Радиатор - ключевой элемент системы охлаждения автомобильного двигателя

Охлаждение двигателя - важнейший процесс, без которого невозможно исправное функционирование агрегата в соответствии с заводскими настройками и заявленными производителем характеристиками. А ключевым компонентом системы охлаждения, отвечающим за рассеивание избыточного тепла, является радиатор, или если говорить более корректно с точки зрения технической терминологии - теплообменник.

У специалистов вряд ли когда-либо возникал вопрос, зачем необходимо охлаждение двигателя. Температура сгорания более 2500 градусов, трение движущихся частей в нагретом двигателе - ответ, в принципе, очевиден. В общем виде функционал системы охлаждения можно представить так:

•  Передача тепла от двигателя на охлаждающую жидкость системы и ее отводов внутри блоков и головок цилиндров и т.п.

•  Передача тепла от охлаждающей жидкости на окружающий воздух через теплообменник - радиатор охлаждения.

•  Поддержание насосом потока охлаждающей жидкости, чтобы обеспечить при всех обстоятельствах необходимый ток жидкости и воздуха внутри системы охлаждения.

•  Управление температурой охлаждающей жидкости - во-первых, наибыстрейший возврат температуры двигателя к оптимальной температуре; во-вторых, контроль выхлопных газов в силу более эффективного управления температурой жидкости охлаждения и поддержания температуры двигателя в оптимальных пределах.

•  Удаление пузырьков газа в контуре дегазации (поддержание оптимальных условий теплопередачи посредством охлаждающей жидкости - отсутствие газа или скопления паров).

• Теплоперенос на сердцевину нагревателя для обеспечения комфорта пассажиров - обогрев кабины.

Сбой в контроле температуры приводит к деформации материала. Возникают утечки в прокладках головок цилиндров, деформация головок, трещины в камере сгорания, залипание поршня (слишком низкая вязкость масла), распад масел, ускоренный износ деталей двигателя. Проявляются аномалии в процессе сгорания - преждевременное зажигание. Из-за перегрева поршень расширяется, поршневое кольцо сужается (поскольку стенки цилиндра не расширяются), в итоге прерывание в смазке и заклинивание поршня. Кроме того, может возникнуть электролиз, приводящий к повреждению алюминиевого цилиндра. Его причина паразитные токи, проходящие через охлаждающую жидкость. Электроток пытается найти кратчайший путь, а посторонние частицы в жидкости зачастую образуют путь наименьшего сопротивления, по которому он может пройти. Зачастую это вызывается плохим заземлением аксессуаров двигателя. Отсутствие шины заземления двигателя или трансмиссии также может привести к электризации охлаждающей жидкости. Износ и повреждение прокладки головки блока к тому же приводит к смешению масла и охлаждающей жидкости.

Но помимо недопущения явных более или менее критических инцидентов с двигателем и его компонентами, эффективность системы охлаждения и главным образом работы радиатора напрямую связана с экономичностью транспортного средства. Судите сами. Несмотря на значительные улучшения конструкции бензиновых двигателей, они по-прежнему недостаточно эффективны в преобразовании химической энергии в механическую мощность. Основная часть энергии бензинового топлива (наверное, 70%) преобразуется в тепловую, которая должна быть поглощена системой охлаждения. Только представьте - энергии, рассеиваемой системой охлаждения автомобиля, двигающегося по скоростной автодороге, хватило бы для обогрева двух домов среднего размера.

Более детальный анализ потребления горючего в современных автомобилях выявляет объемы потерь - одна треть мощности рассеивается при теплообмене. Это значит, что из 10 израсходованных литров топлива 3 л идет на рассеивание тепла радиатором (к сведению: 0,5-1 л «потребляется» разнообразным дополнительным оборудованием, 3-3,5 л - улетает в пустоту выхлопом и лишь 2-3 л непосредственно отвечает за передачу мощности на трансмиссию). Поэтому если не поддерживать систему охлаждения в хорошем рабочем состоянии, потребление горючего значительно (именно значительно, а не на ничтожные 100-150 г как, например, от постоянного включения ближнего света) возрастет. Аналогично система, не отвечающая стандартам спецификаций изготовителя, также отрицательно влияет на потребление горючего. То есть экономия на радиаторе однозначно приводит к возрастанию затрат на покупку топлива. Например, блокировка термостата в положении «открыт» увеличивает его потребление на 2-3 л на 100 км.

В системе охлаждения циркуляция жидкости осуществляется по трубкам и каналам двигателя. При проходе через нагретые области двигателя жидкость абсорбирует тепло, охлаждая двигатель. На выходе жидкость подается на теплообменник, или радиатор, который передает тепло жидкости воздуху, продуваемому через обменник. Увеличение термической эффективности двигателя возможно при увеличении его рабочей температуры - оптимальное предлагаемое значение равно 118°С. В большинстве современных легковых автомобилей двигатель достигает оптимальной температуры примерно через 7 минут.

И еще. Термический КПД стандартного двигателя сжатия составляет приблизительно 25 %. В дизельном двигателе с турбонаддувом - около 34%. Отсюда важный вывод - из-за большего объема энергии, рассеиваемого системой охлаждения дизельных двигателей, они требуют использования более производительных радиаторов, более прочной конструкции и более качественных материалов.

Впрочем, здесь не стоит забывать и о том, что охлаждение это, конечно, хорошо, но двигатель все-таки должен быть горячим. При высоких температурах производительность двигателя возрастает. В холодном состоянии компоненты двигателя быстрее изнашиваются, он менее эффективен и выбрасывает больше загрязнений. Важно обеспечить быстрый разогрев двигателя, а затем удерживать его при постоянной температуре. 30% тепловой энергии выбрасывается в атмосферу, но часть ее остается в двигателе, нагревая его. Оптимальный режим стандартного двигателя достигается, когда охлаждающая жидкость находится при температуре 200 градусов Фаренгейта (93 градуса Цельсия). При этой температуре, во-первых, камера сгорания достаточно разогрета, чтобы обеспечивать полное распыление топлива и лучшее сгорание, уменьшая выбросы продуктов сгорания. Во-вторых, смазочное масло имеет меньшую вязкость (более жидкое), облегчая движение движущихся частей и уменьшая потери мощности двигателя при работе. В-третьих, металлические части меньше изнашиваются.

Более старые системы снабжались термостатами с рабочими температурами между 90 и 95 °С. Это объясняется медленной реакцией на открытие и закрытие термостата, что может привести к температурам, превышающим заданное максимальное значение. Подключение термореле (активатор вентилятора) дает дополнительные возможности контроля, одноступенчатый компрессор, действующий при температурах около 100 °С, а многоступенчатый - при несколько более высоких температурах.

При увеличении оптимальной температуры двигателя для получения максимальных рабочих характеристик, контроль, повторимся, играет очень важную роль. Опять же, если термические характеристики теплообменника хуже, чем у оригинального оборудования (дешевый радиатор), то управляющие органы должны работать дольше и интенсивнее, при этом увеличивается вероятность износа компонентов.
Одним словом, дешевые теплообменники непонятного происхождения, равно как и поврежденные - прямой путь к увеличению эксплуатационных затрат. Об этом нужно знать каждому автолюбителю, а сотрудники сервисных станций должны доносить эту информацию до своих клиентов.

По типу циркуляции теплообменники можно разделить на два больших класса: одно- и двух поточные. Однопоточные радиаторы могут пропустить через себя большее количество охлаждающей жидкости, но для ее лучшего охлаждения необходимо, чтобы скорость прохождения жидкости была более низкая. В двухпоточных радиаторах скорость течения жидкости может быть намного большей, но пропускная спос обность такого радиатора намного меньше. Также бывают и многопоточные (Z - образные), но их доля на рынке сегодня мала.

По технологии изготовления теплообменники дифференцируются на медные паянные, алюминиевые паянные и алюминиевые сборные. Известные глобальные компании, как правило, производят продукцию сразу по всем трем технологиям для различных вариантов применения. Однако здесь особо следует отметить, что количество производимых медных радиаторов неуклонно падает по одной главной причине: очень высокие цены на медь.

Охлаждение радиатора зависит от площади поверхности радиатора и способности теплопередачи материала. Материал - алюминий - обладает очень высокой теплопередачей. Повышение площади радиатора достигается с помощью увеличения количества пластин между трубками, уменьшения зазора между пластинами, изменения формы сечения трубок (делая их более овальными или вообще плоскими). Также увеличивают продолжительность нахождения охлаждающей жидкости в радиаторе, увеличивая длину трубок. При этом уменьшение толщины радиатора приводит к снижению производительности.

Наиболее прогрессивны алюминиевые сборные радиаторы. С их помощью осуществился переход от круглых к овальным или плоским трубкам (почему это важно чуть ниже). Такие теплообменники обеспечивают высокую производительность, занимая меньше пространства в моторном отсеке (они существенно тоньше). Ну, а самое главное их преимущество - лучшее сочетание цены и качества.

Вообще перед производителями радиаторов сегодня стоит много задач. Одна из основных связана с так называемым down sizing - уменьшением размеров агрегатов и сокращением технологических пространств. Это значит, что, несмотря на глобальный тренд к увеличению выходной мощности двигателя, размеры теплообменников должны уменьшаться (при увеличении производительности теплообменника).

Другая заключается в сохранении баланса при том, что добавочные аксессуары комфорта водителя и пассажиров требуют увеличения производительности системы охлаждения - традиционных теплообменников или дополнительных технологии охлаждения. Следовательно, качество материалов и изготовления сегодня стало важно, как никогда раньше. Почему?

Потому что от этого зависит эффективность конвекции как таковой. Теплообменник определяется формой трубок - их толщиной и формой и толщиной ребер. Чем больше поверхность трубки, тем меньше КПД конвекции. Поэтому увеличение производительности радиатора достигается при изменении формы трубок с круглой на овальную и при их дальнейшем уплощении. Смена трубок с круглой формы на овальную может улучшить производительность на 30 %. К тому же очень важно качество соединений ребер и трубок - швы припоя - большее количество материала означает лучшую проводимость и обеспечивает лучшие общие характеристики.

Но есть и негативные последствия. При уменьшении поперечного сечения трубки перепад давления увеличивается: давление, необходимое для перемещения потока охлаждающей жидкости по узким трубкам, резко растет. Это влечет за собой увеличение размеров и мощности водяного насоса. Другое следствие уменьшения размеров - объем воздуха, циркулирующего сквозь ребра, ограничен, что требует задействования вентиляторов охлаждения, чтобы большие объемы воздуха проходили сквозь теплообменник. А при использовании радиатора с недостаточной производительностью (например, все тех же дешевых или поврежденных радиаторов) расход водяного насоса (л/мин) будет недостаточным.

В заключение только остается сказать, что известные мировые производители теплообменников находят эффективные пути решения стоящих задач и предлагают своим потребителям качественный продукт, отвечающий требованиям не только сегодняшнего дня, но и в определенной степени завтрашнего. Впрочем, сама конструкция радиатора вряд ли поменяется, модернизации подвергнутся системы управления и контроля, а традиционные ребра и трубки останутся, поскольку иным способом не обеспечить конвекции.

Читайте также:

Эдуард Столяров, журнал "Автокомпоненты"