Chlodzenie w samochodzie

Chłodzenie w pojeździe

– czy tylko silnik go potrzebuje?

Spis treści

Dodatek techniczny

Dział szkoleń technicznych Inter Cars SA

1. Do czego służą i gdzie stosuje się układy chłodzenia?

2. Zasada działania układu chłodzenia 3. Z jakimi rodzajami układów chłodzenia możemy się spotkać w współczesnych pojazdach?

4. Kontrola i obsługa poszczególnych elementów składowych układu chłodzenia 5. Czynniki pracujące w układach chłodzenia 6. Podsumowanie

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

1. Do czego służą i gdzie stosuje się układy chłodzenia?

Na początek rozpatrzymy pierwszą część pytania. Naturalnie nasuwającą się odpowiedzią na tak postawione pytanie jest stwierdzenie, że układ chłodzenia, jak sama nazwa wskazuje, służy do chłodzenia. I zapewne większość z użytkowników samochodów tak właśnie odpowiedziałaby na powyższe pytanie. Niestety nie do końca jest to prawidłowa odpowiedź.

Prawda jest taka, że rolą układu chłodzenia jest utrzymywanie stałej określonej temperatury. Poziom tej temperatury i zakres ewentualnych odchyłek jest ustalany przez projektanta – konstruktora danego urządzenia – podzespołu.

Jeżeli dane urządzenie w trakcie pracy osiąga temperaturę wykraczająca poza ustalone normy i granice, to konieczne staje się zastosowanie układu chłodzenia. Ta ustalona temperatura nazywana jest temperaturą pracy. Jest to temperatura, w której urządzenie powinno pracować, ze względu na poprawność pracy oraz jego maksymalną żywotność.

Temperatura pracy wynika bezpośrednio z uwarunkowań

Rysunek 1. Źródło: adrianolek.com

2

Dodatek techniczny

konstrukcyjnych danego urządzenia. Do tych uwarunkowań zaliczamy miedzy innymi rozszerzalność cieplną materiału, z którego jest zbudowane, właściwości płynów pracujących wewnątrz urządzenia lub współpracujących z nim, bezpieczeństwo użytkownika itp. Nie należy zapominać również o tym, że rolą układu chłodzenia jest utrzymywanie temperatury pracy urządzenia niezależnie od panujących warunków zewnętrznych, w których pracuje dane urządzenie. Czasami może to być Dolina Śmierci w USA gdzie temperatura nad asfaltem często przekracza 55°C, a czasami będzie to Jakuck w Rosji, gdzie temperatura przy gruncie często oscyluje około -50°C. Jak widać zadanie układów chłodzenia polegająca na utrzymywaniu stałej ściśle określonej temperatury pracy nie jest wcale łatwa do spełnienia. Teraz przejdźmy do drugiej części pytania, czyli gdzie się stosuje układy chłodzenia?

Poniekąd odpowiedź na to pytanie padła już przy okazji rozważań na temat pierwszej część pytania. Układy chłodzenia stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczne jest utrzymanie stałej określonej temperatury pracy. W przypadku odniesienia tego pytania do pojazdów niejako w sposób naturalny nasuwa nam się silnik jako miejsce, które wymaga chłodzenia. Mówiąc silnik, mamy na myśli blok silnika oraz głowicę.

Z badań prowadzonych nad pracą silnika z tak zwanego bilansu cieplnego silnika spalinowego wynika, że tylko część energii dostarczanej do silnika w postaci paliwa jest zamieniana na pracę. Stanowi to od 28% do 35%.

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Pozostała energia, czyli od 65% do 72% jest „tracona”, z czego około 30% - 34% energii jest tracone w układzie chłodzenia. Około 15% energii tracimy z gazami spalinowymi. Około 10% energii jest wypromieniowywane do otoczenia. Pozostałe klika procent energii jest wykorzystywane na pokonanie oporów mechanicznych samego silnika. Przykład bilansu energetycznego jest przedstawiony na rysunku 1.

Z bilansu wynika, że około 30% - 34% energii nagrzewa silnik. Zatem zadaniem układu chłodzenia jest skuteczne odprowadzenie tej energii, ale odprowadzenie w taki sposób, żeby w żadnym momencie pracy nie spowodować przechłodzenia lub tym bardziej przegrzania silnika. Za normalną prawidłową temperaturę pracy silnika spalinowego uznajemy temperaturę około 95°C– temperatura płynu chłodzącego. W silniku spalinowym najwyższa temperaturę będą miały ściany cylindrów i kanały kolektora wydechowego. Te elementy muszą być chłodzone najintensywniej. Oczywiście pamiętamy, że nadmierne chłodzenie silnika powoduje zmniejszenie sprawności cieplnej silnika i w konsekwencji pogorszenie procesu spalania oraz warunków smarowania silnika. Dla użytkownika tak chłodzonego silnika będzie to oznaczać zwiększenie zużycia paliwa oraz szybsze zużywanie się mechaniczne silnika. Z kolei niedostateczne chłodzenie będzie powodować nadmierne nagrzanie, a wręcz przegrzewanie elementów silnika, co będzie prowadzić do dalszego wzrostu temperatury i w końcowym efekcie do jego zatarcia – zablokowania. Zbyt wysoka temperatura silnika powoduje również wzrost tendencji do samo zapłonu, czyli spalania stukowego. Wpływa również na pogorszenie warunków smarowania silnika oraz spadek współczynnika napełniania cylindrów. Im większy moc silnik, tym większą ilość energii musimy odprowadzić. Przykładowo w silniku o mocy 100 kW jest to około 136 KM, czyli moc występująca w samochodach klasy średniej, ilość energii, którą musi odprowadzić układ chłodzenia, jest równa 30 kW. Taka ilość energii wystarcza do ogrzania ponad 300 metrów powierzchni – dużego domu jednorodzinnego. Oczywiście taką ilość energii trzeba odprowadzić w momencie, kiedy silnik pracuje z maksymalną mocą. Z tego powodu w silnikach dużych mocy do chłodzenia wykorzystuje się również układ olejowy. W takim przypadku układ olejowy posiada chłodnicę.

Rozwiązanie takie jest również często spotykane w motocyklach, w których blok i głowica są chłodzone powietrzem.

Główną zaletą wykorzystania układu smarowania do chłodzenia jest zwiększenie ilości odbieranej energii od silnika bez konieczności wykonywania żadnych dodatkowych układów, kanałów lub temu podobnych, co niepotrzebnie komplikowałoby konstrukcję silnika. Układ olejowy występuje w większości silników. Dodatkową zaletą wykorzystania do chłodzenia układu smarowania jest fakt, że możemy chłodzić także miejsca, do których płyn chłodzący nie ma jak dotrzeć – są to wał korbowy, tłoki, zawory, wszędzie tam, gdzie dociera olej, zapobiegając nadmiernemu nagrzewaniu się poszczególnych części. Na przykład możemy chłodzić denko tłoka. W tym przypadku chłodzenie jest uzyskiwane

przez tryskanie olejem na denko tłoka od wewnętrznej jego strony. Metoda ta jest bardzo prosta, a zarazem skuteczna.

Koniec kanału smarującego panewkę w główce korbowodu posiada otwór tak wykonany, aby olej tryskał z niego na denko tłoka. Olej w ten sposób odbiera energię z bardzo nagrzanego i niedostępnego miejsca tłoka. Kolejną ważną zaletą chłodzenia oleju silnikowego jest utrzymywanie jego temperatury w określonych granicach, przez co minimalizujemy ryzyko pojawienia się nagaru w wyniku spalania oleju. Podsumowując silnik jest bez wątpienia jednym z najważniejszych podzespołów w samochodzie, który wymaga chłodzenia – układu chłodzenia. Ale czy tylko silnik? Otóż nie tylko silnik. Równie ważne jest chłodzenie skrzyni biegów, szczególnie automatycznych oraz skrzyń biegów mechanicznych przenoszących duże moce. Kolejnymi miejscami - podzespołami, które również mogą wymagać chłodzenia będą dyferencjały oraz układy hamulcowe. Chłodzenia wymagać będę również powietrze zasilające silnik szczególnie w przypadku zastosowania doładowania, paliwo – olej napędowy głównie w układach wysokociśnieniowych, gaz w układach klimatyzacji, płyn hydrauliczny wspomagania układu kierowniczego, układy EGR, układy hamulcowe. Ostatnio coraz częściej w pojazdach pojawia się problem utrzymania właściwej temperatury pracy układów elektronicznych – komputerów, które wraz ze wzrostem mocy obliczeniowych oraz postępującą miniaturyzacją wydzielają coraz większe ilości ciepła w trakcie pracy. Obecnie moc obliczeniowa komputerów zainstalowanych w jednym aucie klasy średniej przewyższa znacząco moce obliczeniowe komputerów zainstalowanych w Pentagonie w latach 80-tych.

Reasumując silnik nie jest jedynym miejscem – podzespołem, który potrzebuje układu chłodzenia. Należy pamiętać, że układ chłodzenia jest integralną częścią, bez którego praca danego podzespołu jest niemożliwa, a w najlepszym przypadku jest bardzo mocno ograniczona. W związku z coraz większą ilością różnego rodzaju układów chłodzenia i ich bardzo dynamicznym rozwojem technologicznym zapraszam do zapoznania się z informacjami zawartymi w tym artykule. Poruszymy kwestie związane z budową i diagnostyką współczesnych układów chłodzenia – nie tylko silnika.

2. Zasada działania układu chłodzenia Generalna zasada działania układu chłodzenia jest taka sama i niezmienna od samego początku ich powstania. W miarę rozwoju techniki i zwiększających się coraz bardziej wymagań wobec układów chłodzenia były one rozbudowywane i stawały się coraz bardziej skomplikowane. Jednak podstawowe zasady, na których opiera się funkcjonowanie każdego układu chłodzenia, czyli przewodzenie ciepła oraz zasada zachowanie energii są niezmienne. Przewodzenie ciepła jest

Dodatek techniczny

3

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje? to proces wymiany ciepła pomiędzy ciałami o różnej temperaturze. Proces ten prowadzi do wyrównania temperatur obu tych ciał i zachodzi tylko do tego momentu, aż temperatura obu ciał zostanie wyrównana. Im większa jest różnica temperatur tym przekazywania energii zachodzi intensywniej. Zasada zachowania energii mówi nam o tym, że energii nie można zniszczyć, może zostać ona jedynie przekazana z jednego ciała do drugiego lub może zmienić swoją formę na przykład z mechanicznej na cieplną. W układach chłodzenia stosowanych w pojazdach najczęstszym zjawiskiem jest przekazywanie energii pomiędzy urządzeniem, np.: blokiem silnika a powietrzem, są to tak zwane bezpośrednie układy chłodzenia. Drugim równie często spotykanym przypadkiem jest przekazywanie energii do otoczenia za pośrednictwem cieczy. Są to tak zwane pośrednie układu chłodzenia.

O rodzajach układów chłodzenia i ich cechach szczególnych oraz sposobach działania szerzej w kolejnym punkcie artykułu.

3. Z jakimi rodzajami układów chłodzenia możemy się spotkać w współczesnych pojazdach?

Tak jak wspomniałem w poprzednim rozdziale, we współczesnych pojazdach możemy spotkać się spotkać z różnymi rodzajami układów chłodzenia. Możemy wykonać klika podziałów układów chłodzenia. Pierwszego podziału możemy dokonać ze względu na sposób przekazywania energii do otoczenia. Można powiedzieć, że jest to podstawowy podział. Rozróżniamy układy chłodzenia bezpośrednie i pośrednie.

Układu chłodzenia bezpośrednie są to układy, w których następuje bezpośrednia wymania ciepła między gorącymi ściankami elementami urządzenia, a otaczającym je powietrzem. W przypadku silnika spalinowego elementami tymi będą cylindry, głowica. Intensywność chłodzenia jest tym większa, im większą jest powierzchnia oddawania ciepła oraz im większa jest prędkość opływającego je powietrza.

Z tego względu w silnikach chłodzonych bezpośrednio występuje użebrowanie bloku silnika i głowicy. Dodatkowo stosuje się również wentylatory nadmuchowe zapewniające zwiększoną prędkość przepływu powietrza. W silniku chło-

4

Dodatek techniczny

dzonym powietrzem temperatura ścianek cylindra i głowicy może będzie wyższa niż w silniku chłodzonym cieczą. Temperatura ścianek cylindrów współcześnie produkowanych silników z układem chłodzenia bezpośredniego wynosi ok.

200 stopni Celsjusza, a w niektórych silnikach osiąga nawet 250 stopni Celsjusza. Temperatura ścianek głowicy jest jeszcze wyższa, np. między zaworami dopuszczalna jest niekiedy temperatura do 280 stopni Celsjusza. Przykładowy silnik z układem chłodzenia bezpośrednim rysunek nr 2.

Rysunek 2. Źródło: autokult.pl

W celu zwiększenia powierzchni oddającej ciepło ścianki cylindrów i głowic silników chłodzonych powietrzem są odpowiednio użebrowane. Powierzchnia żeber nie może być zbyt duża, aby nie zwiększać niepotrzebnie masy silnika. Wcięcia w głowicy i bloku nie mogą być zbyt duże, żeby nie zmniejszyły sztywności całej konstrukcji.

Układy chłodzenia pośrednie są to układy obecnie najczęściej występuje w silnikach spalinowych w pojazdach. Zasada ich działania polega na tym, że ciepło wytwarzane przez silnik jest odprowadzane do powietrza przez czynnik pośredni, nazywany cieczą chłodzącą. Ciecz chłodząca oddaje ciepło w wymienniku ciepła – chłodnicy. W tego typu układach blok i głowica silnika muszą posiadać odpowiednie

Rysunek 3. Źródło: sprzedajemy.pl

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje? kanały. Kanały te są tak wykonane, aby doprowadzać ciecz chłodzącą do każdego elementu wydzielającego ciepło, muszą otaczać płaszczem wodnym tuleje cylindrowe w bloku silnika. Kanały są widoczne wokół cylindrów na rysunku 3.

W głowicy muszą zapewniać odpowiednie chłodzenie komory spalania oraz kanałów dolotowych i wylotowych z cylindra. W szczególności muszą odprowadzać ciepło ze ścianek komory spalania i kanałów wydechowych. Kanały w bloku i głowicy nie mogą mieć zbyt małej średnicy, ponieważ po długotrwałej eksploatacji silnika mogłyby uleć zamuleniu. Pomimo stosowania coraz lepszych cieczy chłodzących i coraz lepszych materiałów na bloki i głowice nadal części te ulegają korozji. W przypadku silników z chłodzeniem pośrednim możemy spotkać dwa rodzaje rozwiązań układu cylindrów – z suchymi lub mokrymi tulejami cylindrowymi. Układ z suchymi tulejami cylindrowymi polega na tym, że ciecz chłodząca nie ma bezpośredniego kontaktu z tulejami cylindrowymi. Tuleje cylindrowe są obsadzone w gniazdach wykonanych w kadłubie silnika. Jest to starsze rozwiązanie, które powoduje słabsze odprowadzanie ciepła w stosunku do układu z mokrymi tulejami, ponieważ ciepło z cylindra jest odprowadzane mniejszą powierzchnią oraz musi przenikać przez grubszą ściankę cylindra. Przez co układ chłodzenia takie posiada większą bezwładność i są

jest to szczególnie ważne w silnikach o dużych mocach i wysokich prędkościach obrotowych. Rozwiązanie takie wymaga zastosowania lepszych materiałów na blok cylindrowy i innej jego konstrukcji. Jest to rozwiązanie droższe, ale umożliwia skuteczniejszy odbiór energii z cylindrów. Przykład takiego rozwiązania na rysunku 5.

Kolejnym podziałem, jaki możemy wykonać w przypadku układów chłodzenia jest podział ze względu na rodzaj obiegu czynnika chłodzącego. Rozróżniamy układy chłodzenia o obiegu samoczynnym oraz układy chłodzenia o obiegu wymuszonym. Podział ten dotyczy zarówno układów chłodzenia bezpośredniego, jaki pośredniego.

Układy chłodzące z obiegiem samoczynnym charakteryzują się tym, że ruch czynnika chłodzącego niezależnie czy jest to powietrze czy ciecz nie jest wspomagany – wymuszany przez żadne mechanizmy. W przypadku bezpośrednich układów chłodzenia z obiegiem samoczynnym silnik omywany jest powietrzem go otaczającym lub strumieniem powietrza, którego przepływ jest wywołany ruchem pojazdu.

Taki sposób chłodzenia spotkamy w motocyklach lub innych pojazdach nieobudowanych – quady, buggy. W przypadku, gdy w silniku jest więcej niż jeden cylinder, zaleca się takie ich ułożenie, aby każdy otrzymywał chłodne powietrze.

Rysunek 4. Źródło: mojafirma.infor.pl

w stanie odprowadzić mniejsze ilości energii np.: przy nagłej zmianie obciążenia silnika. Dodatkowo takie rozwiązanie zwiększa masę samego silnika. Przykład takiego rozwiązania widoczny na rysunku 4.

Układ z mokrymi tulejami charakteryzuje się tym, że ciecz chłodząca ma bezpośredni kontakt z tulejami cylindrowymi na całej ich powierzchni. Jest to najnowsze rozwiązanie. Bezpośredni kontakt cieczy chłodzącej z tulejami cylindrowymi zapewnia bardzo dobre odprowadzenie ciepła z cylindra,

Rysunek 5. Źródło: sprzedajemy.pl

Rysunek 6. Źródło: historiabmw.prv.pl

Dlatego nie zaleca się ustawienia cylindrów w rzędzie w stosunku do kierunku przepływającego powietrza. Chłodzenie samoczynne jest stosowane również w silnikach lotniczych – rysunek 6. Silniki lotnicze wprawdzie są znacznie bardziej obciążone cieplnie niż silniki pojazdów lądowych, ale dzięki dużej prędkości względnej powietrza omywającego mają one zapewnioną odpowiednią intensywność chłodzenie.

W układach chłodzenia pośredniego o obiegu samoczynnych, które są również nazywane układami termosyfonowymi ruch czynnika w układzie odbywa się pod wpływem różnicy temperatury w płaszczu wodnym silnika i w chłodnicy. Ruch czynnika jest powodowany przez różnicę gęstości

Dodatek techniczny

5

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 7. Źródło: adrianolek.com

cieczy zimnej i gorącej. Ciecz zimna jest gęstsza od ciepłej, dzięki czemu opada w chłodnicy na dół, przez co na górę chłodnicy jest „zasysana” gorąca ciecz, w silniku zimna ciecz ogrzewa się i unosi, powodując wypychanie gorącej cieczy do chłodnicy. Intensywność chłodzenia jest regulowana przez sam silnik, bo wynika z różnicy temperatur. Im większa różnica temperatur tym szybciej krąży ciecz w układzie.

W celu zwiększenia intensywności chłodzenia przepływ powietrza przez chłodnicę może być wspomagany wentylatorem. Schemat opisywanego rozwiązania na rysunku 7. cyframi mamy oznaczone 1 – wlew, 2 – chłodnicę, 3 – silnik.

Układ taki ma niestety wiele wad. Podstawową wadą jest stosunkowo powolny ruch cieczy w układzie wynikający z małej różnicy temperatur na wlocie i wylocie chłodnicy około 10 stopni Celsjusza. Powolny ruch cieczy w układzie powoduje dużą bezwładność całego układu. Ta cecha zmusza konstruktorów do stosowania dużych chłodnic oraz dużych średnic przewodów cieczy chłodzącej. Dodatkowo duża bezwładność układu może powodować lokalne wzrosty temperatury w płaszczu wodnym silnika. Z powodu tych wad układ chłodzenia samoczynne obecnie nie są praktycznie stosowane.

6

Dodatek techniczny

W układach chłodzenia o obiegu wymuszonym ruch czynnika chłodzącego wynika z pracy dodatkowych urządzeń – wentylatory, pompy itp. W przypadku układów chłodzenia bezpośredniego ruch powietrza jest wymuszany przez dmuchawę – wentylator. Przy tego typu rozwiązaniach silnik jest obudowany w sposób zapewniający omywanie jego użebrowania przez strumieniem powietrza napędzanego dmuchawą. Powietrze tłoczone przez dmuchawę jest kierowane za pomocą odpowiednich przewodów i osłon.

Przewody i osłony kierujące zwykle są wykonane z cienkiej blachy stalowej lub tworzywa sztucznego. Sposób napędu dmuchawy będzie omówiony w kolejnej części artykułu.

Dzięki takiemu rozwiązaniu zyskujemy możliwość pełnej regulacji intensywności chłodzenia oraz równomierne chłodzenie dla wszystkich elementów silnika niezależnie od prędkości pojazdu. Obecnie takie rozwiązanie jest stosowane w nielicznych modelach, najbardziej znane to starsze modele VW „garbusa”, Porsche, Fiat 126p. Aby nie przechłodzić silnika posiadającego chłodzenie wymuszone, konieczne jest zastosowanie regulacji intensywności chłodzenia. Regulacja intensywności chłodzenia jest niezbędna do prawidłowej pracy silnika, ponieważ tak jak pisałem wcześniej, warunki, w których on pracuje, są zmienne. Ponadto zmienia się

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 8. Źródło: autokult.pl

obciążenie silnika. Najprostszą i najczęściej stosowaną metodą regulacji intensywności chłodzenia w układach bezpośrednich chłodzenia o obiegu wymuszonym jest dławienie powietrza wlatującego do dmuchawy lub wylatującego z silnika. Częściej spotykaną metoda regulacji jest dławienie powietrza wylatującego z silnika. Zamykaniem i otwieraniem wylotu powietrza z silnika zajmuje się termostat. Szerszy opis działania termostatu w kolejnym rozdziale. W momencie, kiedy temperatura powietrza chłodzącego osiąga temperaturę graniczną, termostat otwiera wylot powietrza z kanałów chłodzących. Inne rodzaje regulacji intensywności chłodzenia polegają na zmianie prędkości obrotowej dmuchawy lub zmianie kata nachylenia łopatek dmuchawy.

W układach chłodzenia pośredniego o obiegu wymuszonym jest współcześnie najczęściej stosowanym układem chłodzenia silników spalinowych w pojazdach. Obieg czynnika wymuszony – spowodowany jest przez pompy obiegową cieczy chłodzącej. Rozwiązanie takie eliminuje wszystkie wady samoczynnego układu chłodzenia pośredniego. Układ ten umożliwia zwiększenie intensywności, niezawodności i skuteczności chłodzenia. Duża intensywność chłodzenia umożliwia zmniejszenie objętości układu, dzięki czemu uzyskujemy redukcję ciężaru w porównaniu do układu termosyfonowego. Układ ten wymaga jednak większych nakładów w trakcie produkcji, ponieważ wymaga zainstalowania dodatkowych urządzeń takich jak pompa obiegowa, termostat, wentylator chłodnicy. Schemat układu chłodzenia pośredniego o obiegu wymuszonym przedstawiony jest na rysunku 8.

W związku z tym, że układ chłodzenia pośredniego wymuszonego jest obecnie najczęściej spotykanym rodzajem układu chłodzenia w samochodach, omówimy go dokładniej. Układ chłodzenia pośredniego wymuszonego składa się w dwóch obiegów – krótkiego i długiego. Obieg krótki jest to obieg zawierający blok silnika oraz głowice silnika.

Obieg długi zawiera chłodnicę cieczy chłodzącej. Na schemacie mamy uwzględniony również obieg nagrzewnicy wnętrza, jednak nie ma on istotnego wpływu na działania

całego układu chłodzenia. W układach chłodzenia pośrednich również występuje termostat, pełniąc rolę regulacyjną.

Termostat jest elementem, który łączy długi obieg z krótkim, przez co pełni bardzo istotną rolę w prawidłowym działaniu układu chłodzenia. W momencie, kiedy silnik jest zimny, ciecz chłodząca krąży tylko w krótkim obiegu. To znaczy krąży tylko w bloku i głowicy silnika bez przejścia przez chłodnicę, co sprzyja szybszemu osiąganiu temperatury pracy przez silnik. W momencie, kiedy silnik nagrzeje się, wtedy termostat otwiera długi obieg, dzięki czemu rozpoczyna się proces chłodzenia cieczy chłodzącej. Przy całkowitym otwarciu termostatu większość cieczy chłodzącej z silnika przepływa przez chłodnicę. Termostat jest najpopularniejszą metodą regulacji intensywności chłodzenia. Termostat zastosowany w obiegu cieczy chłodzącej niezależnie od nas otwiera lub zamyka przepływ cieczy przez chłodnice, co jest bardzo dobrą metodą regulacji temperatury silnika poprzez odpowiednie schładzanie cieczy chłodzącej, tak aby nie powodowała przechłodzenia silnika. Opis budowy i działania termostatu w kolejnym rozdziale.

W przypadku pośrednich układów chłodzenia o wymuszonym obiegu rozróżniamy obiegi o układzie otwartym oraz o układzie zamkniętym. Układy chodzenia pośredniego otwarte są starszym rozwiązaniem. Układy otwarte są to układami bezciśnieniowymi, tzn. takie, które pracują w ciśnieniu atmosferycznym. Te układy możemy rozpoznać po „otwartym” zbiorniczku wyrównawczym cieczy chłodzącej – zbiorniczek posiada połączenie z atmosferą, przewodem odprowadzającym opary cieczy chłodzącej. Wadą tego typu układów jest ograniczenie maksymalnej temperatury chłodzenia poprzez temperaturę wrzenia czynnika chłodzącego.

Rozwiązaniem tego problemu są układy zamknięte. Układy chłodzenia pośredniego zamknięte są nowszym rozwiązaniem. Układy te są hermetycznie szczelne i posiadają zawór utrzymujący określone ciśnienie wewnątrz układu. Zgodnie z prawami fizyki im wyższe jest ciśnienie cieczy, tym wyższa jest jej temperatura wrzenia. Dzięki podniesieniu ciśnienia wewnątrz układu chłodzenia zwiększa nam się maksymalna

Dodatek techniczny

7

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 9. Źródło: Motointegrator

temperatura cieczy chłodzącej bez doprowadzenia jej do wrzenia. Uzyskanie wyższej temperatury cieczy chłodzącej zwiększa również różnicę temperatur, jaką możemy uzyskać w obiegu, dzięki czemu zwiększamy intensywność chłodzenia. We współczesnych układach temperatura cieczy chłodzącej w obiegu może osiągać nawet 120-140°C. Rolę zaworu utrzymującego ciśnienie w układzie zazwyczaj pełni korek od zbiornika wyrównawczego cieczy chłodzącej. Przykładowy korek przedstawia rysunek 9.

Obecnie coraz częstszym standardem staje się podawanie wartości ciśnienia roboczego, jakie utrzymuje korek w układzie. Jest to szczególnie istotna informacja w przypadku wymiany korka na nowy.

Należy wspomnieć również o tym, że ciecz chłodząca w silniku poza podstawową funkcją – czyli chłodzeniem bloku silnika oraz głowicy, ma również za zadanie chłodzić podzespoły zewnętrzne silnika oraz niekiedy osprzęt. Dość powszechnym rozwiązaniem jest włączanie w obieg cieczy chłodzącej turbosprężarki i zaworu EGR. Turbosprężarka podstawowe chłodzenie otrzymuje poprzez olej silnikowy, jednak przy coraz większych mocach takie rozwiązanie przestało gwarantować dostateczne chłodzenie. Z tego względu turbosprężarki posiadają dodatkowe kanały, którymi przepływa ciecz chłodząca. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest szybsze nagrzewanie turbosprężarki po zimnym rozruchu silnika. Podobnie zawory EGR – rysunek 10 ze względu

Rysunek 10. Źródło: Motointegrator

8

Dodatek techniczny

Rysunek 11. Źródło: Motointegrator

na specyficzne warunki pracy – gorące spaliny i konieczność utrzymania określonej temperatury pracy posiadają kanały, przez które przepływa ciecz chłodząca.

Dzięki wykorzystaniu jako czynnika chłodzący olejów krążącego w układach smarowania silnika, skrzyń biegów lub dyferencjałów konstruktorzy uzyskali możliwość chłodzenia tych podzespołów.

Pierwszym sposobem oddania energii cieplnej przez olej jest zastosowanie użebrowania miski olejowej lub obudowy skrzyni lub dyferencjału na wzór silników chłodzonych bezpośrednio. Rozwiązanie to jest dość skuteczne przy mniej obciążonych podzespołach. Jedynym ograniczeniem tego rozwiązania jest konieczność zapewnienia dostępu powietrza do użebrowanego elementu. Przykład takiego rozwiązania przedstawiony jest na rysunku 11.

Drugim sposobem zapewnienia chłodzenia za pośrednictwem oleju smarującego jest zamontowanie w układzie smarowania chłodnicy oleju. Rozwiązanie to dotyczy podzespołów posiadających wymuszony obieg oleju, czyli pompę oleju. Będą to głownie silniki oraz automatyczne skrzynie biegów. Zasada działania tego typu układów jest bliźniacza do działania układów z cieczą chłodzącą. Występują dwa rodzaje chłodnic oleju, tzw. chłodnice oleju wodne oraz chłodnice oleju powietrzne. Wodne chłodnice oleju stosowane są w silnikach chłodzonych cieczą. Najczęściej są to rurowe wymienniki ciepła, w których wymiana ciepła zachodzi między olejem i cieczą znajdującą się w obiegu chłodzenia silnika.

Są one wykonane w układzie stojącym (pionowym) lub leżącym (poziomym). Wymiary chłodnicy zależą od mocy silnika oraz ilości ciepła koniecznego do odprowadzenia przez olej. W chłodnicach wodnych najczęściej olej przepływa przez rurki (często bardzo spłaszczone), które są obmywane przez strumień cieczy chłodzącej. Zaletą chłodnic wodnych jest szybkie osiągnięcie przez olej prawidłowej temperatury pracy po rozruchu silnika, ponieważ ciecz chłodząca silnika nagrzewa się bardzo szybko i od razu podgrzewa olej. Do zalet tych chłodnic należy samoregulacja ich wydajności cieplnej, ze względu na chłodzenie cieczą o określonej temperaturze, niezależnej od obciążenia silnika. Za wadę chłodnic wodnych można uznać ich skomplikowaną budowę, wysoki koszt oraz trudności w wykrywaniu i usuwaniu ewentualnych przecieków.

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 13. Źródło: Motointegrator

Rysunek 12. Źródło: Motointegrator

Chłodnice wodne tworzą przeważnie oddzielne zespoły, przymocowane do zewnętrznych ścianek silnika lub skrzyni biegów. Połączone są przewodami z układem smarowania oraz z układem chłodzenia silnika. Przykładowa wodna chłodnica oleju przedstawiona jest na rysunku 12.

Taka konstrukcja pozwala na łatwą obsługę i serwis chłodnicy. Obieg cieczy chłodzącej chłodnicy oleju umieszczony jest po stronie tłoczącej pompy cieczy chłodzącej. Ciecz chłodząca kierowana do chłodzenia silnika przechodzi najpierw przez chłodnicę oleju. W powietrznych chłodnicach oleju wymiana ciepła zachodzi między olejem a powietrzem chłodzącym. Chłodnice powietrzne - rysunek 13, stosuje się zarówno w silnikach chłodzonych powietrzem, jak i w silnikach chłodzonych cieczą. W silnikach chłodzonych powietrzem chłodnice oleju umieszcza się w strumieniu powietrza chłodzącego silnik. W silnikach chłodzonych cieczą chłodnice oleju umieszcza się w strumieniu powietrza kierowanego przez wentylator na chłodnice cieczy chłodzącej. Ze względu na konieczność umieszczenia powietrznej chłodnicy oleju w strumieniu powietrza chłodzącego przeważnie wymagane jest zastosowanie zewnętrznych przewodów olejowych, co jest niekorzystne, dlatego przewody te powinny być możliwie jak najkrótsze i jednolite. Zaletą chłodnic powietrznych jest możliwość uzyskania większego schłodzenia oleju, gdyż nie ogranicza nas temperatura cieczy chłodzącej, tak jak w chłodnicach wodnych.

Poza tym chłodnice powietrzne oleju są prostsze i tańsze w wykonaniu oraz łatwiej jest odkryć i usunąć ewentualne nieszczelności. Do wad chłodnic powietrznych należy zaliczyć duże gabaryty oraz konieczność stosowania termostatów uniemożliwiających przechłodzenie oleju w przypadku pracy przy ujemnych temperaturach otoczenia.

Należy pamiętać, że olej współpracujący z układami chłodzenia musi spełniać określone specyfikacje. Jest to istotne w przypadku wymiany oleju na nowy.

Dalszy rozwój układów chłodzenia został wymuszony przez intensywny rozwój techniki samochodowej oraz konieczność zapewnienia optymalnych warunków pracy. Najlepszym tego przykładem jest konieczność chłodzenia paliwa w układach wtryskowych wysokociśnieniowych. W związku z rozwojem układów wtrysku paliwa typu common rail oraz znaczącym wzrostem ciśnień w tych układach – obecnie możemy spotkać układy pracujące na ciśnieniu około 2000 bar. Pojawił się problem podgrzewania paliwa w wyniku jego „sprężania”. Zjawisko to nabiera znaczenia w czasie dłuższej pracy silnika przy małej ilości paliwa w zbiorniku. W wyżej opisanych okolicznościach paliwo krążące w układzie wtryskowym zwiększałoby swoja temperaturę powodując silniejsze parowanie w zbiorniku paliwa. Z tego względu stosuje się chłodnice paliwa – rysunek 14. Najczęściej spotykanymi chłodnicami paliwa są wężownice wykonane z przewodu paliwowego czasami posiadają dodatkowe radiatory. Taka chłodnica z wyglądu przypomina chłodnice, jakie mamy w domowych lodówkach. Chłodnice takie omywane są przez otaczające powietrze, montowane są na przewodach powrotnych paliwa do zbiornika.

Rysunek 14. Źródło: www.transitcenter.pl

Dodatek techniczny

9

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 15. Źródło: plyn.com.pl

Znajdziemy je pod podwoziem lub z przodu pojazdu w strumieniu powietrza chłodnicy silnika.

Na bardzo podobnej zasadzie działają oraz są bardzo zbliżone wyglądem chłodnice płynu hydraulicznego wspomagania układu kierowniczego – rysunek 15. Ze względu na zastosowanie pompy wspomagania układu kierowniczego mamy do czynienia z wymuszonym obiegiem płynu hydraulicznego wspomagania. Włączenie w taki układ chłodnicy jest niejako naturalnym krokiem ewolucyjnym tych układów. Chłodzenia może wymagać płyn hydrauliczny wspomagania pracujący w układach kierowniczych ciężkich samochodów osobowych, terenowych i dostawczych.

Kolejnym czynnikiem wymagającym chłodzenia jest powietrze zasysane przez silnik szczególnie w przypadku zastosowania doładowania – kompresor lub turbosprężarka.

Podobnie jak w przypadku paliwa, tak i w przypadku powietrza w momencie, kiedy je sprężamy, podnosimy jego temperaturę. Chłodzenie powietrza zasilającego silniki doładowane stosuje się dla ograniczenia naprężeń mechanicznych i cieplnych. Przy wzroście temperatury powietrza zasilającego na każde 3°C wzrostu temperatury przypada 1% spadku mocy silnika. Zmniejszenie temperatury powietrza zasilającego o każde 10°C powoduje przybliżony wzrost gęstości powietrza o około 2 -5% i taki sam wzrost mocy silnika. Ponadto chłodzenie powietrza zasilającego silnik wpływa korzystnie na przebieg sprawności indykowanej silnika, w zależności do współczynnika nadmiaru powietrza, ale to jest temat na inny artykuł. Możemy wyróżnić następujące rodzaje systemów chłodzenia powietrza doładowującego silnik: a) chłodzenie za pomocą cieczy chłodzącej w wymiennikach typu ciecz-powietrze, b) chłodzenie za pomocą powietrza atmosferycznego w wymiennikach typu powietrze –powietrze, c) chłodzenie za pomocą wymiany ciepła i masy poprzez odparowanie rozpylonej wody.

Obecnie najczęściej spotykane są wymienniki typu powietrze-powietrze, czyli tak zwane intercoolera – rysunek 16.

Konstrukcja intercoolera – chłodnicy powietrza doładowanego jest bliźniacza z konstrukcją chłodnic cieczy chłodzącej. Wewnątrz chłodnicy przepływa powietrze doładowane, które przeszło już przez kompresor lub turbosprężarkę, a z zewnątrz intercooler omywana jest przez powietrze atmosferyczne. Intercoolery są montowane w strumieniu powietrza chłodzącego chłodnicę cieczy chłodzącej. Są one montowane jako pierwsze, kolejna będzie chłodnica klimatyzacji i ostatnia będzie chłodnica cieczy chłodzącej silnik. Takie ustawienie chłodnic wynika z wymaganej temperatury, do jakiej chcemy schłodzić poszczególne układy. W przypad-

10

Dodatek techniczny

Rysunek 16. Źródło: Motointegrator

ku intercoolera możemy się spotkać z natryskiem wody na powierzchnię intercoolera. W związku z tym, że woda ma większą objętość cieplną, tzn. do jej podgrzania - odparowania potrzeba więcej energii natrysk wody na intercoolera powoduje jeszcze intensywniejsze schładzanie. Rozwiązanie to było stosowane między innymi w Subaru Impreza STI. Pośrednio został wywołany „do tablicy” kolejny układ – czynnik wymagający chłodzenie, czyli czynnik chłodzący w układzie klimatyzacji. Ze względu na fakt, że układ klimatyzacji był niedawno szczegółowo opisywany w dodatkach technicznych Inter Cars, nie będziemy w tym miejscu opisywać go ponownie. Zachęcamy do lektury dodatku technicznego „Klimatyzacja – czy zawsze mamy do czynienia z tym samym układem?” dotyczącym układów klimatyzacji. Ostatnią grupą urządzeń, które zaczęły wymagać chłodzenia, są układy elektroniczne w samochodach – komputery. Ze względu na ich miniaturyzację oraz duże moce obliczeniowe grozi im przegrzanie. W związku z powyższym posiada własne układu chłodzenia najczęściej są to radiatory będące elementem obudowy – rysunek 17. Czasami intensywność chłodzenia jest zwiększania poprzez zastosowanie wentylatora.

Oczywiście prace nad unowocześnianiem i dopracowywaniem układów chłodzenia cały czas trwają i co chwila pojawiają się nowe rozwiązania. Główny kierunek unowocześniania układów chłodzenia polega na maksymalnym podnoszeniu sprawności poszczególnych elementów ukła-

Rysunek 17. Źródło: www.sklep.hadron.pl

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje? du chłodzenia. Konstruktorzy skupiają się na jak najdokładniejszym schłodzeniu każdej części, która może być narażona na pracę w podwyższonej temperaturze.

W tym celu firma Mercedes Benz rozpoczęła eksperymenty z sodem w zaworach silnikowych. Technologia ta polega na wprowadzaniu podczas procesu technologicznego sodu do zaworów silnikowych. Sód umieszczony jest we wnętrzu zaworu w kanaliku, który przebiega od grzybka do trzonka zaworowego. Sód pod wpływem temperatury zaczyna krążyć w tym kanale. Odprowadza ciepło z grzybka, który ma wyższą temperaturę, do trzonka, który ma niższą temperaturę.

W ten prosty sposób grzybek zaworu, który jest praktycznie niedostępny dla jakiegokolwiek czynnika chłodzącego, jest również chłodzony i co równie ważne cały zawór ma równomierna temperaturę, dzięki czemu zmniejszają się jego naprężenia wewnętrzne.

Kolejnym pomysłem zmierzającym do szybszego osiągania temperatury pracy przez silnik, szczególnie silnik dużych pojemności podczas niskich temperatur, jest włączenie w układ chłodzenia nagrzewnicy. Nagrzewnica ta to najczęściej mały palnik zasilany paliwem ze zbiornika pojazdu – rysunek 18.

Rysunek 18. Źródło: 4kolka.info

Można również spotkać nagrzewnice elektryczne – rysunek 19, najczęściej podłączane do zewnętrznych źródeł zasilania.

Niezależenie od zasilania rolą nagrzewnicy jest podniesienie temperatury cieczy chłodzącej, a dzięki temu i temperatury całego silnika. Dzięki takim rozwiązaniom łatwiejszy jest rozruch silnika i zdecydowanie wydłuża się jego żywotność.

nej temperatury. Szerzej o tym rozwiązaniu jest napisane w kolejnym rozdziale.

Bardzo ważną kwestią w dziedzinie chłodzenia silników spalinowych w samochodach jest wpływ rozwiązań technicznych na aerodynamikę pojazdu. Zagadnienie to stało się obiektem badań w połowie lat 90. Stwierdzono, że lokalizacja poszczególnych elementów pod maską silnika jak i wlot powietrza do chłodnicy ma bardzo duży wpływ na aerodynamikę pojazdu. A wielkość otworów wprowadzających powietrze do chłodnicy wpływa na kształt powierzchni czołowej pojazdu. Z badań przeprowadzonych przez firmę Opel wynika, że większe wcale nie oznacza lepsze. W modelach Kadett i Vectra są zastosowane identyczne silniki, jednak powierzchnia wprowadzenia powietrza do chłodnicy w Oplu Vectra jest o 200 cm2 większa, a różnica w temperaturze silnika przy identycznych warunkach zewnętrznych wynosi tylko 1°C. Ponadto oczywiste jest, że wielkość powierzchni czołowej wpływa również na zużycie paliwa. W trakcie badań Opel doszedł do wniosku, że bardzo ważne jest ustawienie chłodnicy względem przepływającego przez nią powietrza – prostopadle, nie oznacz najlepiej. Bardzo ważną rzeczą jest równomierne chłodzenie całej powierzchni chłodnicy. W tym celu Opel rozpoczął prace nad zderzakami kierującymi powietrze pod odpowiednim kątem na chłodnicę cieczy.

W tym miejscu należy wspomnieć również o chłodzeniu układu hamulcowego. Układy hamulcowe jako takie są materiałem na osobny artykuł. Układ hamulcowy, a konkretnie jego elementy robocze, czyli tarcze hamulcowe są elementem bardzo obciążonym cieplnie. Pamiętajmy, że rolą układu hamulcowego jest zamiana całej energii kinetycznej auta związanej z ruchem na energię cieplną. Dodatkowo zamiana ta odbywa się w bardzo krótkim czasie. Zauważmy, że większość współczesnych układów hamulcowych jest w stanie zatrzymać pojazd jadący 100 km/h w ciągu kilku sekund. Ilość energii, która jest w tym czasie przetwarzana przez układ hamulcowy jest w przybliżeniu równa energii potrzebnej do rozpędzenia tego samego pojazdu do 100 km/h w ciągu kilku sekund. Wiemy, że w przypadku pojazdu ważącego około tony uzyskanie przyspieszenia kilkusekundowego do „setki” wymaga około 150 KW silnika (około 200 KM).

Rysunek 19. Źródło: Motointegrator

Następnym pomysłem mającym zapobiegać miejscowym przegrzaniom, po wyłączeniu silnika jest praca wentylatora chłodnicy oraz dodatkowej elektrycznej pompy cieczy chłodzącej do momentu osiągnięcia przez silnik bezpiecz-

Rysunek 20. Źródło: Motointegrator

Dodatek techniczny

11

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 21. Źródło: www.nextdaybrakes.com

Energia taka wystarczyłaby go ogrzania powierzchni 1500 m2 – hala sportowa. Jedyną metoda chłodzenia tarcz hamulcowych jest chłodzenie w sposób bezpośredni przez omywające je powietrze. W celu intensywniejszego odbioru energii stosuje się tarcze wentylowane – rysunek 20.

Aby wentylacja tarcz mogła funkcjonować we właściwy sposób, konieczne jest doprowadzenie do nich odpowiedniej ilości powietrza chłodzącego. W tym celu coraz częściej stosuje się specjalne kanały wentylacyjne w zderzakach i błotnikach samochodów mające za zadanie kierowanie strumienia powietrza na tarcze hamulcowe. Podobnie ukształtowanie felg ma za zadanie ułatwiać przepływ powietrza w obrębie elementów układu hamulcowego. Jak wygląda układ hamulcowy w trakcie intensywnej pracy, tzn. przetwarzania energii mechanicznej na cieplną, widać na rysunku 21.

4. Kontrola i obsługa poszczególnych elementów składowych układu chłodzenia W poprzednim rozdziale zostały opisane poszczególne rodzaje układów chłodzenia oraz po części została opisana ich funkcja – rola w układzie chłodzenia. W tym rozdziale poszczególne elementy układów chłodzenia zostaną opisane w sposób bardziej szczegółowy. Zostanie również zwrócona uwaga na typowe usterki czy niedomagania poszczególnych elementów. Ze względu na fakt, że w olbrzymiej większości obecnie eksploatowanych samochodów mamy do czynienia z pośrednim układem chłodzenia silnika z wymuszonym obiegiem zamkniętym czynnika chłodzącego temu układowi poświęcimy najwięcej miejsca. Największym problemem przy diagnostyce i naprawie samochodowych

12

Dodatek techniczny

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 22. Źródło: Intercars

układów chłodzenia jest to, że użytkownicy przypominają sobie o nim dopiero w momencie wystąpienia awarii. A wtedy możemy mieć do czynienia ze swego rodzaju kumulacją usterek, które w efekcie końcowym doprowadziły do większej awarii. Czynności okresowe przeglądowe, takie jak chociażby kontrola czy wymiana płynu chłodzącego w praktyce bardzo rzadko lub wcale nie są wykonywane.

Najbardziej podstawowa metoda kontroli układu chłodzenia jest kontrola szczelności. Najpierw sprawdzamy wzrokowo cały układ chłodzenia, jeżeli mamy wątpliwości co do szczelności układu, to możemy podnieść ciśnienie w układzie podłączając pompkę – rysunek 22 w miejsce korka zbiornika wyrównawczego. Pamiętamy, żeby nie przekraczać maksymalnego ciśnienia pracy układu. Obserwujemy wskazania manometru podłączony do zbiorniczka wyrównawczego – przez 10 minut, jeżeli ciśnienie spada, oznacza to nieszczelnoś, którą musimy zlokalizować. Pamiętamy o elementach układu, które są niewidoczne pod maską – nagrzewnice wnętrza. Jeżeli nigdzie nie uda nam się zlokalizować nieszczelności, to możemy mieć do czynienia z nieszczelnością wewnątrz silnika – uszczelka pod głowicą lub z

nieszczelnością w jednym z podzespołów – wodna chłodnica oleju, chłodzenie zaworu EGR itp.

Kolejną metodą kontroli jest metoda organoleptyczna – dotykowa. Najlepiej taką kontrolę rozpocząć na zimnym silniku od sprawdzenia przewodów chłodzących poprzez ściskanie ich dłonią. Jeżeli wewnątrz przewodu jest ciecz, będziemy wyczuwać opór – „twardość” przewodu. Jeżeli przewód będzie miękki – „kapciowaty”, oznacza to, że wewnątrz jest pusty, czyli mamy do czynienie z niewłaściwym napełnieniem układu. Jeżeli kontrola przewodów wypadnie pozytywnie, to uruchamiamy silnik i obserwujemy, jak przebiega nagrzewanie się przewodów – na początku idących do termostatu, a po otwarciu termostatu idących do chłodnicy. Najważniejsze jest, czy w trakcie tej kontroli po otwarciu termostatu cała chłodnica się nagrzewa. Brak nagrzania całej chłodnicy lub równomiernego nagrzania chłodnicy oznacza, że układ jest zapowietrzony – źle napełniony lub mamy uszkodzoną chłodnicę. Podczas kontroli chłodnicy pamiętamy, żeby odłączyć wentylator lub dotykać chłodnicę od drugiej strony niż wentylator. Nagłe włączenie wentylatora może doprowadzić do amputacji kończyn.

Dodatek techniczny

13

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Kolejną kontrolą, jaką możemy przeprowadzić przy układach chłodzenia, jest sprawdzenie czystości elementów „oddających” energią – chłodnice, radiatory itp. Elementy te, aby prawidłowo pracować, oddawać energię muszą być czyste.

Bardzo często jest to zapominana kwestia. Jeżeli chłodnica, użebrowanie, radiator są brudne, to utrudnia to lub wręcz uniemożliwia przepływ powietrza przez element, czyli uniemożliwia chłodzenie.

Rysunek 23. Źródło: Intercars

Przy wszystkich powyższych kontrolach pomocny będzie termometr lub pirometr z sondą, dzięki któremu możemy dokładnie zmierzyć temperaturę danego elementu – radiatora.

Jedną z podstawowych kontroli, jaką należy przeprowadzi , jest temperatura krzepnięcia płynu chłodzącego. Najprościej wykonać ja za pomocą testera płynu chłodniczego – rysunek 23.

Przejdźmy teraz do omówienia poszczególnych elementów układów chłodzenia. Jednym z nielicznych wspólnych ważnych elementów występującym zarówno w układach chłodzonych cieczą, jak i powietrzem jest termostat – rysunek 24. Budowa i zasada działania termostatu w obu przypadkach jest identyczna. Termostat zbudowany jest z mieszka, w którym jest ciecz szybko wrząca. Termostat jest obmywany przez ciepły czynnik chłodzący – powietrze lub ciecz.

W momencie, kiedy temperatura czynnika chłodzącego osiąga temperaturę graniczna, ciecz w termostacie zaczyna wrzeć i parując wewnątrz mieszka, zwiększa jego objętość. Mieszek termostatu, rozszerzając się, otwiera przepływ

14

Dodatek techniczny

czynnika chłodzącego. Najczęstszą usterka termostatów jest rozszczelnienie się mieszka roboczego i ucieczka cieczy szybko wrzącej. W wyniku usterki termostat pozostaje na stałe w pozycji otwartej lub zamkniętej. Objawem będzie przegrzewanie się silnika w momencie, kiedy chłodnica pozostaje zimna lub notoryczne niedogrzewanie się silnika.

W razie wątpliwości, czy niedomaganie układu chłodzenia jest spowodowane przez złe działanie termostatu, możemy go sprawdzić w następujący sposób. W naczyniu z wodą umieszczamy termostat i termometr. Z charakterystyki termostatu musimy znać temperatury początku otwierania oraz pełnego otwarcia termostatu. Rozpoczynamy podgrzewanie wody obserwując termostat i wskazania termometru.

Rysunek 24. Źródło: Motointegrator

Kiedy termometr wskaże temperaturę rozpoczęcia otwierania termostatu, termostat powinien się otwierać. Przy temperaturze pełnego otwarcia, termostat powinien być w pełni otwarty. W przypadku stwierdzenia wady termostatu, wymieniamy go na nowy.

Kolejnym elementem występującym zarówno w układach chłodzenia pośrednich, jaki bezpośrednich są wentylatory - dmuchawy. Rola wentylatorów jest zwiększenie intensywności chłodzenia poprzez przyspieszenie przepływu powietrza. Rozróżniamy dwa rodzaje wentylatorów: promieniowe i osiowe. Wentylatory promieniowe – rysunek 25 tłoczą powietrze dzięki siłom odśrodkowym działającym na jego wirujące cząstki. Wentylatory promieniowe budową przypominają małą turbinkę, składają się z wirnika i obudowy.

Wirnik jest zbudowany z łopatek osadzonych na wale dmuchawy. Stosowane są one przeważnie do chłodzenia bezpośredniego silników.

Wentylatory osiowe – rysunek 26, nazywane są również dmuchawami osiowymi. Stosowane są głównie do chłodzenia chłodnic w układach pośrednich chłodzenia. Właściwą wydajność dmuchawy osiowe uzyskują przy dużej prędko-

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 25 Źródło: www.sklepecoheat.pl

Rysunek 26. Źródło: Motointegrator

ści obrotowej. Podstawowymi elementami dmuchawy osiowej są: wirnik i obudowa, która może być umieszczona przed lub za wirnikiem. Kształtem przypominają wiatrak pokojowy.

Dodatkowym zagadnieniem jest sposób napędu wentylatora. Najprostszym i najtańszym sposobem jest zamocowanie wentylatora bezpośrednio na czopie wału korbowego. Osadzenie wentylatora na wale korbowym umożliwia uzyskanie zwartej konstrukcji silnika. W tego typu konstrukcji wirnik wentylatora musi więc obracać się z tą samą prędkością, co wał korbowy silnika i to stanowi główną wadę takiego rozwiązania, ponieważ intensywność chłodzenia zależy od obrotów silnika. Przy małych obrotach silnika, np.: na biegu jałowym w korku, może wystąpić niedostateczne chłodzenie. Ponadto wentylator obraca się przez cały czas niezależnie od tego, czy jest taka potrzeba czy nie i obciąża silnik.

Jest to jedno z najstarszych rozwiązań. Kolejnym sposobem napędu wentylatora jest napędzanie go za pośrednictwem przekładni pasowej. Zastosowanie przekładni pasowej umożliwia nam zwiększenie obrotów dmuchawy, co jest bardzo korzystne i na tym nam zależy, ponieważ zwiększa to intensywność chłodzenia przy małych prędkościach obrotowych silnika. Wadą takiego rozwiązania jest nadal po-

wiązanie prędkości wentylatora z obrotami silnika, co wiąże się z pewną zmiennością intensywności chłodzenia oraz ciągłym obracaniem się wentylatora. W przypadku zerwania się paska tracimy możliwość chłodzenia poprzez wentylator.

Pewna ewolucją tego sposobu napędu wentylatora było zastosowania sprzęgła elektromagnetycznego, które załączało się w momencie, kiedy zachodziła potrzeba włączenia wentylatora. To rozwiązanie dawało możliwość sterowania momentem włączenia wentylatora oraz w przypadku, kiedy nie był on potrzebny silnik nie był obciążony. Najnowszym i stosowanym do dzisiaj sposobem napędu wentylatora jest napęd elektryczny. Silnik elektryczny daje pełną niezależność pracy wentylatora od obrotów silnika, ponadto umożliwia pracę wentylatora nawet podczas wyłączonego silnika. Dodatkowo obecnie stosowane wentylatory mają silniki elektryczne dwubiegowe. To znaczy w momencie normalnej pracy pracują na „pierwszym” biegu, a w momencie, kiedy pojawia się zapotrzebowanie na intensywniejsze chłodzenie, przełączają się na drugi bieg. Wentylatory mogą mieć dwa typy usterek – mechaniczne i elektryczne. Usterki mechaniczne są uszkodzenia mechaniczne, takie jak połamanie łopatek wirnika, pęknięcia obudowy, pęknięcia mocowania oraz bardzo ważne, a często pomijane niewyrównoważenie wirnika. Niewyrównoważenie będzie się objawiać drganiami podczas pracy przenoszonymi na obudowę i pozostałe elementy. Powoduje szybsze zużycie łożysk wirnika. Właśnie nadmierne luzy na łożyskach wirnika są kolejną częstą usterką wentylatorów. W każdym przypadku naprawa polega na wymianie zużytych bądź zepsutych części na nowe. W przypadku chłodzenia bezpośredniego należy zwrócić szczególną uwagę na szczelność obudowy układu chłodzenia, ponieważ każda nieszczelność zmniejsza sprawność układu chłodzenia. Usterki elektryczne należą do nich przebicia, zwarcia itp. Są typowymi usterkami, jakie mogą wystąpić w silniku elektrycznym. Diagnostykę przeprowadzamy za pomocą multimetru. Pamiętamy, że zawsze w przypadku podejrzenia co do usterki elektrycznej wentylatora należy sprawdzić, czy jego układ sterujący działa prawidłowo, tzn. czy wentylator otrzymuje napięcie i mimo to nie pracuje, czy brak jego pracy wynika z braku zasilania.

Kolejnym elementem jednoznacznie najbardziej kojarzącym się w układami chłodzenia jest chłodnica. Chłodnica – rysunek 27 nazywana również wymiennikiem ciepła, służy do schładzania cieczy – przepływającej przez nią. Ciecz przepływając przez chłodnice jest obmywana chłodnym powietrzem. Ze względu na budowę rozróżniamy chłodnice komorowe, powietrzno-rurkowe, wodno-rurkowe. We wszystkich chłodnicach ciecz płynie z góry na dół.

Chłodnice komorowe składają się ze zbiornika górnego i dolnego oraz łączącego je wymiennika ciepła. Wymiennik ciepła powinien mieć możliwie największą powierzchnie oddawania ciepła. W zależności od układu, w którym pracuje chłodnica komorowa, jej górna część może być wyposażona w przewód przelewowy w przypadku układu otwartego lub w dwa zawory podciśnieniowy i nadciśnieniowy w przy-

Dodatek techniczny

15

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje? uszkodzenia mechaniczne są najczęstszą usterką występującą w przypadku chłodnic. W przypadku podejrzenia wycieku z chłodnicy możemy poddać ją próbie ciśnieniowej w celu sprawdzenia szczelności i wykrycia ewentualnych przecieków. Próbę ciśnieniową przeprowadzamy w sposób opisany na początku tego rozdziału. Jeżeli zlokalizujemy nieszczelność, możemy dokonać naprawy według potrzeb poprzez klejenie lub lutowanie.

Rysunek 27. Źródło: Motointegrator

padku układu zamkniętego. Obecnie z reguły oba te zawory znajdują się w korku zbiorniczka wyrównującego. Zadaniem zaworu nadciśnieniowego jest zabezpieczenie układu przed rozerwaniem chłodnicy lub innych elementów w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia wewnątrz układu. Zadaniem zaworu podciśnieniowy jest zabezpieczenie chłodnicy i pozostałych elementów układu chłodzącego przez implozją - zassaniem w wyniku przypadku szybkiego stygnięcia.

Dzięki umieszczeniu obu tych zaworów w korku zbiorniczka wyrównawczego zapewniony jest stały poziom cieczy chłodzącej w układzie. Jeżeli pojawia się nadciśnienie, nadmiar cieczy chłodzącej trafia do zbiorniczka wyrównawczego. Jeżeli pojawia się podciśnienie w układzie, ciecz chłodząca jest zasysana do układu ze zbiorniczka wyrównawczego. Chłodnice komorowe są obecnie najpopularniejszym rodzajem chłodnic stosowanym w samochodach.

Chłodnice powietrzno-rurkowe zbudowane są z dużej ilości rurek, którymi płynie powietrze chłodzące, a rurki te są obmywane przez rozgrzaną ciecz chłodząca. Chłodnica ta ma zbliżoną konstrukcję do chłodnicy komorowej, różnią się tylko wymiennikiem ciepła, stąd wzięła się nazwa, ponieważ wymiennik ciepła składa się z rurek. Chłodnice powietrzno-rurkowe nazywane są również ulowymi.

Chłodnice wodno-rurkowe składają się z rurek, które posiadają użebrowanie. W rurkach płynie ciecz chłodząca, a rurki są omywane przez powietrze. Generalna zasada budowy jest taka sama jak w poprzednich przypadkach.

W obecnie produkowanych chłodnicach cieczy chłodzącej coraz częściej można spotkać zbiorniki górne i dolne wykonane z tworzyw sztucznych. Natomiast wymienniki chłodnic są wykonywane z cienkich miedzianych, mosiężnych lub aluminiowych rurek i blach ze względu na wymaganą odporność na korozję oraz przewodność cieplną. Jedyną wadą chłodnic, której nie dało się uniknąć w ich konstrukcji, jest mała odporność na uszkodzenia mechaniczne. I właśnie

16

Dodatek techniczny

Sercem współczesnych układów chłodzenia jest pompa cieczy chłodzącej nazywana potocznie pompą wody. W układach z wymuszonym obiegiem cieczy chłodzącej jest to element niezbędny. W motoryzacji możemy się spotkać z kilkoma rodzajami pomp wodnych. Najpopularniejszą z nich jest pompa odśrodkowa – rysunek 28. Pompa odśrodkowa wykorzystuję siłę odśrodkową, która w momencie obracania się wirnika powoduje wypieranie na zewnątrz obudowy cieczy znajdującej się w wirniki. Dzięki temu wewnątrz wirnika tworzy się podciśnienie, które zasysa ciecz chłodzącą i znowu ciecz wyrzucona z dużą siłą na obwód zewnętrzny obudowy przemieszcza się po niej zgodnie z ruchem wirnika do momentu, kiedy napotka wylot. Jedyną wada pompy jest to, że do prawidłowej pracy potrzebuje dość wysokich obrotów. Przez co pompy odśrodkowe mogą być stosowane w silnikach szybko i średnioobrotowych.

Rysunek 28. Źródło: Motointegrator

Rzadziej jako pompy wodne w silnikach można spotkać pompy zębate, które powszechnie są stosowane jako pompy oleju. Pompa zębata jest zbudowana z obudowy, wewnątrz której obracają się dwa koła zębate ściśle ze sobą współpracujące. Koła zębate szczelnie wypełniają obudowę jest to warunek konieczny prawidłowej pracy pompy, inaczej pompa nie będzie pompować. Czynnik chłodzący w pompach zębatych jest pompowany - przenoszony w przestrzeniach jakie się tworzą pomiędzy obudową a szczelinami międzyzębowymi w obu kołach na raz. Obecnie prawie

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje? już niespotykanym rozwiązaniem jest stosowanie pompy tłokowej jako pompy wodnej. Są to pompy, w których za pompowanie cieczy chłodzącej odpowiada ruch posuwisto-zwrotny tłoka. Pompy takie mogą być jednostronnego lub dwustronnego działania. Pompy tłokowe stosujemy do silników niskoobrotowych bardzo rzadko już dzisiaj spotykanych. Do najczęstszych usterek pomp wodnych niezależnie od ich rodzaju należą wycieki. Zdarzają się również usterki polegające na urwania się wirnika pompy wody. Obecnie ze względu na bardzo dużą pracochłonność związaną z wymianą pompy wody oraz znaczące koszty części zamiennych wymienianych przy okazji demontażu pompy wody nie praktykuje się napraw uszczelnień pompy wody lub wymian jej elementów. Przyjęło się za dobrą praktykę profilaktyczną wymianę pompy wody przy okazji wymiany paska rozrządu. Objawem uszkodzenia wirnika pompy wody będzie nadmierne nagrzewanie się silnika spowodowane niedostatecznym obiegiem cieczy chłodzącej. Wspominając o pasku rozrządu, weszliśmy w zagadnienie sposobu napędu pompy wodnej. Rzeczywiście najpopularniejszym sposobem napędu pompy wody jest napędzanie jej przez pasek rozrządu. Koło zębate pompy wody stanowi jedno z kół, po których porusza się pasek rozrządu. Zaletą tego rozwiązania jest prostota i niezawodność. Największą wadą jest wspomniana już pracochłonność podczas wymiany. Drugą metoda napędu pompy wodnej jest napęd pompy poprzez pasek klinowy. Zaletą tego rozwiązania jest prostota i łatwy

Rysunek 29. Źródło: Motointegrator

dostęp do pompy. Istnieje również możliwość zastosowania sprzęgła elektromagnetycznego dającego możliwość sterowania pracą pompy w zależności o zapotrzebowania silnika na przepływ cieczy chłodzącej. Dzięki zastosowaniu sprzęgła elektromagnetycznego istnieje możliwość późniejszego włączenia pompy w przypadku zimnego silnika, dzięki czemu silnik szybciej się nagrzewa. Ze względu na coraz większą liczbę aut z systemem gaszącym silnik na światłach lub podczas dłuższego postoju coraz częściej montowane są w

Rysunek 30. Źródło: BMW

Dodatek techniczny

17

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje? silnikach elektryczne pompy cieczy chłodzącej. Na rysunku 29 przedstawiony przykładowy widok zewnętrzny elektrycznej pompy cieczy chłodzącej.

Na kolejnym rysunku 30 przedstawiony jest przekrój elektrycznej pompy cieczy chłodzącej stosowanej w silnikach BMW. Na przekroju cyfrą 1 mamy oznaczoną część mechaniczną pompy – wirnik. Cyfrą 2 oznaczony jest silnik elektryczny pompy. Należy zwrócić uwagę na fakt, że silnik chłodzony jest również cieczą chłodzącą, którą pompuje pompa. Cyfra 3 oznaczona jest elektronika sterująca pompą.

Tego typu pompy należą do wydajnych urządzeń, przedstawiona na schemacie pompa popiera 400 W i jest w stanie przepompować 9000 litrów w ciągu godziny. Dla lepszego zobrazowania taka pompa jest w stanie zatankować do pełna w ciągu godziny około 200 średniej klasy samochodów osobowych.

Rysunek 31. Źródło: BMW

18

Dodatek techniczny

Są dwa kluczowe argumenty za stosowaniem takiego rozwiązania. Pierwszy z nich to zapewnienie ciągłości chłodzenia silnika, a drugi argument to komfort cieplny pasażerów.

Rozpatrzmy pierwszy argument. Wyobraźmy sobie sytuację, że w upalny dzień jedziemy dynamicznie górską drogą i nagle spotykamy skrzyżowanie ze światłami. Zatrzymujemy się, system wyłącza silnik i co się dalej dzieje w naszym silniku. Ściany cylindrów i głowicą są mocno nagrzane, a ciecz chłodząca przestaje krążyć. W silniku znajduje się stosunkowo niewiele płynu chłodzącego, bo około 3 litrów, który jest nagrzany do temperatury pracy. Podczas 2-minutowego postoju na światłach mogłoby nastąpić zagotowanie płynu lub co gorsze lokalne wrzenie płynu chłodzącego wewnątrz bloku silnika – wytworzenie się bąbli powietrza. W miejscu bąbla powietrznego tuleja cylindrowa traci całkowicie chłodzenie.

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

Rysunek 32. Źródło: Internet

Zastosowanie elektrycznej pompki wodnej powoduje utrzymanie ruchu cieczy chłodzącej w silniku, czyli ciągłość chłodzenia jest zachowana. Teraz drugi argument mówiący o komforcie podróżnych. Podczas jazdy zimą w trakcie częstych postoi wnętrze pojazdu byłoby praktycznie pozbawione ogrzewania. Tutaj również zastosowanie elektrycznej pompki powoduje utrzymanie ciągłości ogrzewania wnętrza. Niejako efektem ubocznym zastosowania elektrycznych pomp wody jest uzyskanie systemu będącego w stanie chłodzić nam efektywnie silnik pojazdu po jego zatrzymaniu. Dzieje się tak dzięki elektrycznemu napędowi pompy wody oraz wentylatora chłodnicy. Oba te elementy mogą pracować niezależnie od pracy silnika, dzięki czemu dbają o schłodzenia silnika i jego podzespołów (turbosprężarka) po jeździe. Drugim efektem ubocznym zastosowania elektrycznych pomp wody jest uzyskanie swego rodzaju ogrzewania postojowego, które po zatrzymaniu pojazdu korzysta z ciepła nagromadzonego w silniku.

Podsumowując ten rozdział w celu zebrania w całość wszystkich omawianych wcześniej elementów układu chłodzenia pośredniego o wymuszonym obiegu zamkniętym, przeanalizujmy schemat układu chłodzenia jednego z obecnie produkowanych modeli BMW – rysunek 31.

chłodzenia, 8 – turbosprężarki, 9 – nagrzewnica wnętrza, 10 – czujnik temperatury cieczy w głowicy, 11 – termostat układu chłodzenia olej silnikowy, 12 – zbiornik wyrównawczy cieczy chłodzącej, 13 – przelew do zbiorniczka wyrównawczego, 14 – chłodnica oleju w skrzyni biegów, 15 – wentylator. Z opisu wynika, że są dwie chłodnice oleju silnikowego, druga chłodnica uruchamiana jest przez termostat w momencie, kiedy pierwsza nie wystarcza. Również dla utrwalenia na rysunku 32 przedstawiony jest schematyczny przekrój silnika z zaznaczonymi przybliżonymi temperaturami i sposobami chłodzenia poszczególne obszarów – części silnika.

Jest to układ chłodzenia silnik sześciocylindrowego posiadającego dwie turbosprężarki. Oznaczenie poszczególnych elementów na schemacie to 1 – chłodnica cieczy chłodzącej, 2 – chłodnica oleju skrzyni biegów, 3 – czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 4 – chłodnica oleju silnikowego, 5 – termostat układu chłodzenia olej w skrzyni biegów, 6 – termostat układu chłodzenia silnik, 7 – elektryczna pompa

W przypadku chłodzenia bezpośredniego mamy do czynienia z jednym czynnikiem chłodzącym, jakim jest powietrze atmosferyczne, które nas wszystkich otacza. Jego właściwości są powszechnie znane i nie wymagają szczegółowej charakterystyki. Wspomnieć należy tylko o tym, że jego zdolności chłodzenia wzrastają wraz ze wzrostem wilgotności względnej.

5. Czynniki pracujące w układach chłodzenia

Dodatek techniczny

19

Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?

W przypadku chłodzenia pośredniego mamy do czynienia z cieczą chłodzącą. Ciecz chłodząca musi spełniać pewne podstawowe warunki. Ciecz chłodząca powinna być obojętna chemicznie, nie może reagować z materiałami, z których wykonane są elementy układu chłodzenia oraz silnik.

Wskazana jest możliwie maksymalnie wysoka temperatura wrzenia oraz maksymalnie niska temperatura krzepnięcia. Te własności wpływają na ilość odparowującej cieczy chłodzącej podczas normalnej pracy silnika, jak również zwiększają możliwości pełnego obciążenia cieplnego silnika.

Obecnie stosujemy trzy najpopularniejsze rodzaje cieczy chłodzących. Są to mieszaniny wodno-glikolowe, wodno-spirytusowe oraz wodno-spirytusowo-glicerynowe. Płyny chłodzące zawierają różne dodatki uszlachetniające, antykorozyjne, stabilizatory, środki przeciwapienne itp. Należy pamiętać, że w przypadku rozcieńczania koncentratu płynu chłodzącego obowiązkowo stosujemy tylko wodę demineralizowaną.

:::: :::: ::::

6. Podsumowanie Temat układów chłodzenia jest bardzo szeroki i rozbudowany. Niniejszy artykuł, pomimo że dość obszerny, stanowi niejako jedynie wstęp do całej problematyki związanej z obsługą oraz naprawą samochodowych układów chłodzenia. W opracowaniu zostały wstępnie omówione zagadnienia, które można zgłębić, uczestnicząc w szkoleniach tematycznych zarówno teoretycznych, jak i praktycznych organizowanych przez dział wsparcia technicznego Inter Cars. Również w przypadku problemów lub pytań związanych z samochodowymi układami chłodzenia pojawiającymi się w codziennej pracy warsztatowej zawsze można się zwrócić o pomoc do działu wsparcia technicznego. Zarówno w kwestii szkoleń, jak i codziennego wsparcia jesteśmy do Państwa dyspozycji drogą telefoniczną lub mailową.

HELP DESK techniczny Trzy formy kontaktu: • zgłaszanie pytań przez IC_Katalog • e-mail helpdesk@intercars.eu • infolinia 801 80 20 20 wew. 5

Zakres informacji obejmuje m.in.:

• diagnostykę • ustawienia rozrządu • instrukcje napraw i wymiany • dane techniczne, regulacyjne i naprawcze • kasowanie inspekcji olejowej • schematy elektryczne • kody błędów oraz wiele innych zagadnień…

Oferujemy także pomoc w diagnozowaniu usterek i rozwiązywaniu różnych problemów technicznych.

801 80 20 20 wew. 5 helpdesk@intercars.eu 20

Dodatek techniczny