Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя

 

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих подвод охлаждающей среды к нагретым деталям двигателя и отвод от них в атмосферу лишней теплоты. Система охлаждения двигателя должна обеспечивать наилучшую степень охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния двигателя при различных режимах и условиях работы. Вот о том, их каких устройств состоит система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Воздушное охлаждение

 

Воздухонагнетательное устройство и/или вен­тилятор направляют воздух вокруг оребренных стенок блока цилиндров и головки блока цилиндров. Для регулирования объемного расхода воздуха в системе могут быть преду­смотрены устройства ограничения воздушного потока и регулирования скорости вращения вентилятора. Потребляемая системой мощ­ность составляет 3-4 % общей мощности двигателя.

Моторное масло также обеспечивает охлаждение двигателя, для чего могут ис­пользоваться воздухоохлаждаемые масля­ные радиаторы.

По сравнению с жидкостными системами охлаждения недостатками систем воздуш­ного охлаждения являются высокий уровень шума и недостаточная стабильность темпе­ратуры двигателя. В настоящее время си­стемы воздушного охлаждения применяются в основном на мотоциклах и в специальных случаях.

 

Система охлаждения двигателя легкового автомобиля

 

Жидкостное охлаждение

 

Система жидкостного охлаждения общепри­нята для легковых и грузовых автомобилей. Вместо чистой воды, в настоящее время в качестве охлаждающей жидкости использу­ется смесь воды (питьевого качества), анти­фриза (обычно этиленгликоля) и различных ингибиторов коррозии, выбор которых зави­сит от применения. При концентрации анти­фриза в охлаждающей жидкости порядка 30-50 % возрастает точка кипения этой смеси, что позволяет использовать ее при температурах до 120 °С и давлении до 1,4 бар.

 

Конструкции и используемые материалы радиаторов

 

Трубки радиаторов систем охлаждения со­временных легковых автомобилей изго­тавливаются исключительно из алюминия. Алюминиевые радиаторы все шире приме­няются и на коммерческих и грузовых авто­мобилях. Имеются два основных варианта конструкции: паяные радиаторы и радиаторы с механическими соединениями или сборные радиаторы.

Конструкции и используемые материалы радиаторовДля охлаждения мощных двигателей или при ограниченном пространстве для размеще­ния радиатора используются паяные радиа­торы с плоскими трубками и гофрированными охлаждающими пластинами. Они обладают минимальным аэродинамическим сопротив­лением проходящему сквозь них воздуху. Более дешевые, собранные механическим путем ребристо-трубчатые радиаторы, приме­няются на менее мощных двигателях.

При сборке такого радиатора охлаждаю­щая решетка формируется посредством кре­пления штампованных ребер вокруг круглых, овальных или плоских трубок. Рифленые или разрезные ребра располагаются перпендику­лярно к направлению воздушного потока.

В целях улучшения теплопередачи охлаж­дающие ребра на стороне охлаждающего воз­духа делаются рифлеными. Дополнительные меры повышения эффективности охлаждения включают применение трубок с минимальным диаметром и толщиной стенок и турбулизаторов на стороне охлаждающей жидкости при условии, что сопутствующие потери давления остаются в приемлемых пределах.

Бачки радиатора обеспечивают равно­мерное распределение охлаждающей жид­кости в блоке цилиндров. Бачки радиатора изготавливаются из полиамида, усиленного стекловолокном. При этом все соединения и сборочные элементы выполнены как единое целое. Они крепятся к радиатору при помощи фланцев с уплотнениями из эластомерных материалов.

Новые разработки включают полностью алюминиевые радиаторы с бачками, изготав­ливаемыми также из алюминия и припаивае­мыми к радиатору за одну операцию.

 

Конструкция радиатора

 

Независимо от режимов эксплуатации и окру­жающих условий, радиатор должен обеспечи­ть непрерывный и надежный отвод тепла от двигателя. Размеры и, следовательно, охлаждающую способность радиатора можно определить расчетным путем, используя соот­ношения, полученные по результатам испыта­ний, относящихся к теплопередаче и перепаду Давлений.

Конструкция радиатораРешающим фактором является масса воздуха, проходящего через радиатор, которая зависит от скорости движения автомобиля, сопротивления потоку в моторном отсеке и производительности вентилятора.

Основным назначением радиатора является поддержание температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя ниже максимально допустимого для данных рабочих условий уровня. При низких массовых рас­ходах воздуха для достижения этой цели тре­буются большие радиаторы с низким сопро­тивлением потоку, в то время как при высоких массовых расходах воздуха возможно исполь­зование радиаторов меньшего размера с бо­лее высоким сопротивлением потоку. Однако в последнем случае, когда воздушный поток создается мощным вентилятором, имеет ме­сто высокое энергопотребление.

Задача нахождения наиболее подходя­щего решения в отношении технической осу­ществимости и экономичности может быть лучше всего оптимизирована при помощи мо­делирования. Наиболее подходящие и эффек­тивные инструменты моделирования описы­вают все компоненты, оказывающие влияние на массовый расход воздуха. Результаты мо­делирования проверяются в ходе испытаний автомобиля в аэродинамических трубах.

 

Регулирование температуры охлаждающей жидкости

 

Двигатель автомобиля работает в очень широ­ком диапазоне климатических условий и при больших колебаниях нагрузок. Температура охлаждающей жидкости, а, следовательно, и самого двигателя, должна регулироваться так, чтобы она оставалась постоянной внутри очень узкого диапазона своих значений.

 

Термостат с термочувствительным расширяющимся элементом

 

Термостат с термочувствительным расширяющимся элементомТермостат с термочувствительным расши­ряющимся элементом является надежным и безопасным устройством, идеально подхо­дящим для системы охлаждения. Расширяю­щийся элемент термостата действует в каче­стве дисковой заслонки двойного действия, которая до достижения рабочей температуры перекрывает соединение контура охлаждения с радиатором, одновременно направляя по­ток охлаждающей жидкости, выходящий из двигателя, по перепускному каналу. При этом в двигатель возвращается неохлажденная жидкость («вторичный контур»).

В пределах рабочего диапазона клапана термостата обе его стороны частично от­крыты. Это позволяет подавать в двигатель смесь охлажденной и неохлажденной охлаж­дающей жидкости для поддержания посто­янной рабочей температуры двигателя. При дальнейшем повышении температуры тер­мостат полностью открывается, и вся охлаж­дающая жидкость проходит через радиатор («первичный контур»).

 

Термостат с электронной системой управления

 

Программируемый термостатДополнительные возможности предоставляет термостат с электронной системой управле­ния (см. рис. «Программируемый термостат» ). Этот термостат отличается от обычного термостата с расширяющимся эле­ментом возможностью регулирования темпе­ратуры открытия. Термостат с электронной си­стемой управления содержит нагревательный резистор, служащий для дополнительного нагрева расширяющегося элемента с целью увеличения степени открытия клапана термо­стата со стороны радиатора и снижения тем­пературы охлаждающей жидкости.

Электриче­ский ток, протекающий через нагревательный резистор, регулируется системой управления двигателем в целях поддержания оптималь­ной для данных рабочих условий температуры двигателя. Необходимые данные хранятся в виде программных карт в памяти системы управления двигателем.

Повышение рабочей температуры в диапа­зоне частичных нагрузок и ее снижение при высоких нагрузках дает следующие преиму­щества:

  • Снижение расхода топлива;
  • Снижение содержания вредных выбросов в отработавших газах;
  • Уменьшение износа;
  • Повышение теплового к.п.д. двигателя.

 

 

Расширительный бачок

 

Расширительный бачок предназначен для выпу­ска в атмосферу паров при давлении, выше ко­торого наступает кавитация в зоне всасывания жидкостного насоса. Объем расширительного бачка должен быть достаточным, чтобы он мог вместить дополнительный объем охлаждающей жидкости, образующийся вследствие ее тепло­вого расширения при быстром возрастании давления, и предотвратить закипание жидкости после остановки горячего двигателя.

Расширительный бачокРасширительный бачок изготавливается из пластмассы (обычно — полипропилена), хотя могут быть использованы более простые конструкции. Обычно расширительный бачок соединяется с системой охлаждения при по­мощи шлангов. Для обеспечения эффективного вытеснения воздуха расширительный бачок устанавливается в наивысшей точке системы охлаждения. В некоторых случаях расшири­тельный бачок может составлять единое целое с бачком радиатора, или расширительный бачок и бачок радиатора могут соединяться при помощи фланцевого или разъемного соединителя.

Место расположения и форму заливного отверстия выбирают так, чтобы исключалось переполнение бачка. Для контроля уровня охлаждающей жидкости может быть уста­новлен электронный датчик уровня. Уро­вень охлаждающей жидкости также можно контролировать, если расширительный бачок изготовлен полностью или частично из прозрачной пластмассы, пользуясь на­несенными на него метками. Однако следует иметь в виду, что прозрачный полипропилен чувствителен к ультрафиолетовому излуче­нию. По этой причине прозрачная часть рас­ширительного бачка не должна подвергаться воздействию прямого солнечного света.

 

Вентиляторы системы охлаждения

 

Электронное регулирование температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателяВентиляторы используются для принуди­тельного обдува радиаторов на малых ско­ростях движения. На легковых автомобилях в основном используют цельные (литые под давлением) пластиковые крыльчатки венти­ляторов, на грузовых автомобилях также ис­пользуются вентиляторы, изготавливаемые методом литья под давлением, способные передавать мощность до 30 кВт.

Вентиляторы, рассчитанные на передачу умеренных мощностей (до 850 Вт) в боль­шинстве случаев снабжаются электродвига­телями постоянного или переменного тока. Несмотря на то, что конструкция крыльчатки может обеспечивать относительно тихую ра­боту, при высоких скоростях вращения эти вентиляторы имеют высокий уровень шума.

На некоторых легковых автомобилях, в частности, автомобилях с двигателями очень большой мощности и предназначенных для эксплуатации в условиях жаркого климата или на автомобилях с дизельными двигате­лями и кондиционерами воздуха, мощности электропривода оказывается недостаточно для обеспечения необходимого для охлаж­дения расхода воздуха. В таких случаях вентилятор приводится во вращение непо­средственно от двигателя автомобиля через ременную передачу. Однако это возможно только при продольном расположении дви­гателя. Как правило, на коммерческих и тя­желых грузовых автомобилях вентиляторы приводятся во вращение при помощи ремен­ной передачи. В некоторых редких случаях вентилятор крепится непосредственно на пленчатом вале.

 

Управление вентилятором охлаждения

 

Система управления вентилятором требует особого внимания. В зависимости от типа автомобиля и условий его работы, воздуш­ный поток (без применения вентилятора) может обеспечивать достаточное охлажде­ние вплоть до 95 % времени работы двига­теля, поэтому, в целях экономии топлива, вентилятор должен быть снабжен системой управления. По этой причине электрические вентиляторы снабжаются ступенчатой или непрерывной системой управления, обеспе­чивающей продолжительность включения и скорость вращения вентилятора в соответ­ствии с требуемой производительностью. Ступенчатая система управления может со­держать реле и последовательно подключае­мые к двигателю резисторы, в то время как непрерывная система требует применения силовых электронных компонентов. Входные сигналы на привод в этом случае подаются от электрических термостатических устройств или из блока управления двигателем.(см. рис. «Электронное регулирование температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя«).

 

Привод вентилятора

 

Вязкостная муфта с электронной системой управленияСвою надежность и эффективность как на легковых, так и на коммерческих автомо­билях доказали муфты жидкостного трения (вязкостные муфты). Такая муфта состоит из трех основных компонентов (см. рис. «Вязкостная муфта с электронной системой управления«):

  • Первичный ведомый диск;
  • Вторичная ведомая секция, включающая основной корпус и крышку;
  • Управляющий механизм.

 

Промежуточный диск делит ведомую часть на питательную и рабочую камеры, через ко­торые циркулирует рабочая жидкость. Пер­вичный диск свободно вращается в рабочей камере. Крутящий момент передается за счет внутреннего трения высоковязкой жидкости. Между входной и выходной частями муфты имеет место определенная степень проскаль­зывания.

Вязкая жидкость представляет собой си­ликоновое масло. Мощность, передаваемая муфтой, а, следовательно, и скорость враще­ния вентилятора определяется количеством силиконового масла в рабочей камере. Ко­личество силиконового масла в рабочей камере регулируется при помощи клапана, установленного между питательной и рабо­чей камерами.

Применяются вязкостные муфты двух ви­дов. Первым из них является зависимая от температуры саморегулирующаяся муфта, скорость вращения которой регулируется от нуля до максимального значения при помощи биметаллического элемента, управляющего стержня и рычага клапана. Контролируе­мыми переменными в этом случае являются температура воздуха на выходе радиатора и связанная с ней температура самой охлаждаю­щей жидкости. Второй конструкцией является муфта с электронной системой управления и электромагнитным исполнительным устрой­ством. В этом случае вместо одной контроли­руемой переменной используются несколько параметров, к которым обычно относятся зна­чения предельных температур для различных охлаждающих жидкостей.

 

Промежуточное охлаждение

(охлаждение с наддувом воздуха)

 

Тенденции в разработке автомобильных двига­телей демонстрируют постоянное увеличение удельной мощности. Эта тенденция идет рука об руку с переходом от безнаддувных двига­телей к двигателям с турбонаддувом и далее к двигателям с турбонаддувом и промежуточ­ным охлаждением. Необходимость в промежу­точном охлаждении (охлаждении воздуха над­дува) вызвана увеличением плотности воздуха на выходе турбонагнеталя и, следовательно, количества кислорода в воздухе для горения смеси. Промежуточное охлаждение также позволяет снизить содержание вредных вы­бросов в отработавших газах. При отсутствии промежуточного охлаждения (охлаждения воздуха наддува) на двигателе с турбонад­дувом и искровым зажиганием необходимо было бы принимать соответствующие меры по предотвращению детонации, возникающей вследствие обогащения смеси или при позд­нем зажигании. Поэтому система промежуточ­ного охлаждения косвенно способствует сни­жению расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах.

 

Конструктивные особенности промежуточного охлаждения

 

Для охлаждения наддувочного воздуха мо­гут использоваться охлаждающая жидкость или окружающий воздух. За некоторым ис­ключением, в настоящее время на легковых и коммерческих автомобилях применяются промежуточные охладители с воздушным охлаждением.

Промежуточный охладитель с воздушным охлаждением можно установить перед ра­диатором двигателя или после него, или в любом ином месте над модулем охлаждения. Он также может быть полностью отделен от радиатора и работать с использованием либо внешнего потока воздуха, либо создаваемого собственным вентилятором. Если промежуточ­ный охладитель установлен перед радиатором, охлаждающий вентилятор обеспечивает достаточный воздушный поток даже при низких скоростях движения автомобиля. Однако такая компоновка имеет тот недостаток, что при этом нагревается сам охлаждающий воздух. Чтобы скомпенсировать этот эффект, необходимо со­ответственно увеличивать размеры радиатора.

Промежуточный охладитель с жидкостным охлаждением может быть установлен прак­тически в любом месте моторного отсека, поскольку технические трудности с обеспе­чением подачи в систему охлаждающей жид­кости отсутствуют. Кроме того, благодаря своим скромным размерам, промежуточный охладитель этого типа требует значительно меньше пространства, чем промежуточный охладитель с воздушным охлаждением. Промежуточные охладители с жидкостным охлаждением отличаются высокой плотно­стью мощности. Однако, для эффективного охлаждения воздуха наддува температура охлаждающей жидкости должна быть очень низкой. Это требование имеет особенно боль­шое значение в отношении коммерческих ав­томобилей и тяжелых грузовых автомобилей, поскольку в этом случае необходимо нагреть воздух наддува на 15 К выше температуры наружного воздуха. Следовательно, чтобы обеспечить требуемую температуру охлаж­дающей жидкости, может потребоваться установить в охлаждающем модуле низко­температурный радиатор. Без такого радиа­тора воздух наддува может быть охлажден только до уровня, близкого к температуре охлаждающей жидкости двигателя.

Промежуточный охладитель изготавли­вается из гофрированных алюминиевых пластин и трубок, которые аналогичны тем, что используются в радиаторе основной си­стемы охлаждения. Широкие трубки с охлаж­дающими пластинами позволяют получить благоприятные характеристики и конструк­тивную целостность охладителя. Плотность Ребер на стороне охлаждающего воздуха от­носительно невелика и приблизительно со­ответствует плотности внутренних ребер для Достижения хорошего распределения сопро­тивления теплопередаче.

Особенно важным параметром промежу­точного охладителя является коэффициент рассеяния теплоты Ф. Этот параметр опреде­ляет зависимость между эффективностью охлаждения наддувочного воздуха и разно­стью между температурами наддувочного и охлаждающего воздуха:

Ф = (tt1A) / (t — t2A)

где:

Ф — коэффициент рассеяния теплоты;

t — температура наддувочного воздуха на входе;

t1A — температура наддувочного воздуха на выходе;

t2A — температура охлаждающего воздуха на входе.

Для легковых автомобилей: Ф = 0,4 — 0,7.

Для грузовых автомобилей: Ф = 0,9 — 0,95.

По возможности, напорная воздушная камера изготавливается методом литья под давлением из армированного волокном полиамида, как цельная отливка со всеми соединениями и кре­плениями. Напорные камеры, подвергающиеся повышенным напряжениям на стороне впуска наддувочного воздуха, изготавливаются мето­дом литья под давлением из термостойкого полифталамида или полифениленсульфида. Они крепятся к радиатору при помощи флан­цев и уплотняются при помощи уплотнений из эластомерных материалов. Напорные камеры с поднутрением, предназначенные для работы в условиях высоких температур, изготавлива­ются методом литья из алюминиевого сплава и привариваются к радиатору.

 

Охлаждение масла и топлива

 

Часть теплоты, выделяемой двигателем, по­глощается маслом, для охлаждения которого часто используется поверхность масляного поддона. Если температура масла выходит за пределы установленного диапазона при ра­боте двигателя на режиме полной нагрузки (мощные автомобили), то необходима допол­нительная установка масляного радиатора.

Маслоохладители могут быть охлаждае­мыми воздухом или жидкостью. Они могут быть установлены в охлаждающем модуле или любом ином месте в моторном отсеке. Если маслоохладитель установлен вне охлаждаю­щего модуля, без принудительного обдува, необходимо принять меры к обеспечению надлежащей подачи охлаждающего воздуха.

 

Маслоохладители, охлаждаемые воздухом

 

Маслоохладители, охлаждаемые воздухом, в основном изготавливаются из алюминия. В большинстве случаев они состоят из пло­ских трубок и рифленых ребер и отличаются высокой плотностью энергии. В меньшей степени распространены сборные системы с механическим креплением круглых трубок и ребер. В целях увеличения охлаждающей способности и прочности (стойкости к высо­ким внутренним давлениям) в систему пло­ских трубок впаяны специальные вставки для создания турбулентности.

На мощных коммерческих и легковых автомобилях также устанавливаются охлаж­даемые воздухом маслоохладители транс­миссии. Для обеспечения хорошего теплооб­мена они устанавливаются перед основным радиатором двигателя.

 

Маслоохладители с жидкостным охлаждением

 

В настоящее время составные алюминиевые маслоохладители с жидкостным охлажде­нием практически вытеснили дисковые охла­дители из нержавеющей стали и алюминие­вые охладители с разветвленными трубками.

Дисковые маслоохладители устанавлива­ются между блоком цилиндров и масляным фильтром. Они имеют отдельный кожух и центральный канал для прохождения масла. Масло, возвращающееся из масляного филь­тра, проходит через лабиринт перфориро­ванных дисков, разделенных специальными вставками для создания турбулентности. Этот лабиринт охлаждается охлаждающей жидко­стью, протекающей через кожух.

Охладители с разветвленными трубками состоят из оребренных трубок, по которым протекает охлаждающая жидкость. На сто­роне подачи масла они не имеют кожуха, поэтому должны быть встроены в корпус масляного фильтра или масляный поддон.

Составные дисковые маслоохладители со­стоят из отдельных дисков с установленными между ними вставками для создания турбу­лентности. Края дисков вставлены в кожух. Каналы, образованные дисками, соединены таким образом, что охлаждающая жидкость и масло протекают по различным каналам.

Когда потребность в охлаждении более умеренна (для рабочих жидкостей в автомати­ческих трансмиссиях), могут использоваться маслоохладители для легковых и коммерче­ских автомобилей. Они не имеют кожуха на сто­роне охлаждающей жидкости и встраиваются в выпускной бачок радиатора охлаждающей жидкости. Для этой цели могут использоваться маслоохладители со сдвоенными трубками (частично изготавливаемыми из цветных ме­таллов) или с плоскими алюминиевыми труб­ками. Маслоохладители со сдвоенными труб­ками состоят из двух концентричных трубок с установленными между ними вставками для создания турбулентности. Маслоохладители с плоскими трубками представляют собой систему плоских трубок и вставок для созда­ния турбулентности на стороне охлаждающей жидкости. Соединения выполняются методом высокотемпературной пайки. Плоские трубки соединены друг с другом через отверстия на их концах. В целях повышения охлаждающей спо­собности и прочности в плоские трубки впаяны вставки для создания турбулентности.

Для охлаждения моторного масла двигате­лей коммерческих автомобилей обычно ис­пользуются дисковые охладители из нержа­веющей стали или охладители с плоскими алюминиевыми трубками без кожуха на стороне охлаждающей жидкости. Они встра­иваются в удлиненный канал охлаждающей жидкости в блоке цилиндров.

 

Охладитель топлива

 

Охладители топлива устанавливаются на совре­менных дизельных двигателях для охлаждения избытка топлива до допустимого уровня. Это избыточное дизельное топливо нагревается во время впрыска в результате сжатия в топливном насосе высокого давления перед его возвратом в топливный бак по обратной линии. Охлажде­ние топлива может осуществляться при помощи системы с воздушным или жидкостным охлаж­дением. Поэтому для этой цели используются охладители с воздушным охлаждением или дисковые охладители различных типов.

 

Технология модульного охлаждения двигателя

 

Охлаждающие модули представляют собой конструктивные элементы, состоящие из раз­личных компонентов охлаждения и кондицио­нирования воздуха, используемых на легко­вых автомобилях, и содержащие вентилятор с приводом (например, гидростатическим дви­гателем, электродвигателем или вязкостной муфтой).(см. рис. «Управляемая система охлаждения» )

Технология модульного охлаждения охва­тывает конструкцию компонентов с учетом их взаимодействий, доступного пространства и связей с другими системами. Проблемы в от­ношении сопряжений включают:

  • Методы установки;
  • Вздуховоды;
  • Уплотнения на стороне охлаждающего воздуха;
  • Подсоединение к компонентам линий по­дачи масла и охлаждающей жидкости;
  • Разъемные электрические соединения.

 

К преимуществам модульной техники отно­сятся:

  • Упрощение логики управления за счет объединения компонентов в единый конструктивный блок;
  • Уменьшение количества соединений;
  • Простота установки и сборки;
  • Оптимальная конструкция компонентов;
  • Модульные системы, подходящие для различных двигателей и вариантов обо­рудования;
  • Повышение общего уровня качества сборки.

 

Для оптимизации конструкции компонентов модулей охлаждения используются различные методы моделирования и испытаний. Исходя из известных характеристик вентиляторов, при­водов и теплообменников, разрабатываются моделирующие программы, воспроизводящие условия как на стороне охлаждающего воздуха, так и на стороне охлаждаемого масла. Вклю­чая в модели отдельные компоненты, можно исследовать взаимодействия компонентов при различных условиях работы. Все более широ­кое применение находят инструменты системы компьютеризованного конструирования (CAD). При этом в систему CAD вводятся все геометри­ческие данные, которые затем обрабатываются системой соответствующим образом. Для ис­следования потоков охлаждающего воздуха в моторном отсеке используются методы вы­числительной гидроаэродинамики (CFD), для анализа прочности конструкции и устойчивости системы — анализ методом конечных элементов (FEM). Завершает этот процесс стадия испыта­ний на моделях или прототипах, которые могут проводиться в аэродинамических трубах или на вибростендах.

 

Управляемая система охлаждения

 

Териология систем охлаждения

 

В то время как охлаждающий модуль вклю­чает компоненты, выполняющие опреде­ленные функции, система охлаждения охватывает все компоненты, относящиеся к охлаждению, в том числе и те, которые не входят в состав законченных конструктив­ах узлов. Сюда относятся компоненты, не входящие в состав модуля охлаждения, такие как соединительные трубопроводы и шланги, насосы, расширительные бачки и элементы Управления.

Технология систем охлаждения имеет целый ряд технических и экономических преимуществ:

  • Снижение паразитных потерь за счет опти­мизации гидравлической части системы;
  • Оптимизация процессов управления и динамики;
  • Оптимизация системы отопления салона автомобиля;
  • Большое количество вариантов, что по­зволяет выбрать наиболее подходящий для данного автомобиля и условий экс­плуатации;
  • Стандартизованная концепция сборки всех компонентов системы охлаждения;
  • Снижение затрат на разработку благодаря уменьшению количества интерфейсов.

 

Интеллектуальные системы теплового регулирования

 

В настоящее время имеют место тенденции к разработке оптимизированных систем ре­гулирования различных потоков веществ и тепловых потоков.

Тепловое регулирование выходит далеко за пределы систем охлаждения в том отно­шении, что оно учитывает все потоки веществ и тепловые потоки, имеющие место в автомо­биле, т.е. в дополнение к системе охлаждения двигателя учитывается, например, система кондиционирования воздуха. Цели оптими­зации включают:

  • Снижение расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах;
  • Повышение эффективности кондициони­рования воздуха;
  • Увеличение срока службы компонентов;
  • Улучшение охлаждения при частичных на­грузках двигателя.

 

Один из основных принципов теплового регу­лирования заключается в том, что вспомога­тельная мощность, используемая для работы системы охлаждения, всегда представляет собой потери полезной мощности двигателя, и производительность тех или иных компо­нентов не может произвольно повышаться при неизменной доступной вспомогатель­ной мощности. Поэтому для достижения целей оптимизации система охлаждения снабжается «интеллектуальной» микропро­цессорной системой управления как с из­вестными, так и с новыми исполнительными механизмами. Например, в целях снижения интенсивности подачи охлаждающего воз­духа до необходимого минимума в зависи­мости от рабочих условий (регулирование по потребности) система может быть оборудована регулируемыми шторками радиатора или регулируемым приводом вентилятора. В дополнение к снижению коэффициента сопротивления cd, эти меры способствуют ускорению прогрева двигателя при низких наружных температурах и повышению эф­фективности системы отопления салона. Уменьшение части мощности, расходуемой на работу системы охлаждения, означает на­личие запаса мощности, который может быть использован при критических состояниях си­стемы охлаждения, с обеспечением в то же время выполнения целей оптимизации.

Другим важным принципом является под­держание, насколько возможно, постоянной температуры охлаждаемых компонентов не­зависимо от условий работы и окружающих условий. Примером применения этого прин­ципа является использование охлаждающей жидкости двигателя для регулирования тем­пературы рабочей жидкости трансмиссии. Быстрый прогрев рабочей жидкости после запуска двигателя и ее эффективное охлаж­дение, предотвращающее перегрев, снижают потери на трение в трансмиссии, увеличи­вают срок службы и позволяют увеличить интервалы технического обслуживания.

В конечном итоге, рассмотрение систем охлаждения и кондиционирования воздуха как единого целого открывает новые возмож­ности использования «тепловой интеграции». Тепловые потоки одной системы могут исполь­зоваться или рассеиваться другой системой без необходимости в каком-либо значительном увеличении вспомогательной мощности. При­мером такого подхода является использование отходящего тепла системы охлаждения отрабо­тавших газов для отопления салона автомобиля.

В целом система теплового регулирования включает:

  • Выравнивание температуры рабочей жид­кости трансмиссии;
  • Программируемый термостат;
  • Электрически регулируемую вязкостную муфту;
  •  Регулирование скорости насоса системы охлаждения;
  • Регулирование потока охлаждающего воздуха при помощи, например, шторок радиатора;
  • Охлаждение отработавших газов;
  • Жидкостное охлаждение воздуха наддува (промежуточное охлаждение).

 

Потенциал снижения расхода топлива за счет применения всех этих устройств и систем со­ставляет до 5 % (для легковых автомобилей). Кроме того, имеется ряд дополнительных преимуществ, соответствующих вышеуказанным целям оптимизации. Решающее значение в реа­лизации этого потенциала имеют пределы, в ко­торых система управления двигателем исполь­зует опции управления системой охлаждения.

В настоящее время на автомобилях в раз­личной степени реализуются те или иные отдельные меры по оптимизации темпера­турных режимов узлов автомобиля. В то же время комплексная система теплового регу­лирования остается резервом для будущих поколений автомобилей.

 

Охлаждение отработавших газов

 

В связи с принятием новых более жестких норм предельно допустимого содержания вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей, объектом внимания специалистов становятся новые технологии по снижению ток­сичности. Одной из таких технологий является охлаждаемая система рециркуляции отработав­ших газов (EGR). Система рециркуляции отрабо­тавших газов размещается в области высокого давления двигателя. Часть отработавших газов отбирается из основного потока между блоком цилиндров и турбонагнетателем отработавших газов. Эти отработавшие газы охлаждаются охлаждающей жидкостью двигателя, а затем снова вводятся в поток свежего воздуха на выходе промежуточного охладителя. Система EGR состоит из клапана, регулирующего коли­чество рециркулирующих отработавших газов, выпускных трубопроводов и теплообменника, который подвергается воздействию очень вы­соких температурных нагрузок (например, в двигателях легковых автомобилей температура отработавших газов может достигать 450 °С, а в двигателях грузовиков — 700 °С), что требует применения термостойких материалов. (см. рис. «Схема системы рециркуляции охлаждаемых отработавших газов» )

 

Схема системы рециркуляции охлаждаемых отработавших газов

 

Кроме того, материал должен обладать стой­костью к коррозии и иметь высокую механиче­скую прочность. Поэтому для этих целей при­меняются специальные нержавеющие стали.

Для достижения необходимой степени рециркуляции теплообменники должны обе­спечивать очень низкий перепад давления. Также должны быть приняты меры к пре­дотвращению их засорения. В конструкции охладителей отработавших газов применены пучки гладких или оребренных труб. Отрабо­тавшие газы проходят по трубкам, а охлаж­дающая жидкость циркулирует в рубашке охладителя.

Еще одним применением охладителей от­работавших газов является их предваритель­ное охлаждение на двигателях с искровым зажиганием. Предварительное охлаждение отработавших газов требуется для поддер­жания их температуры в пределах рабочего диапазона каталитических нейтрализаторов аккумуляторного типа.

В следующей статье я расскажу о системе смазки двигателя.

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *