Рідинні системи охолодження

 

При рідинному охолодженні тепло від стінок і головок циліндрів передається рідині.

Нагріта в такий спосіб рідина надходить у радіатор, що продувається повітрям, де теплота від

рідини передається повітрю. За способом здійснення циркуляції рідини біля поверхонь

охолодження розрізняють наступні системи рідинного охолодження (див. рис. 10.1):

- термосифонні;

- примусові (замкнуті і проточні);

- комбіновані.

 

Рисунок 10.1. Системи рідинного охолодження:

а – термосифонна; б – примусова; в – комбінована; 1 – сорочка охолодження; 2 – шків

привода вентилятора; 3 – радіатор; 4 – вентилятор; 5 – водяний насос

 

 

У термосифонній системі охолодження рідина циркулює внаслідок різної величини її

густини у холодному і гарячому стані. Переваги термосифонної системи охолодження –

простота будови, незначна інтенсивність циркуляції рідини при пуску і прогріві двигуна,

саморегулювання інтенсивності охолодження в залежності від навантаження двигуна. Недолік –

повільна циркуляція води, що приводить до збільшення ємності системи і маси двигуна.

Недостатня інтенсивність циркуляції підвищує випаровування рідини із системи, вимагає частої

перевірки рівня рідини і поповнення системи. У силу цих недоліків термосифонна система

застосовується рідко.

Замкнута примусова система є найбільш розповсюдженою системою рідинного

охолодження. У цій системі циркуляція рідини створюється насосом, що нагнітає її в сорочку

 

 

охолодження блоку циліндрів, з блоку нагріта рідина надходить у головки циліндрів і далі в

радіатор. Після охолодження в радіаторі рідина надходить до насоса. Систему охолодження

звичайно роз'єднують з атмосферою спеціальним клапаном. Така система називається закритою,

тому що вона працює при тиску вище атмосферного, температура кипіння рідини в ній

відповідно підвищується, випаровування рідини, а значить, і витрата її, зменшується. Система

охолодження, що поєднана з атмосферою, називається відкритою.

У систему охолодження входять рідинний та повітряний тракти. Рідинний тракт системи

включає (рис. 10.2): сорочку охолодження блоку і головок циліндрів, водяний насос із приводом,

радіатор, пробка з клапанами, жалюзі радіатора, термостат, сполучні патрубки зі шлангами,

зливні краники і контрольні прилади. Повітряний тракт включає вентилятор з кожухом

(дифузором), радіатор, жалюзі радіатора.

Підвищення температури охолодної рідини в системі сприяє зменшенню її габаритів і

маси за рахунок підвищення інтенсивності теплопередачі, однак це зв’язано з необхідністю

підвищення тиску в системі.

 

 

Рисунок 10.2. Принципова схема рідинної системи охолодження:

1 – радіатор; 2 – пароповітряна пробка; 3 – термостат; 4 – розширювальний бачок; 5 –

пробка бачка; 6 – сорочка охолодження; 7 – насос; 8 – вентилятор; 9 – обвідний трубопровід

 

 

Регулювання температури охолодної рідини здійснюється зміною масової витрати

гарячого і холодного теплоносіїв, які циркулюють у рідинному і повітряному трактах системи. У

рідинному тракті роль регуляторів виконують термостат та рідинний насос. Витрата повітря

залежить від його швидкості, яку утворює вентилятор, та від аеродинамічного опору повітряного

тракту, який регулюється жалюзі.

Розглянемо основні елементи рідинної примусової системи охолодження.

У якості насосів звичайно застосовують лопатеві відцентрові насоси, що приводяться в

обертання від колінчастого вала. Приклади насосів зображено на рис. 10.3 та 10.4.

Перспективним є використання насосів з приводом від електромотора (рис. 10.5).

 

 

 

Рисунок 10.3. Насос системи охолодження:

1 – крильчатка; 2 – корпус; 3 – вікно; 4 – кришка; 5 – підшипник; 6 – вал; 7 – маточина; 8

– гвинт; 9 – ущільнювання; 10 – вхідний патрубок

 

Рисунок 10.4. Насос системи охолодження (BMW)

 

 

Рисунок 10.5. Насос системи охолодження з електроприводом (BMW)

 

Радіатор (10.3) є теплообмінником, що поєднує два контури системи. Від складається

(рис.10.6) з двох бачків та серцевини. Серцевина являє собою ряд латунних або алюмінієвих

трубок, якими тече рідина та обдувається потоком повітря, і сталевих пластин або мідних

стрічок, що підвищують площину охолодження. За типом серцевини використовують в

основному трубчато-пластинчасті та трубчато-стрічкові радіатори (рис. 10.7). Спереду радіатора

часто встановлюють жалюзі з дистанційним приводом для регулювання потоку повітря.

 

Рисунок 10.6. Радіатор (а) та вентилятор з електричним приводом (б):

1,8 – бачки; 2 – серцевина; 3 – датчик температури; 4 – прокладка; 5 – вентилятор; 6 –

електродвигун; 7 – кожух; 9 – опора; 10 – пробка

 

 

Рисунок 10.7. Серцевини (решітки охолодження) трубчато-пластинчастих (а-д) та

трубчато-стрічкових радіаторів (е-ж): а – принципова схема трубчато-пластинчастого радіатора;

б – рядне розташування трубок; в – шахове розташування трубок; г – шахове розташування під

кутом до потоку повітря; д – охолодна пластина з відігнутими просічками; е – принципова схема

трубчато-стрічкового радіатора; ж – охолодна стрічка

 

 

Вентилятор забезпечує потрібну витрату повітря для відбирання теплоти. У ДВЗ

найбільш розповсюджені одноступеневі осьові вентилятори з числом лопат 4ч8. Робоче колесо

вентилятора встановлюють у напрямнихкожухах (дифузорах).

Лопати вентилятора виготовляють литими або клепаними. Лопати клепаних вентиляторів

штампують з листової сталі, вони прості у виготовленні, але мають невеликий ККД. Литі

вентилятори виготовляють з синтетичних матеріалів з профільованими лопатами та мають

істотно більший ККД.

Приводвентилятора може бути різноманітним.

В автотракторних двигунах насос і вентилятор часто розташовують на загальному валу

біля радіатора, тоді їхній привод здійснюється ремінною передачею (рис. 10.8). У сучасних

конструкціях двигунів вентилятор часто має автономний привод від електродвигуна (рис. 10.6),

що включається при досягненні температури в радіаторі гранично припустимого значення. У

ДВЗ важких транспортних засобів вентилятор встановлюють безпосередньо на колінчастому

валу.

 

 

Рисунок 10.8. Вентилятор з ремінним приводом

1 – вентилятор; 2 – болт; 3 – накладка; 4, 5, 6 – шківи; 7 – ремінь

 

 

Перспективним є привод вентилятора від в’язкісної муфти (VISCO-муфти) (рис. 10.9,

10.10). Маточина такого вентилятора має постійний привод від колінчастого вала, а лопати

поєднуються з маточиною через муфту, усередині якої знаходиться спеціальна рідина, яка

збільшує свою в’язкість при збільшенні температури (силіконове масло). Робочі камери являють

собою «лабіринти», що утворені ребрами на роторі й на ділильних пластинах. Момент

передається від ротора до корпуса за рахунок «внутрішнього тертя» у силіконовому маслі.

Біметалічна пружина, що установлена із зовнішньої сторони корпуса муфти, переміщає

пластину, відкриваючи й закриваючи впускні канали й регулюючи перетікання масла залежно

від температури повітря. Якщо повітря, що проходить крізь радіатор, має низьку температуру,

між маточиною та лопатами немає жорсткого зв’язку. При підігріванні повітря в’язкість

підвищується, і муфта починає блокуватися, а при температурі 80 °С відбувається повне

блокування муфти, і лопати вентилятора обертаються з максимальною частотою.

 

 

 

Рисунок 10.9. Конструкція в’язкісної муфти:

1 – біметалічна пружина; 2 – біметалічна пластина; 3, 4 – впускні канали; 5 – передня

камера; 6, 7 – зворотні канали; 8 – задня камера; 9 – передній резервуар; 10 – зуби ротора; 11 –

корпус підшипника; 12 – вал ротора; 13 – корпус підшипника; 14 – задній резервуар; 15 – задня

ділильна пластина; 16 – ротор; 17 – передня ділильна пластина; 18 – передня кришка

 

Рисунок 10.10. VISCO-муфта у розрізі

 

 

У конструкції деяких ДВЗ для привода вентилятора використовують гідравлічні муфти

(рис. 10.11), які змінюють частоту обертання в залежності від температурного режиму шляхом

змінення кількості масла усередині муфти.

Для автоматичного регулювання вентиляторів з ремінним приводом також

використовують електромагнітні муфти.

 

 

Рисунок 10.11. Гідравлічна муфта привода вентилятора

1 – вал привода; 2, 6 – сальники; 3 – гайка; 4 – стопорна шайба; 5 – втулка сальника; 7 –

робоче кільце; 8 – гідромуфта; 9 – корпус вентилятора; 10 – кришка; 11 – ущільнювальне кільце;

12 – корпус центрифуги; 13 – шайба; 14 – маслопровідний болт; 15 – підшипник ковзання

 

 

Термостат (10.4) служить для попередження переохолодження циліндрів і їхніх головок

при малих навантаженнях двигуна, а також для прискорення прогріву двигуна після його пуску.

У тому випадку, коли температура двигуна низька, рідина в процесі прогріву циркулює по

малому замкнутому колу, минаючи радіатор. По мірі прогріву, коли рідина досягає необхідної

температури, клапан термостата відкривається і починає пропускати в радіатор рідину, яка буде

циркулювати по великому колу через радіатор. Термостати також регулюють кількості рідини,

що проходить через радіатор.

За типом робочого тіла розрізняють термостати з твердим наповнювачем (церезином

(кристалічним воском) з мідними обпилюваннями) та з рідким наповнювачем (сумішшю

дистильованої води та етилового спирту – етиленгліколем). При нагріванні робоче тіло

розширюється та відкриває основним клапаном канал великого кола і прикриває байпасним

клапаном канал малого кола охолодження.

У деяких термостатах встановлюють вібруючийклапан (отвір з рухливою пробкою),

який, рухаючись, дробить повітряні міхури, що попереджає утворення повітряних пробок у

системі.

 

 

 

 

Рисунок 10.12. Термостат з твердим наповнювачем

1 – нижня рамка; 2 – верхня рамка; 3 – регулювальний гвинт; 4 – шток; 5 – гумова буфер-

мембрана; 6 – сідло основного клапана; 7 – основний клапан; 8 – пружина; 9 – капсула; 10 –

напрямне кільце; 11 – перепускний (байпасний) клапан; 12 – пружне кільце; 13 – віджимна

пружина; 14 – сідло перепускного клапана

 

 

Рисунок 10.13. Термостат з рідким наповнювачем: а – у закритому положенні; б – у

відкритому положенні.

1 – впускний трубопровід; 2 – перепускний шланг малого кола; 3 – патрубок великого

кола; 4 – клапан; 5 – шток; 6 – корпус; 7 – балон

 

Паровііповітряніклапани встановлюються у заливних горловинах радіаторів і

розширювальних бачків (рис. 10.14) і призначені для регулювання перепаду тисків між

системою охолодження і атмосферою. Паровий клапан відкривається при підвищеному тиску у

системі до 20 кПа та випускає частину парів у атмосферу; повітряний відкривається при падінні

тиску до 95ч85 кПа внаслідок остигання або зливу рідини та пропускає у систему атмосферне

повітря.

 

 

Рисунок 10.14. Пробки розширювального бачка (а) та радіатора (б)

1 – пружина випускного клапана; 2 – впускний (повітряний) клапан; 3 – пружина

впускного клапана; 4 – випускний (паровий) клапан; 5 – блок клапанів; 6 – заливна горловина

розширювального бачка; 7 – горловина радіатора; 8 – корпус пробки; 9 – патрубок до

розширювального бачка

 

 

Розширювальні (компенсаційні)бачки встановлюють у верхній точці системи

охолодження. При нагріванні рідина із системи заповнює розширювальний бак, а при

охолодженні з бака надходить у систему. У цих баках також збираються повітря і пари, що

виділяються, здійснюється їхній відвід в атмосферу.

Термометри входять до складу контрольних приладів і призначені для контролю

теплового стану двигуна. В автотракторних двигунах застосовуються переважно дистанційні

термометри, датчики яких розташовують на виході охолодної рідини з головок циліндрів. Часто

ДВЗ також обладнують датчиком аварійного сигналу перегріву охолодної рідини. Манометри в

системі охолодження встановлюються порівняно рідко.

Крім того, у системі передбачають заливнігорловини,зливальнікраниіпробки.

Розімкнуті системи охолодження в автотракторних двигунах застосування практично не

знайшли, хоча можуть зустрічатися на автономних дизель-електрогенераторах.

У останній час отримали розвиток ДВЗ з електронним керуванням термостата та

вентилятора у залежності від навантаження, швидкісного режиму, температури охолодної рідини

та навколишнього повітря.

У ДВЗ, що встановлюється на транспортних засобах з заднім або середнім розташуванням

силового агрегату, систему охолодження ускладнено через винесення радіатора (рис. 10.15).

У транспортних ДВЗ система охолодження також служить для обігрівання салону. Для

цього у коло циркуляції включають ще один радіатор, який встановлюють у салоні.

 

 

 

Рисунок 10.15. Система охолодження з винесеним радіатором

1 – радіатор; 2 – вентилятор; 3 – трубопровід відведення рідини від радіатора; 4 –

термостат керування частоти обертання вентилятора; 5 – масляний насос циркуляції масла; 6 –

масляний насос ДВЗ; 7 – рідинний насос; 8 – трубопровід підводу рідини до ДВЗ; 9 – масляний

насос гідрооб’ємної передачі