Охлаждения двигателей и их привод

Система охлаждения двигателя имеет большое количество элементов и деталей, от работоспособности которых зависит надежность двигателя в целом. Однако непосредственно двигателя касается в первою очередь насос охлаждающей жидкости, поскольку он приводится от коленчатого вала. Нередко выход из строя насоса, например, разрушение его подшипников, грозит серьезными последствиями и для других деталей и агрегатов двигателя.

Насос охлаждающей жидкости центробежного типа обычно состоит из корпуса, валика с рабочим колесом и уплотнения (рис. 2.214). В подавляющем большинстве двигателей легковых автомобилей используются валик с двухрядным подшипником и торцевое уплотнение. Указанная конструкция, ставшая уже традиционной, обеспечивает наибольшую компактность насоса независимо от способа его привода.

Рис. 2.214. Схемы насосов системы охлаждения: а — с приводом клиновым ремнем; б — с приводом зубчатым ремнем; в — торцевые уплотнения; 1 — валик с подшипником; 2 — уплотнение; 3 — крыльчатка; 4—дренажное отверстие; 5 — керамическое кольцо; 6 — резиновая манжета; 7 — пружина; 8 — корпус уплотнения; 9 — графитовое кольцо

Торцевое уплотнение насоса обычно включает в себя графитовое кольцо, прижимаемое к торцу рабочего колеса (крыльчатки) пружиной (рис. 2.214). Пружина устанавливается внутри или снаружи резиновой фигурной манжеты, герметизирующей полость подшипника. Между полостью подшипника и уплотнением обязательно выполняется дренажное отверстие для охлаждающей жидкости, иначе даже небольшая утечка жидкости приведет к вымыванию смазки из подшипника, быстрому его повреждению и разрушению.

Негерметичность уплотнения обычно связана с появлением трещин в резиновой манжете из-за старения резины, износом графитового кольца и торца крыльчатки. Негерметичность насоса также бывает следствием даже не очень длительной работы двигателя на чистой воде вместо специальной охлаждающей жидкости. В данном случае обычно дешевле вовремя устранить неисправность, чем доливать в систему воду и в дальнейшем менять насос.

Как правило, применяется два варианта привода насоса - клиновым или зубчатым ремнем. Крайне редко встречается привод роликовой цепью (GM), поскольку данный вариант усложняет конструкцию двигателя и снижает его надежность.

Наиболее распространен привод насоса клиновым ремнем (рис. 2.215, а). Нередко одним ремнем вместе с насосом приводится генератор. Это наиболее простой вариант привода, однако он имеет недостатки. Генератор современного автомобиля потребляет достаточно большую мощность. Из-за этого возрастает требуемое натяжение ремня и усилие на подшипники насоса, что может ограничить их ресурс.

Рис. 2.215. Некоторые схемы привода насосов системы охлаждения клиновым ремнем: а — традиционная схема; б — простая схема с компенсацией усилий на подшипник насоса; в — привод всех агрегатов многоручьевым ремнем; г — то же, но с компенсацией усилий на подшипник насоса; 1 — шкив коленчатого вала: 2 — шкив насоса системы охлаждения; 3 — шкив генератора; 4 — шкив насоса усилителя руля; 5 — паразитный ролик; 6 — натяжной ролик; 7 — шкив компрессора кондиционера

Особенно неудачным становится такой вариант при необходимости привода других агрегатов (кондиционер, насос усилителя руля). В этом случае на коленчатом валу приходится устанавливать широкий шкив на несколько ремней и при поперечной установке двигателя на автомобиле для него может не хватить места.

Для разгрузки подшипников водяного насоса иногда применяется схема (VOLKSWAGEN) с двумя короткими ремнями, в которой натяжение ремня насоса регулируется подбором дистанционных шайб между половинами шкива (рис. 2.215, б).

Одним из способов решения проблемы является применение одного поликлинового ремня на все агрегаты (рис. 2.215, в). При такой схеме используется натяжной ролик с постоянным усилием натяжения ремня. Возможно также снижение усилий на валик насоса (рис. 2.215, г). Здесь появляется другой недостаток схемы - выход из строя любого из агрегатов, связанных одним общим ремнем, приведет к необходимости остановки двигателя.

Это объясняется тем, что двигатель обязательно будет работать с перегревом, если не вращается насос охлаждающей жидкости, т.е. без насоса работа двигателя невозможна так же, как, например, без масляного насоса. Следовательно, весьма логично включить насос охлаждающей жидкости в систему привода распределительного вала, а остальные агрегаты объединить общим клиноременным приводом.

В настоящее время такие конструкции встречаются довольно часто (рис. 2.175, 2.176). При этом насос охлаждающей жидкости хорошо компонуется на передней крышке или блоке цилиндров (VOLKSWAGEN, MAZDA, OPEL, HONDA и др.).

На некоторых двигателях насос устанавливается в специальное отверстие блока цилиндров, а валик насоса расположен эксцентрично наружной поверхности корпуса насоса, сопрягаемой с отверстием в блоке (рис. 2.178).

Такая конструкция позволяет отказаться от специального натяжного устройства, поскольку натяжение осуществляется поворотом корпуса насоса в отверстии блока цилиндров (VOLKSWAGEN, OPEL). Однако у старых двигателей нередко наблюдаются коррозия корпуса насоса в блоке, и попытки повернуть насос для натяжения ремня (или хотя бы снять его с блока) иногда кончаются поломкой корпуса насоса. Конструкции с приводом насоса зубчатым ремнем обладают и другими недостатками.

Для двигателя опасно разрушение подшипника и заклинивание насоса, поскольку оно ведет к “проскакиванию" ремня. Поэтому в эксплуатации или при ремонте двигателя обнаружение первых признаков износа подшипника (характерный шум при вращении, течь уплотнения) требует его обязательной замены. Насос с приводом зубчатым ремнем сложнее меняется при ремонте (по сравнению со схемой привода насоса клиновым ремнем, где насос обычно стоит открыто на блоке или крышке блока).

Важным элементом системы охлаждения является термостат (рис. 2.216), обеспечивающий быстрый прогрев и поддержание постоянной температуры охлаждающей жидкости. В подавляющем большинстве конструкций термостат устанавливают на выходе из головки блока цилиндров (между головкой и верхним патрубком радиатора).

Рис. 2.216. Термостаты (а, в) и схемы их включения в систему охлаждения (б, г): 1 — двигатель; 2 — насос; 3 — радиатор; 4 — термостат

В наиболее простых схемах термостат перекрывает эту магистраль при низкой температуре охлаждающей жидкости, чем переводит систему в режим пониженной циркуляции по так называемому ''малому кругу”, т.е. внутри головки и блока цилиндров. После прогрева двигателя термостат открывает и регулирует циркуляцию по “большому кругу", чем поддерживает постоянный температурный режим двигателя.

В данной схеме циркуляция по “малому кругу” остается, однако она не оказывает существенного влияния на тепловой режим, поскольку расход жидкости по “большому кругу” больше. Для исключения влияния циркуляции по "малому кругу” используют схему (рис. 2.216, б) с термостатом, закрывающим “малый круг” циркуляции и открывающий “большой круг”. Применяются и более сложные схемы охлаждения.

Термостат (рис. 2.216) состоит из корпуса, датчика и одного или двух клапанов. Датчик заполнен твердым веществом (церезин), которое имеет низкую температуру плавления, примерно соответствующую рабочей температуре в системе. При достижении этой температуры церезин плавится и увеличивается в объеме, в результате чего происходит перемещение штока и открытие клапана.

Термостат, таким образом, позволяет автоматически поддерживать температуру двигателя не ниже заданной - при снижении температуры (а значит при значительном увеличении эффективности охлаждения) термостат закроет циркуляцию по “большому кругу”, чем вызовет повышение температуры жидкости в “малом круге” и т. д.

Ограничение температуры по верхнему пределу осуществляется с помощью вентиляторов, увеличивающих эффективность охлаждения жидкости в радиаторе за счет возрастания скорости обдува. Поскольку такое охлаждение требуется только на “горячем” двигателе, применяются различные вентиляторы, включаемые по команде датчика температуры. В прошлом распространение на легковых автомобилях получили системы привода вентилятора ремнем (от коленчатого вала) и включения его вязкостной или электромагнитной муфтой.

Подобные конструкции обладают повышенной сложностью и не всегда надежны, а также не компонуются с поперечным расположением двигателя. Помимо этого, при расположении вентилятора на валу насоса системы охлаждения (схема, широко распространенная на заднеприводных автомобилях) дополнительно нагружаются подшипники насоса.

Вследствие этих причин в настоящее время на подавляющем большинстве автомобилей применяются электровентиляторы. На последних моделях часто встречаются конструкции со ступенчатым или плавным регулированием скорости вращения вентилятора, а также установка двух вентиляторов, включаемых раздельно или одновременно в зависимости от температуры жидкости (электронное управление температурой охлаждающей жидкости).