Стало теплее, теплым оказывается и дым, выходящий из трубы. Таким образом, не все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, а только его определенная часть пошла на приготовление обеда.
Точно так же не все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, идет на превращение в механическую работу двигателя. Одна часть его уходит в атмосферу вместе с отработавшими газами, другая — нагревает детали двигателя, а часть, даже не преобразуясь в механическую работу, делает полезное дело. Однако основное количество неиспользованного тепла (если не снизить его температуру) может оказать вредное воздействие на двигатель.
Сначала несколько слов о том тепле, которое, не превращаясь в механическую работу, приносит пользу. Оно используется для поддержания нормального теплового режима двигателя. При переохлаждении двигателя (а это означает снижение температуры двигателя ниже рабочей: 80— 100°C) ухудшается смесеобразование, а конденсирующиеся пары бензина смывают со стенок цилиндров смазку, в результате чего увеличивается износ деталей; возрастают потери мощности на трение из-за повышенного сопротивления охлажденного масла.
Теперь поговорим о вредном действии тепла. Представьте себе: коленчатый вал быстроходного современного автомобильного двигателя делает 5800 мин-1. Это означает, что за одну секунду в цилиндрах происходит почти 200 рабочих ходов или 50 в одном цилиндре. Температура сгорания достигает 2500°C. Видимо, не следует надеяться на естественное охлаждение стенок цилиндров между соседними рабочими ходами. Напротив, с каждым рабочим ходом температура стенок возрастает и может достигнуть такой величины, когда горючая смесь начнет самовоспламеняться, масло на стенках гореть. В результате деталь двигателя оказывается в неблагоприятных условиях для работы. Например, от чрезмерного нагрева возможно заклинивание поршней в цилиндрах, выплавление подшипников. Кроме того, горючая смесь при впуске сильно нагревается, а следовательно, сильнее расширяется и ее меньше поступает в цилиндр, т. е. уменьшается мощность двигателя.
Таким образом, назначение системы охлаждения — принудительный отвод от деталей двигателя лишнего тепла и передача его окружающему воздуху.
Системы охлаждения бывают воздушные и жидкостные, открытые и закрытые. Системы с воздушным и жидкостным охлаждением отличаются, как видно из названия, охлаждающим агентом: в первой используется воздух, во второй — жидкость. В современных автомобилях применяется принудительная система охлаждения, в которой жидкость циркулирует под действием насоса, а воздух нагнетается вентилятором.
Открытая система жидкостного охлаждения предусматривает давление в системе, равное атмосферному, а закрытая допускает колебания давления в определенных пределах, регулируемых клапанами. В современных автомобилях используются закрытые системы, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только такие системы.
Рассмотрим принцип действия системы охлаждения. Его проще всего понять, вспомнив простой пример из области кулинарии. Вы только что сварили кашу и вам нужно ее охладить. Для этого накладываете кашу в тарелку и, помешивая, дуете на нее или же опускаете кастрюлю с содержимым в холодную воду. Переложив кашу из кастрюли в тарелку, вы увеличиваете площадь испарения, а когда дуете на нее, то удаляете от поверхности нагретый воздух и подаете холодный. Именно на этом принципе основано действие системы охлаждения.
В систему жидкостного (рис. 26) входят рубашка охлаждения, насос центробежного типа, вентилятор, радиатор, жалюзи, термостат, шланги, сливные краники и приборы контроля, расширительный бачок, приборы отопления кузова и система подогрева смеси в карбюраторе.
Рис. 26. Система охлаждения двигателя
В конструкции блока цилиндров и головки блока для интенсивного отвода избытка тепла предусмотрены полости, заполняемые охлаждающей жидкостью. Практически все цилиндры, камеры сгорания и другие сильно нагреваемые детали находятся в жидкости, как в нашем примере кастрюля с кашей. Эта полость между двойными стенками в блоке цилиндров и головке блока называется рубашкой охлаждения. В ней происходит интенсивный теплообмен между нагретыми деталями и охлаждающей жидкостью.
Жидкость в рубашке охлаждения постоянно циркулирует под действием насоса: горячая отводится через верхний соединительный шланг в радиатор, а охлажденная в радиаторе через нижний соединительный шланг подводится в блок цилиндров.
Жидкость охлаждается в радиаторе — приборе, выполняющем роль теплообменника. В нем резко увеличивается поверхность жидкости, соприкасаемая с холодным атмосферным воздухом и ускоряется передача тепла от жидкости окружающему воздуху.
Радиатор состоит из верхнего и нижнего бачков, соединенных множеством трубок, и направляющего кожуха. Трубки в поперечном направлении переплетены тонкими пластинками, увеличивающими площадь охлаждения и придающих жесткость радиатору. Трубки и пластины образуют сердцевину радиатора. Для заливки жидкости в верхнем бачке предусмотрена заливная горловина, закрываемая пробкой. В пробке установлены два клапана: паровой и воздушный. Они работают также, как клапаны в пробке топливного бака, только отрегулированы они на большее давление: паровой открывается при давлении 0,145—0,155 МПа (1,45—1,55 кгс/см²), воздушный при снижении давления на 0,01—0,013 МПа (0,10—0,13 кгс/см²).
Чем вызвана необходимость повышения давления?
Если давление атмосферное, то вода кипит при температуре 100°C. Если же давление увеличить, то увеличится и температура кипения. Именно поэтому в закрытых системах охлаждения, о которых мы сейчас говорим, температура кипения жидкости всегда выше 100°C и повышается у различных автомобилей до 105—115°C. А если давление еще более возрастет, то большая нагрузка может стать причиной нарушения герметичности, т. е. причиной повреждения радиатора или соединительных шлангов, поэтому на некоторое время откроется паровой клапан и пар выйдет в атмосферу.
Итак, работа радиатора напоминает работу батареи водяного отопления в квартире с той лишь разницей, что в двигателе холодный воздух интенсивно прогоняется через сердцевину радиатора вентилятором. Отсюда и назначение вентилятора — создавать поток воздуха через радиатор на остановках и усиливать его при движении автомобиля. Для возможности наиболее рационального использования нагнетаемого вентилятором воздуха к сердцевине к радиатору прикреплен кожух.
Вентилятор состоит из четырех-шести лопастей, закрепленных на ступице шкива. Шкив установлен на валу водяного насоса, поэтому вентилятор постоянно работает вместе с двигателем. А это не всегда нужно. Поэтому на некоторых двигателях устанавливают электромагнитную муфту привода вентилятора. Объясняется это тем, что двигателю, как вы знаете, для нормальной работы необходима определенная температура (он должен быть теплым). Поэтому при пуске холодный двигатель нужно быстро прогреть, а вентилятор в это время охлаждает жидкость. Вот электромагнитная муфта и отключает вентилятор, пока двигатель полностью не прогреется. Роль электромагнитной муфты особенно возрастает в зимний период, так как она позволяет экономить энергию двигателя и уменьшает износ деталей.
Теперь поговорим о так называемом водяном насосе центробежного типа (рис. 27). Вспомним «чертово колесо», на котором так любят кататься дети. Они садятся в центре колеса, которое начинает вращаться. По мере увеличения частоты вращения дети один за другим, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее начитают соскальзывать от центра к краю и под действием центробежной силы сбрасываются с колеса к барьеру.
Рис. 27. Водяной насос
Принцип работы водяного насоса основан на использовании той же центробежной силы. Роль «чертова колеса» выполняет крыльчатка с лопастями, а роль барьера корпус насоса. Жидкость подается к центру крыльчатки из нижнего бачка радиатора. Подхваченная вращающимися с большой частотой лопастями она под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса и нагнетается в блок цилиндров (рис. 27).
Крыльчатка посажена на валу насоса, на другом конце которого закреплен шкив. Шкив приводится во вращение клиновидным ремнем от шкива коленчатого вала.
Для автоматического регулирования температуры охлаждающей жидкости используется термостат (рис. 28). Он состоит из корпуса, гофрированного цилиндра и штока.
Рис. 28. Схема работы термостата
Принцип работы термостата основан на расширении материала при нагревании. Поэтому в качестве наполнителя гофрированного цилиндра применяются наиболее сильно расширяющиеся при нагревании материалы: водный раствор этилового спирта, эфир или специальный твердый наполнитель.
Термостат устанавливается в патрубке головки цилиндров и пропускает всю нагретую жидкость, нагнетаемую насосом. В системе охлаждения образуются два круга движения охлаждающей жидкости (большой и малый), и термостат стоит в месте их разделения.
При температуре охлаждающей жидкости ниже 70°C основной клапан термостата закрыт, а перепускной открыт. В результате охлаждающая жидкость не может циркулировать по большому кругу, а только по малому. Это способствует быстрому прогреву двигателя. При температуре выше 70°C эфир или спирт в гофрированном цилиндре испаряется, и повышается давление. Под действием этого давления гофрированный цилиндр удлиняется, поднимая основной клапан и закрывая перепускной. Охлаждающая жидкость направляется по большому кругу (через радиатор), способствуя быстрому охлаждению жидкости в радиаторе.
Для регулирования потока воздуха через радиатор, т. е. для регулирования степени охлаждения жидкости, в нем используются жалюзи. Это по сути дела шторки, состоящие из узких стальных полос, шарнирно закрепленных вверху и внизу на специальной рамке. Пластины управляются тросом из кабины водителя. Натянув ручку, водитель закрывает жалюзи, уменьшая поток воздуха.
В системе охлаждения обычно предусмотрены два краника для слива воды: один в самой низкой точке системы охлаждения в блоке цилиндров двигателя, другой — в нижней части радиатора (на патрубке). Достаточно их открыть, как жидкость начнет вытекать. Для полного ее слива необходимо открыть пробку радиатора. В противном случае создавшееся разрежение не позволит жидкости вытечь полностью (вспомните отверстие в яйце).