева даже при длительной работе с максимальной нагрузкой (например, при длительном движении в гору).

Насос системы охлаждения

Датчик температуры охлаждающей жидкости

Вентилятор охлаждения двигателя

Примеры автомобилей с воздушным охлаждением

В советские времена выпуском компактных автомобилей с воздушным охлаждением занимался Запорожский автомобильный завод. Так как предполагалось, что советские автолюбители будут обслуживать автомобиль самостоятельно, использование такой системы оценивалось положительно и виделось весьма практичным, особенно, в суровых зимних условиях. Кроме того, малая масса силового агрегата, его простота и разборная конструкция (съёмные цилиндры) позволяла отремонтировать автомобиль практически «в чистом поле». Однако такая конструкция обусловила возникновение проблемы перегрева в жаркую погоду, которая особенно усугублялась в процессе износа двигателя, когда его оребрение покрывалось слоем масла и прилипшей к нему пыли. Следует отметить, что на автомобилях повышенной проходимости того же Запорожского завода, ЛуАЗ-969, где тот же двигатель работал с большей нагрузкой, но лучше обдувался набегающим потоком воздуха за счет расположения в передней части кузова, его перегрев наблюдался редко.

Кроме смешного «горбатого» ЗАЗ-968, на протяжении нескольких десятилетий, вплоть до 1997 года, мотор с воздушным охлаждением имел и совсем не смешной Porsche 911. Однако потребители требовали все более скоростных моделей, а значит, мощных и больших моторов, и «Porsche 911», начиная с «996-й» серии, стали машинами с жидкостным охлаждением.