Системы охлаждения двигателей грузовых автомобилей

Про нее всем все вроде бы известно. Но факт остается фактом: именно на эту систему приходится 25 – 30% неисправностей двигателя, а их последствия очень часто выливаются в более чем дорогостоящий ремонт. Не за горами холода, и на состояние этой системы стоит обратить самое пристальное внимание.

От оптимального теплового состояния двигателя, продолжительности его прогрева, стабильности температурного режима в процессе работы зависят не только надежность, но также топливная экономичность и токсичность отработавших газов. На большинстве автомобильных двигателей используется жидкостная система охлаждения. Она же обеспечивает отопление кабины. Для улучшения пусковых свойств двигателя применяется предварительный подогрев охлаждающей жидкости и системы смазки.

В настоящее время в эксплуатации встречаются жидкостные системы охлаждения двух типов: открытая и закрытая. Первая рассчитана на использование в качестве охлаждающей жидкости воды и постепенно выходит из употребления. Современные моторы имеют закрытую систему с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости, обеспечиваемой центробежным насосом.

В некоторых двигателях для улучшения охлаждения стенок камеры сгорания и клапанов жидкость поступает сразу в головку цилиндров с одной стороны, а отводится – с другой. Цилиндры охлаждаются за счет термосифонной циркуляции жидкости. Однако, как правило, жидкость от насоса подводится в переднюю часть блока цилиндров и через отверстия в прокладке поступает в головку блока. Один из недостатков такой схемы – повышенная температура последнего цилиндра и задней части головки цилиндров.

В результате именно в последнем цилиндре бензиновых моторов в первую очередь начинаются аномальные процессы сгорания (детонация, калильное зажигание, грохот). Поэтому обычно датчик детонации устанавливают в этой зоне головки или блока цилиндров. Иногда в последние цилиндры устанавливают и более холодные свечи, чтобы предотвратить калильное зажигание при заправке низкооктановым бензином или перегреве двигателя. Частично обеспечить более равномерное охлаждение цилиндров удается за счет выбора проходных сечений в прокладке головки цилиндров: уменьшения их в передней части блока и увеличения в задней.

В многорядных (V-образных и оппозитных) двигателях перегрев одного из блоков может происходить из-за неравномерной подачи жидкости при разном расположении выходных окон в насосе. Перегрев начинается с появления пузырьков пара на охлаждаемой поверхности, в дальнейшем образуется паровая пробка. Это приводит к задиру поршня, образованию бочкообразности цилиндра, сгоранию свечи зажигания и возникновению других неисправностей.

Одним из способов снижения расхода топлива является повышение температуры охлаждающей жидкости. Для ускорения прогрева двигателя и автоматического поддержания заданной температуры двигатели имеют термостаты. Большинство моторов снабжены двухклапанными термостатами с твердым наполнителем. Термостат обеспечивает циркуляцию жидкости в обход радиатора. По мере повышения температуры он открывает нижний клапан и часть жидкости начинает циркулировать через радиатор. При повышении температуры до верхнего предела (90 – 95°С) верхний клапан закрывается, и через радиатор циркулирует уже вся жидкость.

Энергетические показатели двигателей также улучшаются за счет регулирования количества воздуха, проходящего через радиатор, например, установкой перед ним управляемых жалюзи или применением гидравлической или электромагнитной муфты в механическом приводе вентилятора. Гидромуфта двигателей КамАЗ имеет трехпозиционный включатель. Позиция П – вентилятор включен постоянно, независимо от температуры. Позиция В – автоматическое включение вентилятора при температуре 85 – 90°С. Позиция О – вентилятор отключен. В последнее время все чаще встречается электрический привод вентилятора с управлением от температурного датчика.

Для повышения давления в закрытых системах охлаждения и предотвращения кипения жидкости служат два клапана, расположенные в пробке радиатора. В процессе нагрева жидкости ее объем увеличивается и избыток удаляется через выпускной клапан в расширительный бачок. При повышении температуры больше 95°С начинается бурное выделение пузырьков пара, впускной клапан закрывается, давление в системе повышается и кипение прекращается. В условиях пониженного атмосферного давления, например, в горах, кипение начинается и при меньшей температуре (до 70°С). В случае перегрева двигателя (из-за отказа привода вентилятора, засорения радиатора, закрытых жалюзи или других причин) и повышения избыточного давления сверх допустимого (5 – 13 кПа) открывается предохранительный выпускной клапан и часть охлаждающей жидкости сливается в расширительный бачок. Это предохраняет части системы от разрушения.

В более новых конструкциях заливная горловина радиатора и соответственно пробка на ней могут отсутствовать. При этом прохождение воздуха в остывающую систему и поддержание давления при горячем двигателе осуществляют клапаны в пробке расширительного бачка.

Для охлаждения жидкости применяются алюминиевые (сварные) или медные (паяные) радиаторы. Первые дешевле, поэтому находят все более широкое распространение. По схеме движения жидкости радиаторы делятся на одноходовые (по ходу движения жидкости) и многоходовые. Достоинством последних является более интенсивный теплообмен за счет увеличения скорости движения жидкости в трубках. Однако при этом увеличивается гидравлическое сопротивление радиатора, что, как правило, компенсируется улучшением теплотехнических характеристик.

Для оценки радиатора используются следующие показатели: его фронтальная поверхность, глубина и общая площадь поверхности охлаждения, размеры, форма и толщина стенок жидкостных каналов, расположение пластин оребрения. Транспортные двигатели снабжаются трубчато-ленточными и трубчато-пластинчатыми радиаторами. Количество жидкости, прокачиваемой через радиатор, в зависимости от конструктивных особенностей двигателя составляет 100 – 150 л/кВт•ч при средних скоростях 0,4 – 0,7 м/с.

Эффективность радиатора зависит также и от его аэродинамического сопротивления. Чтобы улучшить теплоотдачу для турбулизации воздушного потока ленты делаются с выемками и выступами или с отогнутыми просечками. Однако при этом увеличивается вероятность их загрязнения, усложняется очистка, повышается аэродинамическое сопротивление. Для уменьшения аэродинамического сопротивления потоку охлаждающего воздуха радиатор иногда размещают не перед, а рядом с двигателем, а при классической компоновке моторного отсека увеличивают расстояние между ним и мотором.

В качестве охлаждающей жидкости в двигателях применяются антифризы или вода. Вода, благодаря своим теплофизическим свойствам, имеет наивысшие значения коэффициента теплопередачи конвекцией. У антифризов его значения в несколько раз меньше. Обычно при использовании антифриза температура деталей повышается на 10 – 12°С. Кроме того, антифризы имеют большую текучесть, и при переходе с воды на антифриз необходимо проверить при неработающем двигателе – нет ли течи из нижней части радиатора и в патрубках подвода к насосу, а при работающем – в верхней части системы охлаждения.

Недостатками воды с точки зрения использования ее в качестве охлаждающей жидкости является высокая температура затвердевания (0°С), а также увеличение объема при замерзании, приводящее к повреждению двигателя. Кроме того, у воды низкая температура кипения (от 100°С при нормальном атмосферном давлении и до 110°С при повышенном), высокая теплоемкость. В результате для прогрева системы охлаждения до рабочей температуры требуется примерно в 2 – 3 раза больше теплоты и соответственно затрат топлива и времени.

Учитывая, что применяемые антифризы имеют различный уровень токсичности и температуру кипения, они отличаются по цвету. Особо токсичен этиленгликоль (температура кипения 170°С при нормальном давлении, цвет – сине-зеленый). Водные растворы этиленгликоля при нагреве существенно увеличивают свой объем. Поэтому систему охлаждения заполняют на 8% меньше ее объема. Кроме того, для предотвращения потерь антифриза обязательно применение расширительного бачка. Пропиленгликоль малотоксичен (температура кипения 154°С, цвет – желто-оранжевый). Существуют и другие жидкости (например, карбоксилат). Основное достоинство названных антифризов – способность при кристаллизации образовывать кашеобразный раствор, не вызывающий размораживания двигателя.

В России наибольшее распространение получил этиленгликоль (плотность 1 112 кг/м³, температура кристаллизации –20°С). Наиболее низкая температура кристаллизации (–65°С) соответствует водному раствору, содержащему 65,3% этиленгликоля. В районах с умеренными климатическими условиями применяется антифриз, содержащий 52,6% этиленгликоля с температурой кристаллизации –40°С (плотность 1 067 – 1 072 кг/м³).

Для современных двигателей выпускаются антифризы «Тосол» и «Лена», содержащие антикоррозионные, антивспенивающие и другие присадки. Температура кристаллизации концентрата «Тосол-А» (не содержащего воды) –21,5°С. В средней полосе обычно применяется «Тосол А-40М», содержащий 53% концентрата «Тосол-А». Температура его кристаллизации –401°С, плотность 1075 – 1085 кг/м³, температура кипения 108°С. Наиболее низкую температуру кристаллизации –65°С имеет «Тосол А-65» (плотность 1 085–1 095 кг/м³, температура кипения 115°С, содержание концентрата – 62% объема).

Со временем присадки вырабатываются и в этиленгликоле образуется кислота, разъедающая детали системы охлаждения. Замена «Тосола» проводится через два года в южных районах, через три – в северных или после 60 тыс. км пробега. Срок службы «Тосола» может быть увеличен путем добавления нового концентрата. При сливе части старого «Тосола» и добавлении 1 л «Тосол-АМ» срок службы может быть увеличен до года. Существуют специальные препараты для продления срока службы антифриза.

При нагреве охлаждающей жидкости в первую очередь испаряется вода. Поэтому в процессе эксплуатации даже при отсутствии подтеканий в систему охлаждения приходится добавлять дистиллированную воду. Для определения температуры кристаллизации в этом случае можно использовать приведенную диаграмму плотности или поместить небольшое количество проверяемого антифриза в морозильную камеру холодильника (каждая звездочка – 6 градусов) и установить предельно допустимую температуру охлаждения.