Жидкостное охлаждение.

Жидкостная система охлаждения состоит из двух контуров: жидкостного, заполненного промежуточным теплоносителем и воздушного.

Жидкостный контур включает рубашку охлаждения, жидкостный насос, радиатор, термостат, соединительные шланги, элементы уплотнения и крепления.

Рубашка охлаждения выполнена в блоке и головке блока цилиндров и представляет собой каналы, полости, которые расположены максимально близко к охлаждаемым деталям. Рубашку охлаждения заполняет жидкостный промежуточный теплоноситель, который соприкасаясь с соответствующими поверхностями цилиндра и его головки, воспринимает с них теплоту. Нагретый теплоноситель направляется (рис. 1) в теплорассеивающий узел, основу которого составляет радиатор. Здесь полученная им от деталей двигателя теплота передаётся воздуху, проходящему по воздушному тракту системы.

Охлажденный теплоноситель вновь возвращается в рубашку охлаждения. Циркулируя таким образом жидкий теплоноситель обеспечивает непрерывный отвод требуемого количества теплоты от деталей двигателя, поддерживая их нормальное тепловое состояние Эффективность работы жидкостного контура определяется интенсивностью циркуляцш промежуточного теплоносителя. С увеличением скорости движения жидкости повышается интенсивность охлаждения деталей.

Рис. 1. Типы жидкостных систем охлаждения:

а - с подводом жидкости через нижний пояс цилиндра; б - с подводом жидкости через верхний пояс цилиндров; в - с подводом жидкости в головку цилиндров через водораспределительную трубу:

1- радиатор; 2 - пароотводная трубка; 3 - коробка термостатов; 4 - расширительный бачок; 5 - жидкостный насос; 6 - рубашка охлаждения двигателя; 7 - обходная трубка; 8 - одноклапанный термостат; 9 - вентилятор; 10 - нижний бачок радиатора; 11 - сердцевина; 12 - верхний бачок радиатора; 13 - двухклапанный термостат; 14 - водораспределительная труба.

По способу циркуляции имеют место системы охлаждения с подводом жидкости через нижний пояс цилиндров (рис. 1 а), через верхний пояс цилиндров (рис. 1 б) и с подводом жидкости в головку цилиндров через водораспределительную трубу (рис. 1 в).

В зависимости от факторов, вызывающих движение промежуточного теплоносителя, различают системы охлаждения с термосифонной циркуляцией и с принудительной циркуляцией.

В термосифонной системе теплота от слоя к слою передаётся естественным путём, что не обеспечивает должного отвода тепла. Поэтому в современных двигателях используется только принудительная циркуляция жидкости с применением ... насосов, приводимых в действие от коленчатого вала двигателя.

Охлаждающая жидкость может подводиться в рубашку охлаждения двигателя через нижний пояс цилиндров, верхний пояс цилиндров и головку цилиндров.

Подвод жидкости через нижний пояс (рис. 1 а) цилиндров характерен для дизелей, которые допускают повышение температуры головки, способствующее лучшему протеканию процесса воспламенения от сжатия.

В двигателях с принудительным воспламенением, склонных при наличии в камере сгорания перегретых зон к детонации, жидкость подводится через верхние пояса (рис. 1 ) или даже через головку (рис. 1 в). В последнем случае нагретые участки головки охлаждаются наиболее интенсивно принудительной циркуляцией теплоносителя, а теплоотвод от менее «горячей» гильзы цилиндра осуществляется за счет термосифонной циркуляции. Подобные схемы позволяют поддерживать оптимальные температуры различных деталей при минимальных тепловых потерях.

Для подвода жидкости в рубашку двигателя иногда применяют водораспределительные трубы 14, имеющие окна напротив каждого цилиндра. Благодаря этому достигается параллельный подвод жидкости одинаковой температуры ко всем цилиндрам и улучшается равномерность их охлаждения.

Водораспределительные трубы чаще всего устанавливаются в длинных двигателях с передним расположением насоса. В системах небольшой длины и с интенсивной циркуляцией жидкости, когда разность температур па входе в рубашку охлаждения и на выходе из нее незначительна, водораспределительные трубы обычно не применяются.

Для предохранения системы от чрезмерного повышения или понижения давления, которые наблюдаются при колебании температур теплоносителей, жидкостный контур обычно сообщается с атмосферой, т. е. выполняется неизолированным.

Неизолированные системы могут быть открытыми или закрытыми.

Открытые системы постоянно сообщаются с атмосферой через отверстие, расположение в верхней части жидкостного контура, а закрытые — периодически, только в случае, повышения или понижения давления в системе.

Закрытая система с атмосферой сообщается с помощью парового и воздушного клапанов расположенных в пробке, герметически закрывающей жидкостный контур (рис. 2).

Рис. 2 Пробка радиатора: а - работа при повышении давления в системе; б - работа при понижении давления в системе; 1 - паровой клапан; 2 - воздушный клапан. В последнее время начинают получать распространение изолированные системы, жидкостный контур которых заполняется специальной охлаждающей жидкостью при сбо{ силовой установки, герметизируется и не имеет никакого сообщения с атмосферой.

Для предупреждения парообразования, а вместе с этим падения производительности насоса и возникновения ... явлений на крыльчатке насоса необходимо, чтобы давление в любой точке системы всегда было выше атмосферного на 10... 15%.

Для повышения кавитационного запаса устанавливается расширительный бачок, в котором имеется воздушная подушка, компенсирующая изменение отъёма жидкости в основном контуре. В него отводится и в нём конденсируется пар из верхних точек рубашки охлаждения и радиатора.

С помощью компенсационной трубки бачок соединяется с входом насоса, благодаря чем гидравлическое сопротивление радиатора не вызывает опасного понижения давления на линии всасывания.

Жидкостный насос предназначен для обеспечения принудительной циркуляции охлаждённой жидкости в системе охлаждения. Он устанавливается на входе в рубашку охлаждения. В современных двигателях для обеспечения нормального температурного режима интенсивность циркуляции доводится до 4... 12 раз в минуту. Для этого создаваем! напор насосом должен составлять 5...15 м вод.ст. Наиболее полно этим требованиям соответствуют насосы центробежного типа.

Основными элементами центробежного насоса (рис 3) являются корпус 5 и подвижное рабочее колесо 6 с лопатками, которое называется крыльчаткой. В насосах автомобилей применяются в большинстве случаев полуоткрытые крыльчатки, имеющие от четырёх до шести лопаток. В корпусе выполняются отверстия для подвода жидкости к центру крыльчатки и улиткообразный отводящий клапан.

Насосы для V-образных двигателей чаще всего имеют два отводящих канала, из которых жидкость направляется одновременно в рубашки охлаждения обоих рядов цилиндров.

Рис.3 Жидкостный насос двигателя: 1 - крыльчатка вентилятора; 2 - шкив вентилятора; 3 - шкив жидкостного насоса; 4 - корпус подшипников; 5 - корпус насоса; 6 - крыльчатка насоса; 7 - резиновая манжета; 8 - шайба; 9 - контроль]

Принцип действия центробежного насоса состоит в том, что масса жидкости, попадая в межлопаточное пространство вращающейся крыльчатки, получает закрутку и под влияние? появившейся центробежной силы устремляется к периферии. По мере перемещения вдоль лопаток от центра окружная скорость жидкости возрастает и на выходе из колеса ее кинетическая энергия достигает максимума.

В улитке за счет увеличения проходного сечения тракта кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную, в связи, с чем повышается статический напор жидкости.

Полный напор, создаваемый насосом, зависит от окружной скорости крыльчатки и форм рабочих лопаток. Наилучшими для систем охлаждения являются насосы, имеющие радиальные или загнутые против вращений лопатки, которые создают достаточный статический напор при умеренной производительности.

Крыльчатки насосов выполняются из чугуна или алюминиевых сплавов. В последнее время для изготовления крыльчаток начали широко применятся синтетические материалы стекловолокнит, текстолит и т.п. Корпуса насосов отливают из чугуна или алюминиевых сплавов.

Крыльчатка насоса вместе с осью вращается в шарикоподшипниках, установленных в корпусе (рис. 3).

Для предотвращения утечки жидкости из внутренней полости водяного насоса применяются самоподжимаемые уплотнения.

Уплотняющий узел включает текстолитовую или стеклотекстолитовую шайбу 8, которая устанавливается в расточенном гнезде крыльчатки 6 и прижимается к полированному тори корпуса 4 подшипников пружиной. Для исключения просачивания жидкости между осью i шайбой устанавливаются дополнительно резиновые манжеты 7 различных типов. Чтобы иметь возможность контролировать состояние уплотнения и избежать попадания просочившейся через него жидкости в подшипниковый узел, в нижней части корпуса выполняется отверстие 9.

Жидкостные насосы обычно устанавливаются в передней части двигателя и приводятся вращение от коленчатого вала с помощью клиноременной передачи. Существуют конструкции, в которых вал насоса вращается за счет шестеренчатой передачи.

Радиатор транспортных силовых установок представляет собой теплообменный аппарат рекуперативного типа с перекрёстным током теплоносителей и предназначен для отвода теплоты от охлаждающей жидкости окружающему воздуху.

Радиаторы систем охлаждения современных мощных двигателей должны иметь высокую] теплорассеивающую способность при минимальных габаритах, чтобы поддерживалось нормальное тепловое состояние в условиях ограниченного объёма, для размещения двигателя.

Кроме того радиаторы должны обладать минимальным весом, требовать для своего изготовления незначительного количества дефицитных материалов, быть надёжными и долговечными, иметь малое аэродинамическое сопротивление.

Радиаторы силовых установок транспортного типа (рис.1) как правило, состоят из верхнего 12 и нижнего 10 бачков и теплорассеивающей сердцевины 11.

Жидкий теплоноситель циркулирует во внутренних полостях сердцевины, представляющей собой набор трубок различной формы. Наружная поверхность сердцевин обдувается воздухом, который воспринимает и рассеивает теплоту, отданную охлаждёнными деталями двигателя жидкому теплоносителю.

В современных радиаторах применяются в основном три конструктивных типа сердцевины: ленточный, трубчато-пластинчатый и трубчато-ленточный (рис. 4).

Ленточная сердцевина (рис.4а) образуется пропаянными с торца изогнутыми лентами, между которыми имеются каналы для прохода воды. Ленточные сердцевины имеют небольшой коэффициент оребрения и не отличаются высокой компактностью. Для увеличения поверхности охлаждения в таких сердцевинах между основными лентами, образующими жидкостные каналы, устанавливают зигзагообразные вставки.

Рис 4.Типы сердцевины и сечения воздушных каналов радиатора:

а - ленточного; б - трубчато-пластинчатого; в трубчато-ленточного.

Трубчато-пластинчатая сердцевина (рис. 4б) состоит из набора трубок, на которые надеты тонкие пластины. В отверстиях для прохода трубок пластины имеют отбортовку, плотно облегающую трубки при сборке. Благодаря такой конструкции пластины могут не припаиваться к трубкам. Однако для улучшения теплорассеивающей способности сердцевины некоторых трубчато-пластинчатых радиаторов после сборки погружаются в ванну с расплавленным припоем, за счёт чего улучшается контакт между трубками и пластинами и уменьшается термическое сопротивление теплоотдаче.

В трубчато-ленточных сердцевинах (рис. 4в) оребрение осуществляется зигзагообразной лентой, имеющей специальные выштамповки, искривляющие воздушный канал и повышающие турбулентность воздуха. Ленты припаиваются к луженым боковым поверхностям трубок методом спекания. Трубчато-ленточные сердцевины, имеющие хорошие тепловые характеристики, наибольшую комплектность и удобные в производстве, получают в настоящее время наибольшее распространение.

Для сердцевин применяются плоскоовальные шовные трубки из латуни, меди, алюминиевых сплавов. Трубки современных радиаторов располагаются в два ряда (легковые автомобили) или от трёх до шести рядов (грузовые автомобили)

Системы охлаждения рассчитываются на максимальную теплоотдачу при полной нагрузке и наибольшей окружающей среды. Между тем преобладающими решениями работ двигателя являются частичные нагрузки числа оборотов при средних или даже пониженных температурах атмосферного воздуха. Чтобы в этих условиях не происходило переохлаждения двигателя, необходимо применять автоматическое или ручное регулирование температурного режима системы охлаждения. Такое регулирование может быть выполнено за счет:

- изменения расхода жидкости в теплорассеивающем узле;

-
изменения расхода воздуха через теплорассеивающий узел или оребренную часть двигателя воздушного охлаждения;

- совместного изменения расхода жидкости и воздуха.

Циркуляция жидкости обычно изменяется с помощью термостатов (Рис.5), представляющих собой клапаны или дросселирующие заслонки, управляемые термочувствительным элементом.

Рис.5. Термостаты: а - с жидким наполнителем, б - с твёрдым наполнителем: 1 - сильфон; 2 - основной клапан; 3 - перепускной клапан; 4 - баллон с церезином; 5 - резиновый буфер; 6 - шток; 7 - поворотный клапан

Термостаты могут быть одно- и двухклапанные и, как правило, устанавливаются на выходе из рубашки охлаждения двигателя.

Одноклапанные термостаты регулируют общую циркуляцию жидкости в системе охлаждения и в закрытом положении почти полностью прекращают ее движение. В этом случае жидкость не поступает в радиатор и отданная деталями двигателя теплота не рассеивается. Температура промежуточного теплоносителя, а вместе с ней и тепловой режим двигателя повышаются. Если температура охлаждающей жидкости превышает нормальную, клапан термостата открывается и, увеличивая циркуляцию теплоносителя через радиатор, усиливает охлаждение.

Следует, однако, отметить, что ограничение выхода жидкости из головки вызывает появление застойных зон, образование паровых мешков и местный перегрев отдельных участков. Поэтому для двигателей предпочтительными являются двухклапанные термостаты, которые, мало изменяя интенсивность циркуляции жидкости через рубашку охлаждения двигателя, регулируют теплорассеивание за счет перераспределения потоков через радиатор и обходную трубку 7 (рис. 1).

Конструкция двухклапанного термостата с жидким наполнителем показана на рис. 5 а. Термочуствительный элемент термостата представляет собой упругий гофрированный баллон - сильфон 1, заполненный легкокипящей жидкостью. В качестве таких жидкостей используется этиловый эфир или смесь из 2/3 этилового спирта и 1/3 воды.

Сильфон 1 связан с клапанами 2 и 3 термостата так, что в холодном состоянии, когда размеры сильфона минимальны, основной клапан 2 закрыт и охлаждающая жидкость в радиатор не проходит. В то же время перепускной клапан 3, находясь в нижнем положении, открывает окна в корпусе и направляет жидкость в обходной контур, минуя радиатор.

При нагревании термочувствительного элемента да 70-75 С его жидкость начинает кипеть. Вследствие повышения давления паров сильфон расширяется и, открывая основной клапан 2, пропускает охлаждающий теплоноситель в радиаторный контур. Перепускной клапан 3 при этом закрывается. Полностью клапан 2 открывается при 83...90 С.

Недостатком этого термостата является зависимость поддерживаемой температуры от давления в системе охлаждения, недостаточная прочность, высокое гидравлическое сопротивление в случае открытого клапана.

Поэтому стали применять термостаты с твёрдым наполнителем (рис. 5 б), в качестве которого используется кристаллический воск - церезин, имеющий значительный коэффициент объёмного расширения при плавлении.

При нагревании до 70 °С церезин плавится и, увеличиваясь в объёме, выталкивает из корпуса шток 6, расположенный эксцентрично относительно оси поворота клапана 7, открывает его и обеспечивает проход охлаждающей жидкости в радиатор. Они нечувствительны к давлению в системе, надёжны и имеют незначительное гидравлическое сопротивление в открытом состоянии.

Необходимо иметь в виду тот факт, что, если при низких температурах воздуха система охлаждения заправлена водой, то может произойти замерзание воды в нижнем бачке или в трубках сердцевины.

Воздушный контур включает вентилятор и жалюзи.

В настоящее время применяется вентиляторы с изменяющейся и неизменяющейся производительностью.

Вентиляторы с изменяющейся производительностью по принципу регулирования делятся на:

-пропорционального регулирования;

- периодически включающейся.

В свою очередь вентиляторы пропорционального регулирования могут быть с изменяющимся числом оборотов и углом наклона лопастей вентилятора.

Для регулирования числа оборотов вентилятора могут использоваться механические, электрические и гидравлические муфты.

В механических муфтах относительное изменение числа оборотов ведущих и ведомых частей достигается с помощью вариатора, в гидравлических - степенью их наполнения, управляемых - термостатическим элементом.

Для пропорционального регулирования числа оборотов могут применяться электрические индукционные муфты, работающие по принципу асинхронного электродвигателя.

Управление скольжением этих муфт осуществляется за счёт изменения тока возбуждения индуктора.

Недостатком этих муфт является невозможность полной блокировки ведомых и ведущих элементов и наличие потерь при скольжении.

В вентиляторах с изменения угла установки лопастей их управление осуществляется термостатами с твёрдым наполнителем.

Следует заметить, что системы пропорционального управления обладают сложностью и повышенной стоимостью.

Достаточно распространёнными являются системы, работающие по принципу изменения периодичности включения вентилятора. В этом случае в проводе вентилятора используются различные муфты, которые включают вентилятор при повышении теплового режима двигателя и полностью отключает его при переохлаждении.

В качестве муфт периодического включения чаще всего используются фрикционные муфты с механическим или электромагнитным управлением, а также электромагнитные муфты с порошковым наполнителем.

Преимуществами фрикционных муфт с механическим управлением являются возможность передачи значительного крутящего момента при малых габаритах и относительная простота конструкции.

Поэтому, несмотря на трудность осуществления автоматического управления, требующего значительных перестановочных усилий, такие муфты получают распространение в приводах мощных вентиляторов.

Фрикционные муфты с электромагнитным управлением характеризуются меньшим передаваемым моментом, но легко управляются контактными термочувствительными элементами, включенными в цепь питания электромагнита.

Управление вентиляторами в современных двигателях осуществляется через компьютер.

Привод обычных вентиляторов, а также вентиляторов с изменяющимся углом установки вентилятора осуществляется чаще всего через клиноременную передачу.

Для изменения аэродинамического сопротивления воздушного тракта на большинстве автомобилей перед радиатором устанавливаются поворотные заслонки - жалюзи. В некоторых случаях управление жалюзи автоматизировано за счёт применения термочувствительных датчиков и гидравлических или пневматических?! Исполнительных устройств.