Ликбез. Системы охлаждения. Ни холодно, ни жарко

«Существующие конструкции систем охлаждения — каменный век!» Так считает Алексей Михайлович Березин, к.т.н., ведущий инженер бюро ДВС АООТ «ТОР»

«Существующие конструкции систем охлаждения — каменный век!» Так считает Алексей Михайлович Березин, к.т.н., ведущий инженер бюро ДВС АООТ «ТОР» (в прошлом — 4-й ленинградский таксопарк). Оказывается, разброса температурных параметров двигателя, инерционности срабатывания электровентилятора вполне можно избежать.

«Термостабилизация двигателя — важнейший фактор увеличения его моторесурса. Как известно, при сгорании топлива в цилиндре мотора лишь около 33% полученной энергии превращается в механическую работу, остальное количество выделяется в атмосферу с выпускными газами, через охлаждающую жидкость и масло.

Наиболее нагруженной является система охлаждения. В современных отечественных автомобилях — из-за неоптимально организованного подвода и отвода охлаждающего радиатор воздуха, что приводит к перегреву двигателя. Показательным примером в этом смысле является «Газель» (например, ГАЗ 32213), хотя и ВАЗы, и новый УАЗ, и «Волга» ушли недалеко.

Особенно опасны перегревы для алюминиевых деталей, которые подвержены деформациям больше, чем чугунные. Проблема становится актуальнее при работе двигателя на холостом ходу, т.к. производительность насоса охлаждающей жидкости резко падает. Выходом является подача более холодной охлаждающей жидкости, а осуществимо это при организации более интенсивного подвода и отвода воздуха к радиатору.

Одним из решений проблем, связанных с охлаждением, является использование в механическом вентиляторе автоматических муфт с различным принципом включения и чувствительного элемента. Это фрикционные муфты, так называемые термомуфты; гидравлические — с высоковязкой силиконовой (кремнийорганической) жидкостью и масляные, подключаемые к системе смазки двигателя. В термо- и силиконовых муфтах чувствительным элементом служит биметаллическая пружина или пластина в самой муфте, а в масляных — элемент, подобный элементу термостата и встраиваемый в систему охлаждения. Все они имеют значительную инерционность и оказывают дополнительные нагрузки на подшипники насоса.

Как и простые механические вентиляторы, их применяют только тогда, когда радиатор стоит перпендикулярно двигателю. Применение электровентиляторов вместо механических, с их приводом от коленчатого вала, упрощает решение проблемы. Но возникает вопрос размещения датчика, управляющего работой электровентилятора. На полке радиатора — неоптимально, как и сам принцип получения сигнала. Точность реагирования применяемого биметаллического датчика на два порядка ниже, чем полупроводникового терморезисторного, стоящего в головке блока, используемого для показывающего прибора. Также на два порядка повышается скорость реагирования на изменение температурного режима при снятии управляющего сигнала со штатного датчика в головке блока.

Нами разработан и успешно применяется на автомобилях нашего предприятия ТОP-1 — электронный блок управления электровентилятором системы охлаждения, причем блок позволяет корректировать температуру включения под конкретные термостат и двигатель. (Кстати, при использовании микропроцессорных систем зажигания и впрыска датчик температуры стоит на выходе охлаждающей жидкости из головки блока.)

Основную функцию поддержания оптимальной температуры двигателя выполняет термостат, инерционность которого еще выше, чем у биметаллического датчика, что приводит к отставанию реагирования на изменение температурного режима. Как показали испытания, модернизированная система управления корректирует этот недостаток при работе двигателя в любых режимах. Например, на «Волге» ГАЗ-3110 с двигателем типа 402 со штатной системой управления и охлаждения, с горизонтально-трубчатым радиатором (имеющим большее гидравлическое сопротивление по сравнению с вертикально-трубчатым) при температуре наружного воздуха -7 °С электровентилятор работал 120 секунд. При модернизированной системе управления и снятом приводном вентиляторе время работы сократилось до 26 секунд. Снижение механических потерь на привод вентилятора увеличило обороты холостого хода с 630 до 690 в минуту, т.е. на 9,5%. (Кстати, при тюнинге любого из ВАЗов — а система контроля перегрева не предусмотрена даже на дорогих моделях — блок может использоваться для контроля перегрева.)

На машинах с постоянно действующим вентилятором (ЗиЛ «Бычок», МАЗ, «Нива» и др.) с помощью электровентилятора можно сразу решить вопросы непрогрева двигателя и недостаточного отопления кабины (когда отопительные системы - радиаторы отопления включены). Блок ТОР-1 может использоваться и как предельный выключатель двигателя по температуре, что особенно важно при коммерческом использовании машины (квалификация многих водителей очень низка и перегревы двигателя по недосмотру — обычное явление).

Рассмотрим вопрос границ срабатывания (т.е. включения и выключения) блока. У штатного датчика ТМ-108 они лежат в пределах 5°С, поскольку обеспечить меньший параметр биметаллическому датчику достаточно сложно. Нами выбран предел в 2 градуса — характеристика штатного терморезисторного датчика ТМ-106 обеспечивает такую точность. Небольшой перепад сокращает время постоянной работы электровентилятора в 2,5 раза, во столько же раз снижается износ коллектора и щеток двигателя. Сокращается время работы двигателя с нагрузкой от электровентилятора, т.е. с неоптимальным качеством смеси в режиме холостого хода в карбюраторных моторах и увеличением цикловой подачи в двигателях с системой впрыска.

При начале движения, когда радиатор начинает интенсивно охлаждаться потоком набегающего воздуха, температура охлаждающей жидкости быстро снижается на 2 градуса и блок выключает электровентилятор. До температуры, которую поддерживает термостат, охлаждение происходит за счет скоростного напора, тогда как штатный датчик продолжает оставаться включенным, обеспечивая снижение на 5 градусов (в двигателях с микропроцессорным управлением в программе, «командующей» работой электровентилятора радиатора, записаны такие же параметры, как и у биметаллического датчика). При остановке машины и работе двигателя в режиме холостого хода происходит обратный процесс, при котором штатный датчик завышает температуру охлаждающей жидкости (и масла в системе смазки).

В двигателях типа 2108 и 406 температура включения электровентилятора 99 (плюс-минус 3)°С, а термостат поддерживает температуру около 94 градусов, поэтому включение электровентилятора при повышенной температуре охлаждающей жидкости приводит к повышению внутреннего давления в чувствительном элементе термостата и увеличивает вероятность выхода его из строя.

Нужно учитывать и то, что при остановке машины и режиме холостого хода охлаждения масляного поддона не происходит, температура масла растет, достигая 110-120 градусов (при 23-28 °С наружного воздуха). Это приводит к снижению давления масла, масляному голоданию перегретых трущихся поверхностей, старению и коксованию масла (в чем можно легко убедиться, посмотрев на внутреннюю поверхность клапанной крышки).

Таким же образом происходит постоянная раскачка по температуре деталей двигателя. Нами обнаружено, что при движении под нагрузкой возникают ситуации, когда наш электронный блок включает электровентилятор, т.е. регистрирует повышение температуры двигателя, а штатный датчик не реагирует на такое изменение температуры. В традиционной системе охлаждения происходит хоть и небольшой, но термоудар. Таких термоударов во время эксплуатации случается огромное количество, что в конечном итоге приводит к более быстрому старению охлаждающей жидкости и, соответственно, к снижению моторесурса двигателя.

Наиболее заметен дефект на двигателях с большим диаметром цилиндров (как легковых, так и грузовых машин). Это связано с габаритами двигателя, плохой гидродинамикой внутренних полостей, а также с неоптимальной конструкцией насоса охлаждающей жидкости. Кстати, плохое распределение жидкости по блоку присуще не только нашим двигателям, но и большинству зарубежных. Таким образом, ТОР-1 выполняет функцию точного термостатического демпфера.

Есть и еще одно положительное свойство у нашего блока. Опытный водитель постоянно контролирует состояние систем двигателя и, когда видит, что температура приближается к зоне перегрева или ста градусам, напряженно ждет включения электровентилятора. Включившись, вентилятор начинает раздражать длительной работой. При выбранных нами границах включения-выключения блок работает в режиме, наиболее приятном для водителя. Снимается дополнительное нервное напряжение, что, естественно, повышает комфортность и безопасность управления машиной».