Жидкостное охлаждение по сравнению с воздушным имеет следующие основные преимущества: меньшая тепловая напряженность двигателя и поэтому более высокий коэффициент наполнения; более высокая степень сжатия (бензиновые двигатели); повышенные мощностные и экономические показатели; более равномерное охлаждение двигателя; относительно небольшие затраты мощности на привод насоса и вентилятора.
Жидкостная система инерционна, ДВС нагревается медленнее, но и медленнее остывает, чем при воздушном охлаждении. Двигатели при работе имеют меньшую шумность, но утечка жидкости приводит к быстрому перегреву и может быть причиной аварии две.
К основным недостаткам жидкостного охлаждения относятся сложность кфонструкции и обслуживания, особенно в зимнее время; потребность в жидком теплоносителе; недостаточная надежность в работе.
В системах охлаждения отвод теплоты осуществляется в процессе циркуляции жидкости вокруг нагревающихся деталей двигателя с последующим охлаждением нагретой жидкости в специальных устройствах —радиаторах.
В автотракторных ДВС, как правило, используется принудительное жидкостное охлаждение, в процессе которого циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется при помощи центробежного насоса. Из-за более интенсивной циркуляции жидкости отвод теплоты от деталей ускоряется. Системы жидкостного
охлаждения могут быть открытыми и закрытыми.
Открытые системы сообщаются с окружающей средой при помощи пароотводной трубки. Такие системы в настоящее время встречаются лишь в двигателях устаревших конструкций.
Закрытые системы охлаждения отделены от окружающей среды установленным в крышке радиатора паровоздушным клапаном, их применяют в настоящее время в большинстве автотракторных ДВС.
Давление и соответственно допустимая температура кипения охлаждающей жидкости (100 и кратковременно 105 °С) в этих системах выше, чем в открытых (90…95°С), и, как результат, больше разность между температурами жидкости и проходящего через радиатор воздуха, а следовательно, больше и теплоотдача радиатора. Это позволяет уменьшить размеры радиатора, а также затраты
мощности на привод вентилятора и водяного насоса. Кроме того, уменьшается вероятность закипания охлаждающей жидкости при работе двигателя в условиях пониженного атмосферного давления. В закрытых системах существенно снижается испарение жидкости.
Закрытая система жидкостного охлаждения двигателя ЯМЗ-238 (рис. 2.64) состоит из следующих основных узлов: шторок 7 радиатора, самого радиатора 5, соединенного при помощи подводящего 3 и отводящего 10 трубопроводов с жидкостной рубашкой, жидкостного насоса 12, вентилятора 15, термостата, собирающего трубопровода 17, распределительной трубы, приборов контроля температуры. Жидкостная рубашка образуется двойными стенками блока и головки цилиндров, заполнена жидкостью. В качестве охлаждающей жидкости может использоваться чистая вода или специальная незамерзающая при низкой температуре жидкость — антифриз. Двигатели охлаждают отводом теплоты в атмосферу.
Рис. 2.64. Система жидкостного охлаждения двигателя ЯМЗ-238:
1 — перепускная трубка; 2 — коробка термостата; 3,10 — подводящий и отводящий трубопроводы; 4 — крышка радиатора; 5 — радиатор; 6 — трос привода шторки радиатора; 7 — шторка радиатора; 8 — масляные радиаторы; 9 — кожух вентилятора; 11 — сливной кран; 12— жидкостный насос; 13 — масленка; 14 — тяга крепления радиатора; 15 — вентилятор; 16 — пароотводная трубка; 17 — собирающий трубопровод; 18 — привод шторки ; →— направление движения охлаждающей жидкости
После пуска двигателя жидкость насосом 12 подается по распределительной трубе к охлажденным деталям двигателя (цилиндрам, камерам сгорания и др.). Нагретая жидкость поднимается к термостату, от положения клапана которого зависит дальнейшее направление движения нагретой жидкости. При закрытом клапане термостата жидкость не попадает в радиатор 5 и циркулирует по рубашке охлаждения ( малый контур). Такой круг циркуляции (помимо радиатора) жидкость совершает при проворачивании коленчатого вала основного двигателя пусковым двигателем или стартером, а также когда двигатель работает при температуре охлаждающей жидкости ниже 70 °С. Это обеспечивает быстрый прогрев двигателя за счет теплоты от сгорания топлива. При частично открытом клапане термостата часть жидкости проходит через радиатор. При установившемся тепловом режиме, когда температура охлаждающей жидкости превысит 83 °С, основной клапан полностью открывается, а перепускной соответственно закрывается и вся жидкость насосом прогоняется через радиатор ( большой контур) . Охладившись в радиаторе, жидкость засасывается жидкостным насосом и нагнетается в рубашку блока цилиндров.
В радиаторе интенсивность отвода теплоты потоком воздуха от охлаждающей жидкости регулируется закрыванием или открыванием установленной перед радиатором шторки 7 или пластинчатых жалюзи. Управление этими органами выведено в кабину.
Для поддержания в системе охлаждения определенного давления (в пределах 0,085…0,150 МПа) ее сообщают с атмосферой при помощи пароотводной трубки 16, а в крышке 4 радиатора устанавливают паровоздушный клапан.
Контроль работы системы осуществляется при помощи установленных на головке блока датчика и термометра на щитке приборов.
Удаление охлаждающей жидкости из системы охлаждения осуществляется двумя сливными кранами 11, один из которых установлен на блоке цилиндров, а другой — на нижнем бачке радиатора.
Пусковой и основной двигатели тракторов имеют общую систему охлаждения. При пуске пускового двигателя в системе охлаждения происходит термосифонная (за счет нагрева жидкости) циркуляция охлаждающей жидкости. Однако из-за медленной термосифонной циркуляции охлаждающей жидкости пусковой двигатель быстро перегревается, поэтому не рекомендуется его работа более 3 мин без проворачивания пускаемого дизеля.
Радиатор 5 служит для интенсивного охлаждения циркулирующей в системе охлаждения жидкости путем передачи части ее теплоты потоку воздуха. Радиатор состоит из верхнего и нижнего бачков, соединенных при помощи трубок—сердцевины.
Верхний бачок имеет наливную горловину, закрываемую крышкой с паровоздушным клапаном. Через этот клапан, а также пароотводную трубку 16, впаянную в горловину, полость верхнего бачка сообщается с атмосферой. Верхний и нижний бачки при помощи трубопроводов 3, 10 и резиновых патрубков соединены с жидкостной рубашкой двигателя.
Сердцевину радиатора выполняют трубчато-пластинчатой, трубчато-ленточной или сотовой. Для лучшего охлаждения жидкости плоские трубки располагают в шахматном порядке. Радиатор крепят снизу к раме трактора, а сверху — к двигателю. Со стороны двигателя на радиаторе крепят кожух 9 вентилятора 15, чтобы предохранить его от повреждений и сформировать создаваемый им воздушный поток. Спереди перед радиатором закреплен масляный радиатор 8 и шторки 7 радиатора (жалюзи). Для предохранения радиаторов от повреждений и засорения спереди устанавливают облицовку с предохранительной сеткой.
Паровоздушный клапан выполняется как одно целое с крышкой горловины радиатора. При работе двигателя в полости верхнего бачка радиатора под крышкой 1 (рис. 2.65) создается повышенное давление за счет выделяющихся из жидкости паров и воздуха. Если это давление своевременно не снизить, то трубки сердцевины радиатора могут быть разрушены внутренним давлением. При повышении давления до уровня 0,125…0 ,15 МПа открывается паровой клапан 6. Напротив, при остывании дизеля после его остановки в указанной полости верхнего бачка из-за конденсации паров образуется разрежение, которое может сплющить, тонкостенные трубки сердцевины радиатора. При снижении давления до уровня 0,085…0 ,09 МПа открывается воздушный клапан 9, он преодолевает сопротивление пластинчатой пружины 10 и впускает воздух в систему охлаждения, устраняя разрежение внутри нее.
Рис. 2.65. Крышка горловины радиатора с паровоздушным клапаном:
1 — крышка; 2 — стержень; 3 — пружина парового клапана; 4 — пружина крышки; 5 — наливная горловина; 6 — паровой клапан; 7 — прокладка парового клапана; 8 — прокладка воздушного клапана; 9 — воздушный клапан; 10 —
пластинчатая пружина воздушного клапана; 11 — отверстие для подсоединения пароотводящей трубки
Насос системы охлаждения центробежного типа в дизеле А-01 МЛ через корпус 11 (рис. 2.66, а) закреплен на передней стенке блок-картера так, что нагнетательная полость насоса совмещена с началом распределительной трубы жидкостной рубашки охлаждения дизеля. В корпусе на шариковых подшипниках качения 8,12 вращается валик 10, на заднем конце которого закреплена крыльчатка 16, а на переднем — ступица шкивов 4 вентилятора 25, который закреплен болтами 27 на переднем торце ступицы. Вращение одному из шкивов передается от шкива коленчатого вала через клиноременную передачу.
Охлаждающая жидкость подводится внутрь корпуса по патрубку 28 (рис. 2.66, б) к центру вращающейся крыльчатки. Далее жидкость захватывается крыльчаткой и под действием центробежной силы отбрасывается к стенке корпуса, откуда она вытесняется в водяную рубашку дизеля по отводящему патрубку 29, расположенному по касательной к камере насоса.
Для уменьшения утечки охлаждающей жидкости из полости насоса в зазоре между корпусом и валиком размещают специальное уплотнение торцового типа.
Вентилятор 25 (см. рис. 2.66, а), расположенный между радиатором и двигателем, создает воздушный поток, обдувающий сердцевину радиатора. Вентилятор имеет четыре или шесть лопастей, которые для уменьшения шума и вибрации располагают под разными углами. На некоторых двигателях для автоматического регулирования теплового режима изменением частоты вращения вентилятора в его приводе устанавливают гидромуфту.
Рис. 2.66. Насос системы охлаждения центробежного типа дизеля А-01 МЛ:
а — устройство; б — схема работы; 1 — шплинт; 2 — корончатая гайка; 3 — шпонка; 4 — шкив вентилятора; 5 — втулка; 6,14 — сальники; 7, 23 — стопорные кольца; 8,12— шариковые подшипники; 9 — дистанционное кольцо; 10 — валик; 11 — корпус; 13 — масленка; 15 — опорная втулка; 16 — крыльчатка; 17 — шайба; 18 — пружинная шайба; 19,27 — болты; 20— манжета; 21 — пружина; 22 — уплотнительная шайба; 24 — дренажное отверстие; 25 — вентилятор; 26 — стопорная пластина; 28, 29 — подводящий и отводящий патрубки; ← — направление движения охлаждающей жидкости
Термостат поддерживает автоматически тепловой режим двигателя в оптимальных пределах и предотвращает изнашивание цилиндров. Термостат устанавливают в трубопроводе входа горячей жидкости в верхний бачок радиатора, и он регулирует циркуляцию охлаждающей жидкости в радиаторе, открывая или перекрывая в него доступ горячей жидкости.
При регулировании температуры охлаждающей жидкости изменяют сечение для прохода жидкости, поступающей из рубашки охлаждения в радиатор. Термостаты бывают с жидким наполнителем (сильфонные) и с твердым (так называемые термоклапаны). Сильфонный термостат выполнен в виде гофрированного баллона из латуни, наполненного легкоиспаряющейся жидкостью. В качестве наполнителя баллона термоклапанов используется специальная порошковая смесь.
На баллоне сильфонного термостата закреплены два клапана: основной 8 (рис. 2.67) и перепускной 5. У недостаточно прогретого двигателя и холодной охлаждающей жидкости основной клапан 8 закрыт, и жидкость в радиатор не поступает. При этом перепускной клапан 5 открыт, т.е. он не препятствует проходу жидкости через окна 6 к насосу через перепускной канал 4. Жидкость, нагревающаяся в жидкостной рубашке, циркулирует по малому кругу и в радиатор не поступает, в результате чего происходят интенсивный нагрев охлаждающей жидкости и прогрев дизеля.
Рис. 2.67. Сильфонный термостат:
1 — гофрированный баллон; 2, 7 — прокладки; 3 — корпус термостата; 4 — перепускной канал; 5 — перепускной клапан; 6 — окно; 8 — основной клапан; 9 — канал к радиатору; 10— отверстие для выпуска воздуха; 11 — кронштейн; 12 — направляющая штока; 13 — шгок; 14 — патрубок
При температуре охлаждающей жидкости 75…80°С наполнитель в баллоне расширится настолько, что начнет открываться основной клапан 8, одновременно прикрывается перепускной клапан 5. При этом одна часть жидкости, которая подается насосом, будет по-прежнему циркулировать по малому кругу, а другая ее часть будет циркулировать по большому кругу, охлаждаясь в радиаторе. Когда температура жидкости достигнет 85 °С, основной клапан 8 откроется полностью, а перепускной клапан 5 перекроет окна 6. Путь горячей жидкости по обводному трубопроводу к насосу будет закрыт, и весь поток охлаждающей жидкости будет направляться через канал 9 в радиатор. В этом режиме система охлаждения обеспечивает максимальный отвод теплоты.
Таким образом, термостат автоматически в зависимости от температуры дизеля перекрывает частично или полностью поступление горячей жидкости в радиатор, обеспечивая тем самым оптимальный тепловой режим двигателя. Однако термостат ухудшает заправку жидкостью системы охлаждения, способствуя присутствию в ней воздуха.
Оптимизация интенсивности охлаждения на разных режимах работы двигателя может быть достигнута при регулировании циркуляции жидкости в системе (с помощью термостата) и интенсивности воздушного потока, проходящего через радиатор (с использованием шторок на радиаторе или изменением частоты вращения вентилятора). Преимущественное распространение получил первый метод. Однако при низких температурах зимой жидкость из радиатора может поступать очень холодной, и термостат будет задерживать циркуляцию через радиатор, что может привести к снижению температуры двигателя. Поэтому в зимних условиях рекомендуется использовать шторки на радиаторе.
Вода как охлаждающая жидкость в настоящее время имеет ограниченное применение. Сравнительно высокая температура замерзания воды (0°С) затрудняет эксплуатацию двигателей в условиях низких температур окружающего воздуха. Увеличение объема воды при ее замерзании (примерно на 10%) может привести к разрушению двигателя («его размораживанию») и радиатора.
Широкое распространение на современных двигателях получили низкозамерзающие охлаждающие жидкости на основе водных растворов этиленгликоля — двухатомного спирта СН2ОН с температурой кипения 197,8 °С. В отличие от воды, антифризы при замерзании не расширяются и не образуют твердой сплошной массы.
Системы охлаждения современных двигателей герметичны, и жидкость в них находится под небольшим избыточным давлением, обычно около 0,05 МПа, которое поддерживается клапаном в пробке радиатора. В новых моделях автомобилей избыточное давление в системе охлаждения еще выше (0,12 МПа) и поддерживается клапаном в расширительном бачке. При избыточном давлении 0,05 МПа вода кипит при 112°С, а при избыточном давлении 0,12 МПа — при 124°С.
Наибольшее распространение для охлаждения автомобильных ДВС получили жидкости с низкой температурой замерзания — антифризы или тосолы. Антифризы выпускают двух марок М40 и М65 (температура замерзания -40 и -65 °С соответственно). Тосолы А40 и А65 по существу те же антифризы М40 и М65, имеющие добавки, прежде всего защищающие детали от коррозии. Тосолы можно использовать в двигателе в течение 2 — 3 лет, после чего их необходимо заменить, так как содержащиеся в них присадки теряют свою стабильность.