Рис. 3.2.11. Система жидкостного охлаждения двигателя: 1 - вентилятор, 2 – водяной насос, 3 - компрессор, 4 – перепускной шланг, 5 – термостат, 6 – кран отопителя, 7,8 - подводящий и отводящий трубопроводы, 9 - радиатор отопителя, 10 - датчик указателя температуры охлаждающей жидкости, 11,12 - сливные краны, 13 - радиатор, 14 - жалюзи
В поршневых двигателях внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением нормальный топливный режим обеспечивается при помощи охлаждающей жидкости, отводящей тепло от стенок и головки цилиндров и отдающей тепло воздуху, который прогоняется вентилятором через жидкостный радиатор.
Охлаждающая жидкость должна иметь высокие теплоемкость и теплопроводность, чтобы эффективно отводить тепло; она не должна замерзать или кипеть при всех рабочих температурах двигателя; не воспламеняться, не вспениваться, не вызывать коррозии металлов и сплавов; не разъедать резиновых шлангов и соединений системы охлаждения. Такой жидкости, которая бы полностью отвечала всем перечисленным требованиям, пока создать не удалось.
Наиболее распространенная охлаждающая жидкость – это обычная вода. Она широко доступна, пожаробезопасна, безвредна для человека и имеет высокую удельную теплоемкость – 4,19 кДж/(кг К), превосходящую все другие охлаждающие жидкости.
К недостаткам воды как охлаждающей жидкости относятся:
– высокая температура замерзания (замерзает со значительным увеличением объема, вызывающим разрушение системы охлаждения);
– способность образовывать в системе охлаждения накипь и шлам – илистые отложения минерального или органического происхождения, скапливающиеся в застойных полостях рубашки охлаждения двигателя и в нижнем бачке радиатора.
Образование накипи в системе охлаждения связано с выпадением из водного раствора солей кальция и магния, которые вместе с частичками примесей и продуктов коррозии сцепляются с поверхностями нагретого металла. Это приводит к сужению трубопроводов, ухудшению теплоотвода и, в конечном счете – к увеличению расхода топлива.
Соли кальция и магния, растворенные в воде, придают ей так называемую жесткость, за единицу которой принимают миллиграмм-эквивалент солей на 1 литр воды. Различают жесткость временную, постоянную и общую.
Временная жесткость может быть устранена кипячением воды, при котором бикарбонаты кальция Са(НС03)2 и магния Mg(HC03)2 удаляются из воды.
Постоянная жесткость обусловлена находящимися в воде более стойкими солями CaS04, СаС12, MgS04, MgCl2, CaSi03, MgSi03 и др. Они при кипячении не разлагаются и не выпадают в осадок.
Жесткую воду перед использованием в системах охлаждения рекомендуется смягчать кипячением или смешивать со специальными добавками – антинакипинами. Если в воду добавить соды и гашеной извести, кальций и магний выпадут в осадок, а вода станет мягче.
Однако так или иначе, а при температуре наружного воздуха чуть ниже нуля вода все равно замерзает. Поэтому при наступлении холодов необходимо заливать в системы охлаждения двигателей специальные низкозамерзающие жидкости – антифризы. Это смеси воды со спиртом или с глицерином, с добавками углеводородов и ряда других веществ. Наибольшее распространение в качестве охлаждающих жидкостей получили водные растворы этиленгликоля.
Этиленгликоль – двухатомный спирт СН2ОН – СН2ОН – представляет собой прозрачную бесцветную вязкую жидкость без запаха слегка желтоватого цвета. Кипит этиленгликоль при температуре 197 °C, а застывает при -11,5 °C. Поскольку смеси этиленгликоля с водой кристаллизуются при более низких температурах, то изменением их соотношения можно получить смеси с температурой застывания от 0 до -70 °C.
Вода и этиленгликоль имеют разную плотность, поэтому по измеренной плотности с учетом аддитивного характера изменения плотности антифриза можно прогнозировать его температуру застывания.
Водные растворы этиленгликоля при испарении теряют лишь воду; при нагревании до рабочей температуры их объем увеличивается на 6–8 %. При застывании этиленгликолевых антифризов объем кашицеобразной массы увеличивается очень незначительно и размораживания двигателя или системы охлаждения не происходит.
Этиленгликоль оказывает коррозионное действие на металлы, поэтому в состав антифризов вводят специальные антикоррозионные присадки.
В охлаждающую жидкость не должны попадать топлива и масла, поскольку в этом случае происходит интенсивное вспенивание и выброс охлаждающей жидкости из системы. Для предотвращения вспенивания в антифризы часто добавляют антипенные присадки.
Отечественная промышленность выпускает несколько марок этиленгликолевых антифризов, из которых наиболее известны тосол А, тосол А-40 и тосол А-65. В тех случаях, когда в антифризы, кроме обычных присадок, введен молибденовокислый натрий, что улучшает их антикоррозионные свойства в отношении цинковых и хромовых покрытий, в обозначении антифриза присутствует буква М, например 40М, 60М.
Тосол А представляет собой концентрированный этиленгликоль с присадками. Его разводят дистиллированной водой. Если соотношение смеси 1:1, то температура начала ее кристаллизации -35 °C.
Водный раствор тосола А с температурой застывания не выше -40 °C маркируют как тосол А-40, тосол с температурой застывания – 65 °C маркируют как тосол А-65.
Тосол А имеет плотность 1120–1140 кг/м3, тосол А-40 – 1075–1085 кг/м3, а тосол А-65 – 1085–1095 кг/м3.
Кроме отечественных антифризов на рынке имеется довольно значительное количество импортных веществ аналогичного назначения. Особый интерес представляют этилен-гликолевые концентраты, содержащие эффективные присадки, которые позволяют в случае отсутствия дистиллированной воды использовать чистую водопроводную (которую, правда, перед использованием желательно прокипятить). Канистра антифриза-концентрата займет немного места в багажнике, однако всегда пригодится – и зимой, и летом. Характерной особенностью импортных концентрированных антифризов является их полная безвредность для резиновых уплотнений, а также различных деталей из эластомеров. Концентраты обеспечивают вам приготовление антифризов, температуру застывания которых можно задавать в процессе разбавления в зависимости от суровости зимы.
Водяной насос служит для создания циркуляции воды в системе охлаждения. Располагается насос обычно в передней части блока цилиндров и имеет привод клиновидным ремнем от коленчатого вала двигателя.
Вентилятор предназначен для усиления потока воздуха, проходящего через радиатор. Вентилятор имеет обычно четы-ре-шесть лопастей. Для снижения шума лопасти располагают Х-образно, попарно под углом 70 и 110°. Изготовляют лопасти из листовой стали или пластмассы.
Лопасти имеют отогнутые концы, что улучшает вентиляцию подкапотного пространства и повышает производительность вентиляторов. Иногда вентилятор располагают в кожухе, который способствует повышению скорости воздуха, просасываемого через радиатор.
Для уменьшения мощности, необходимой для привода вентилятора, и улучшения работы системы охлаждения применяют вентиляторы с электромагнитной муфтой. Эта муфта автоматически отключает вентилятор, когда температура воды в верхнем бачке радиатора ниже 350–358 К (78–85 °C).
В привод вентилятора двигателя может быть включена гидромуфта, обеспечивающая плавную передачу вращения от коленчатого вала к вентилятору.
Гидромуфта включается автоматически: по мере увеличения температуры жидкости в системе охлаждения активная масса, находящаяся в баллоне включателя, плавится и объем ее увеличивается, а это вызывает перемещение золотника, открывающего доступ масла из системы смазки в гидромуфту. Частота вращения вентилятора зависит от количества масла, поступающего в гидромуфту. При прекращении подачи масла вентилятор отключается.
Термостат автоматически поддерживает устойчивый тепловой режим двигателя. Как правило, термостат устанавливают на выходе охлаждающей жидкости из рубашек охлаждения головок цилиндров или впускного трубопровода двигателя.
Термостаты могут быть жидкостные и с твердым наполнителем.
В жидкостном термостате имеется гофрированный баллон, заполненный легко испаряющейся жидкостью. Нижний конец баллона закреплен в корпусе термостата, а к штоку верхнего конца припаян клапан.
При температуре охлаждающей жидкости ниже 351 К (78 °C) клапан термостата закрыт и вся жидкость через перепускной шланг (байпас) направляется обратно в водяной насос, минуя радиатор. Вследствие этого ускоряется прогрев двигателя и впускного трубопровода.
Когда температура превысит 351 К (78 °C), давление в баллоне увеличивается, он удлиняется и приподнимает клапан. Горячая жидкость направляется в верхний бачок радиатора. Клапан полностью открывается при температуре 364 К (91 °C).
Термостат (рис. 3.2.12) с твердым наполнителем имеет баллон 7, заполненный церезином (нефтяным воском) 8 и закрытый резиновой диафрагмой 9. При температуре 343 К (70 °C) церезин плавится и, расширяясь, перемещает вверх диафрагму 9, буфер 12 и шток 5. При этом открывается клапан 4 и охлаждающая жидкость начинает циркулировать через радиатор.
При снижении температуры церезин затвердевает и уменьшается в объеме. Под действием возвратной пружины 11 клапан 4 закрывается, а диафрагма 9 опускается вниз.