Как уже указывалось, при сгорании топлива температура газов в камере
сгорания цилиндра двигателя поднимается примерно до 2000°. Правда, такая
высокая температура газов сохраняется недолго, так как сгорание рабочей
смеси в цилиндре и в пространстве цилиндра, в поршне, вблизи в. м. т.
При последующем расширении продуктов сгорания их давление и температура
внутри цилиндра резко снижаются; к концу расширения температура газов
падает до 500-600°. В течение вспомогательных тактов температура газов
внутри цилиндра сравнительно невысока: к концу выпуска 200°, при впуске
100° и к концу сжатия до 350°.
Таким образом, температура газов внутри цилиндра двигателя на протяжении
рабочего цикла непрерывно меняется, но в среднем остается сравнительно
высокой.
Современные автомобильные двигатели развивают наибольшую мощность при
3600-4500 об/мин коленчатого вала.
У таких двигателей (работающих по четырехтактному циклу) при отдаче
наибольшей мощности сгорание топлива в каждом цилиндре происходит
1800-2250 раз в минуту. Нагреваясь, детали двигателя расширяются, что
может вызвать заклинивание или поломку движущихся частей.
Напомним физический опыт, при котором холодный металлический шарик легко
проходит через проволочное кольцо, но тот же шарик в нагретом состоянии
в это кольцо не проходит. Не трудно видеть, что поршень и цилиндр
двигателя подобны шарику и кольцу в упомянутом опыте и что при работе
двигателя по мере его нагревания поршень расширится настолько, что не
сможет двигаться по цилиндру и поршень, как говорят, <заклинит>. Если
этого и не произойдет, то при сильном нагреве деталей двигателя смазка
выгорает, вследствие чего трущиеся поверхности деталей усиленно
изнашиваются.
Чтобы избежать недопустимого нагрева деталей двигателя (особенно
цилиндра, поршня и клапанов), их необходимо охлаждать. Охлаждать
двигатель - значит отводить тепло от его нагревающихся деталей. Для
этого стенки цилиндра и его головки можно снабдить ребрами,
увеличивающими поверхность соприкосновения с воздухом. При работе
двигателя нагревающиеся стенки цилиндра будут отдавать тепло ребрам,
которые в свою очередь будут отдавать тепло окружающему воздуху. Для
лучшего охлаждения можно создать движение воздуха около ребер цилиндра,
например, установив перед цилиндром вентилятор.
Воздушное охлаждение широко применяется на мотоциклетных двигателях, у
которых обеспечен интенсивный обдув цилиндров воздухом при движении
мотоцикла. Воздушное охлаждение можно применять и для автомобильных
двигателей сравнительно малой мощности или для мощных двигателей при
условии очень хорошего обдува каждого цилиндра сильной струей воздуха.
Но так как автомобильный двигатель обычно имеет 4, 6 цилиндров или
более, расположенных в один продольный ряд и закрытых капотом, то в этих
условиях воздушное охлаждение без мощного вентилятора не дает нужного
эффекта и поэтому не получило широкого распространения.
Охлаждение
При охлаждении двигателя водой цилиндр и его головка должны быть
выполнены с двойными стенками (рубашкой), полость между которыми
заполнена водой. Таким образом, вода, окружая стенки цилиндра, отнимает
от них тепло при работе двигателя. Водяные рубашки головки и цилиндра
двигателя вмещают сравнительно небольшое количество воды. При работе
двигателя вода в небольшом количестве быстро нагреется, закипит и может
выкипеть полностью. Чтобы не нарушить работу системы охлаждения, надо
увеличить количество охлаждающей воды (емкость рубашки цилиндра) или
охлаждать воду, нагревающуюся в рубашке цилиндра.
Радиатор состоит из верхнего и нижнего резервуаров (баков), соединенных
между собой большим количеством узких трубок. Горячая вода из рубашек
цилиндров поступает в верхний резервуар, а из него по трубкам проходит в
нижний резервуар.
Разделенная на тонкие струйки вода отдает свое тепло стенкам трубок, так
как соприкасается с ними по большой поверхности. Охлаждение струек воды
в узких трубках усиливается еще и тем, что трубки пропущены через
поперечные пластины и спаяны с ними. Таким образом, пластины служат
охлаждающими ребрами для трубок и одновременно скрепляют их, образуя
сердцевину радиатора.
Тепло, заключенное в охлаждающей двигатель воде, передается через стенки
трубок радиатора на их ребра и рассеивается последними в окружающий
воздух. Для усиления отвода тепла от сердцевины радиатора сзади него
устанавливают вентилятор, получающий движение от коленчатого вала
двигателя. Вентилятор прогоняет воздух через сердцевину радиатора с
большой скоростью, что обеспечивает интенсивное его охлаждение.
Чтобы непрерывно охлаждать нагревающуюся в рубашке цилиндра воду,
очевидно, необходимо также непрерывно пропускать ее через радиатор.
У двигателей современных автомобилей получила преимущественное
распространение система с принудительным движением (циркуляцией) воды
через радиатор.
Чтобы получить надежную принудительную циркуляцию воды, в системе
охлаждения применяется центробежный насос. Центробежный насос получает
движение от коленчатого вала двигателя и создает напор, заставляющий
воду интенсивно циркулировать в системе охлаждения независимо от
температуры нагрева воды.
Центробежный насос, название, на использовании действия центробежной
силы. Действие этой силы можно демонстрировать на простых примерах. При
движении по окружности какого-либо предмета, удерживаемого на веревке в
руке (фиг. 42, а), на него действует центробежная сила, стремящаяся
отбросить его от центра вращения. Если веревка оборвется или ее просто
выпустят из руки, то вращающийся предмет будет отброшен центробежной
силой в направлении линии, касательной к окружности. Приведем другой
пример. Если на край вращающегося диска положить какой-либо предмет, он
будет сброшен с диска в направлении по касательной линии.
Фиг. 42. Примеры, поясняющие принцип работы
центробежного водяного насоса.
Точно так же, если лить воду на край вращающегося диска, то вода
будет отбрасываться от центра в направлении линии, касательной к
окружности (фиг. 42, б). Если рассмотренный выше диск снабдить ребрами,
направленными по радиусам, и повторить опыт с водой, то можно будет
видеть, что вода с еще большей силой отбрасывается от центра по
касательной к окружности (фиг. 42, в). Объясняется это тем, что ребра не
позволяют всей массе воды растекаться по плоскости диска и образуют как
бы направляющие каналы, что увеличивают потоки воды.
Фиг. 43. Система охлаждения двигателя с
принудительной циркуляцией воды.
В центробежном насосе жидкость подается в центр вращающегося диска с
ребрами - крыльчатки. При этом ребра крыльчатки, называемые в данном
случае лопастями, могут быть прямыми (радиальными) или изогнутыми.
Вода, подаваемая в центр крыльчатки (фиг. 42, г), при вращении ее
отбрасывается центробежной силой с лопастей в отводящий патрубок,
расположенный в корпусе насоса в направлении по касательной линии к
окружности крыльчатки. Таким образом, при вращении крыльчатки вода,
поступающая в насос, будет непрерывно выбрасываться под напором в
отводящий патрубок.
Система водяного охлаждения с принудительной циркуляцией от
центробежного насоса работает следующим образом (фиг. 43). Вода,
охлажденная в радиаторе 5, самотеком поступает в центр крыльчатки
центробежного насоса 8 по трубопроводу 7. При работе двигателя
крыльчатка насоса гонит воду под напором 6 трубу 9, вставленную внутрь
водяной рубашки / блока цилиндров. Входное отверстие трубы 9 расположено
у края крыльчатки и направлено по касательной к ее внешней окружности, с
противоположного конца труба 9 закрыта. Под напором центробежного насоса
холодная вода выходит через прорези в стенке трубы 9 и подается сначала
на поверхности наиболее нагретых мест блока (каналы выпускных клапанов),
а затем в рубашки / блока и 2 головки блока цилиндров. Охладив стенки
цилиндров и камер сгорания и нагревшись, вода проходит через клапан 3.
Описанный круг циркуляции воды повторяется.
Крыльчатка 8 центробежного насоса приводится в движение через ременную
передачу от коленчатого вала двигателя, при этом одновременно приводится
во вращение и вентилятор 6, закрепленный па валике крыльчатки.
Упомянутый выше прибор - термостат - предназначен для автоматического
регулирования температуры воды в системе охлаждения в наивыгоднейших
пределах, а также для ускорения прогрева двигателя после его пуска.
Необходимость установки термостата в систему охлаждения вызвана тем, что
излишнее охлаждение двигателя так же вредно, как и его перегрев.
При излишнем охлаждении двигателя поступающая в цилиндр при такте впуска
горючая смесь соприкасается с холодными стенками цилиндра и
конденсируется (сгущается); топливо, содержащееся в горючей смеси в виде
пара, от охлаждения снова обратится в жидкость и будет каплями
осаждаться на стенках цилиндра. При движении поршня капли топлива будут
смывать масло со стенок цилиндра, а также проникать через поршневые
кольца в картер и разжижать находящееся в нем масло. В результате
ухудшения качества масла и уменьшения па стенках цилиндра его количества
увеличится трение и износ наиболее ответственных и дорогостоящих деталей
двигателя.
Кроме того, переохлажденный двигатель не развивает полной мощности и в
то же время расходует повышенное количество топлива.
Установлено, что наилучшие тепловые условия для работы двигателя
(наименьший износ, лучшая экономичность и др.) создаются, если вода в
системе охлаждения нагрета до температуры 75-90° (при входе в радиатор).
Следовательно, при пуске двигателя, для предупреждения недопустимого его
износа, необходимо возможно быстро прогреть двигатель до такого
состояния, когда температура воды в рубашке головки блока цилиндров
будет не ниже 75°; только после этого автомобиль может начинать
движение. При дальнейшей работе двигателя под нагрузкой температура воды
в системе охлаждения должна поддерживаться в пределах 75-90°.
Термостат
Термостат (фиг. 44) состоит из клапана 2 со штоком, седла 3 клапана и
гофрированного (в форме гармошки) пустотелого цилиндра 1. Цилиндр
термостата заполнен примерно на V4-73 высоты легко испаряющейся
жидкостью - спиртом. Когда вода в системе охлаждения имеет низкую
температуру, пары спирта в цилиндре термостата занимают наименьший
объем- и цилиндр находится в сжатом состоянии (имеет наименьшую высоту):
При этом клапан 2, соединенный с днищем цилиндра термостата, закрывает
отверстие в седле 3. После пуска двигателя, пока вода не нагреется
достаточно, клапан термостата закрыт и не пропускает циркуляцию воды в
системе охлаждения. Вследствие этого вода в рубашках блока и головки
блока цилиндров быстро нагревается и, в свою очередь, нагревает цилиндр
термостата. Спирт, заполняющий цилиндр термостата, интенсивно испаряется
и под давлением его паров гофрированный цилиндр 1 растягивается.
Вследствие этого соединенный с днищем цилиндра клапан 2 приподнимается
над седлом и нагретая вода свободно устремляется в радиатор; в системе
охлаждения устанавливается циркуляция воды.
Фиг. 44. Устройство и работа термостата.
Если при дальнейшей работе двигателя под нагрузкой по какой-либо
причине произойдет понижение температуры охлаждающей воды (например
вследствие уменьшения нагрузки двигателя, резкого снижения температуры
наружного воздуха, появления сильного встречного ветра и т. п.), то
клапан термостата начнет прикрываться. Это произойдет потому, что' с
понижением температуры воды понизится и температура цилиндра термостата,
а следовательно, уменьшится давление паров спирта внутри цилиндра. Под
действием упругих сил гофрированный цилиндр сожмется (по высоте) и
клапан уменьшит проходное сечение в седле для прохода воды. Скорость
циркуляции воды в системе уменьшится, вода в радиаторе будет охлаждаться
медленнее, а температура воды в рубашках блока и головки блока цилиндров
соответственно повысится.
Если температура охлаждающей воды упадет до 75°, то клапан термостата
закроется полностью, прекращая этим циркуляцию воды в системе.
Таким образом, при изменении теплового состояния двигателя клапан
термостата изменяет сечение проходного отверстия в седле и этим
уменьшает или увеличивает скорость циркуляции воды, автоматически
поддерживая ее температуру в наивыгоднейших пределах (75-90°).
Познакомившись с общим устройством и работой системы охлаждения,
рассмотрим более подробно устройство этих систем двигателей советских
легковых автомобилей.
