Politechnika Rzeszowska

Zakład Pojazdów Samochodowych                                               i  Silników Spalinowych

Projekt z Silników Spalinowych

TEMAT: Układ chłodzenia – termostat.

Żywiec Arkadiusz

IV MDE 

I .Zadania układu chłodzenia:

                           W czasie pracy silnika spalinowego w jego cylindrach wywiązuje się znaczna ilość ciepła. Ciepło doprowadzone do silnika tylko częściowo zostaje zamienione na pracę użyteczną (25-38%). Część ciepła uchodzi z silnika wraz z gazami spalinowymi (27-40%), a reszta nagrzewa silnik. Dlatego konieczne jest stosowanie chłodzenia silnika. Zadaniami układu chłodzenia są:

Ø      odbieranie ciepła od silnika,(25-32%),

Ø      zmniejsza zjawisko powstawania samozapłonu,

Ø      utrzymuje równowagę cieplną silnika,

Ø      zmniejsza wpływ temperatury na elementy silnika,

            Chłodzenie silnika nie może być zbyt intensywne, gdyż powoduje to spadek sprawności cieplnej, pogorszenie procesu spalania i warunków procesu spalania. Niedostatecznemu chłodzeniu towarzyszy natomiast wzrost temperatury i pogorszenie olejenia silnika, oraz spadek napełniania jego cylindrów. Przegrzanie silnika sprzyja ponadto występowaniu zjawiska samozapłonu tzn. spalania stukowego.

                            Prawidłowość działania każdego silnika zależy w dużym stopniu od jego chwilowego stanu cieplnego, tzn. równowagi cieplnej, której poziom charakteryzują średnie temperatury robocze odpowiedzialnych części najbardziej obciążonych cieplnie.

Zbyt wysoki poziom równowagi cieplej silnika, czyli tzw. Przegrzanie silnika, wydatnie wzmaga intensywność zużycia elementów przeciążonych cieplnie oraz utrudnia lub nawet uniemożliwia ich prawidłowe działanie. Silne przegrzanie się stanowi typowy powód bezpośredni lub pośredni większości niedomagań i usterek mechanicznych każdego trakcyjnego silnika wysokoprężnego, nierzadko dporowadzających do jego poważnych uszkodzeń lub całkowitego zniszczenia. Za niski poziom równowagi cieplej silnika, czyli przechłodzenie silnika, znacznie zwiększa intensywność zużywania się elementów najbardziej obciążonych mechanicznie. Niedostateczne nagrzanie najważniejszych części samochodowego silnika wysokoprężnego nie tylko pogarsza warunki smarowania powierzchni współpracujących ślizgowo, lecz również przyczynia się do poważnego wzrostu rzeczywistego obciążenia dynamicznego, ponieważ zbyt długie zwłoki zapłonu wydatnie zwiększają twardość biegu silnika.

II . Rodzaje i typowe rozwiązania układów.

                    W silnikach spalinowych są stosowane dwa zasadnicze sposoby chłodzenia:

1)     Chłodzenie pośrednie- ciepło z nagrzanych części silnika przejmuje ciecz krążąca w układzie chłodzenia, która następnie w specjalnym wymienniku  ciepła, zwanym chłodnicą oddaje je powietrzu atmosferycznemu.

Ciecze stosowane do chłodzenia silników powinny być obojętne chemicznie. Ponadto powinny one odznaczać się wysoką temperaturą wrzenia, niską temperaturą krzepnięcia, oraz dużym ciepłem właściwym. Cieczą najczęściej stosowaną w układach  chłodzenia jest woda.

W układach wodnego chłodzenia silników występują podczas eksploatacji niekorzystne, a nawet niebezpieczne zjawiska:

¨      korozja,

¨      odkładanie osadów i zanieczyszczeń,

¨      niebezpieczeństwo zamarznięcia wody przy niskiej temperaturze otoczenia,

     Zastosowanie wody z sieci wodociągowej prowadzi stosunkowo szybko do odkładania osadów wapniowych, które lokalnie bądź w większych powierzchniach zakłócają odprowadzenie ciepła do chłodzonych ścianek. Zastosowanie wody całkowicie odsolonej lub zmiękczonej powoduje silne i szybkie korodowanie ścianek, gdyż woda taka nie zawiera żadnych składników hamujących korozje. Wreszcie zastosowanie wody morskiej stwarza bardzo duże niebezpieczeństwo korozji oraz  silne zanieczyszczenie układu chłodzenia. Stąd też wynika konieczność stosowania w układach chłodzenia tzw. Wody uzdatnionej, zawierającej środki zwane inhibitorami, które zapobiegają  zarówno korozji jak i odkładaniu osadów wapniowych. Inhibitory można podzielić na trzy podstawowe grupy:

-                                                                   azotany i azotyno-borany,

-                                                                   chromiany,

-                                                                   oleje emulsywne,

Cała instalacja chłodząca musi być chroniona przed mrozem, obniżenie temperatury zamarzania wody w układzie chłodzącym uzyskuje się  przez stosowanie niezamarzających lub wodnych roztworów tych cieczy.

Rodzaje układów chłodzenia pośredniego :

(a)   chłodzenie przepływowe,

(b)   chłodzenie przez  odparowanie,

(c)   samoczynne chłodzenie obiegowe,

(d)   przymusowe chłodzenie obiegowe,

(a)  

Chłodzenie przepływowe: (Rys.1.) polega na doprowadzeniu do silnika wody bezpośrednio z sieci wodociągowej lub za pomocą pompy. Woda opływa gorące ścianki płaszcza wodnego i następnie przewodem odprowadzającym wypływa na zewnątrz silnika. Strumień wody chłodzącej, a tym samym jej temperaturę na wylocie, są regulowane zaworem ręcznym wbudowanym w przewód doprowadzający.

.

Rys.1.  Schemat chłodzenia przepływowego

W układzie tym woda doprowadzona do silnika przepływa z dolnych partii kadłuba w kierunku głowicy, tj. do coraz gorętszych miejsc. Do wad tego układu należy  zaliczyć: duże zużycie wody; stosunkowo duże osadzanie kamienia kotłowego we wnętrzu przestrzeni chłodzącej; niebezpieczeństwo przegrzania lub przechłodzenia wody; znaczne różnice temperatur pomiędzy miejscem dopływu i odpływu wody. To zjawisko może sprzyjać odkształceniom kadłuba cylindra i głowicy.

(b)  

Chłodzenie przez odparowanie: (Rys.2.) polega na wykorzystaniu dużego ciepła parowania wody, 2260 kJ/kg. Woda otaczająca cylinder i nagrzewające się części głowicy pozostaje w bezruchu, stale wrze i odparowuje. Ujemną stroną tego  sposobu chłodzenia jest osadzanie się kamienia kotłowego na ściankach głowicy cylindra. Wymaga również okresowego uzupełniania poziomu wody.

Rys.2.  Schemat chłodzenia przez odparowanie.

Na rysunku widoczny jest: duży zbiornik 1; wskaźnik poziomu oleju 2; zbiornik paliwa 5; odprężnik 3; wlew oleju 4 z odpowietrzeniem zabezpieczonym swobodną blaszką.

(c)   Samoczynne chłodzenie obiegowe: (Rys.3.) zwane termosyfonem składa się z dwóch zbiorników wypełnionych cieczą i połączonych ze sobą przewodami. Jeden ze zbiorników stanowi płaszcz wodny silnika, drugi jest chłodnicą. Ruch cieczy w układzie powodowany jest różnicą gęstości zimnej cieczy w chłodnicy i nagrzanej cieczy w płaszczu wodnym silnika.

Rys.3.  Schemat samoczynnego chłodzenia obiegowego

Osadzanie kamienia kotłowego jest stosunkowo niewielkie, gdyż w układzie krąży stale ta sama woda. Duże ciepło właściwe wody oraz duża masa wody znajdującej się w układzie powodują, że nie zachodzi obawa przegrzania lub przechłodzenia silnika. Wadą tego układu jest konieczność instalowania dużych zbiorników ok. 80-100 kg/kW. Układ ten nadaje się dobrz do wtórnego wykorzystania ciepła zawartego w wodzie.

(d)   Przymusowe chłodzenie obiegowe (Rys.4.) przepływ cieczy chłodzącej przez płaszcz wodny silnika oraz chłodnice wymusza pompa. Eliminuje to wady obiegu samoczynnego, a tym samym zwiększa skuteczność, a zwłaszcza niezawodność chłodzenia, zapobiegając nie przewidzianym przerwom w krążeniu cieczy i tworzeniu się korków powietrznych. Duża intensywność chłodzenia umożliwia zmniejszenie objętości, a więc i ciężaru układu w porównaniu z układem termosyfonowym.

W silnikach trakcyjnych układ chłodzenia z przymusowym obiegiem oprócz chłodnicy ma wentylator wymuszający intensywny przepływ powietrza przez chłodnice oraz termostatu regulujący ilość przepływającej przez chłodnice cieczy, a tym samym zapewniający utrzymanie odpowiedniej jej temperatury. Przymusowy obieg może być otwarty lub zamknięty. W układzie otwartym, który przewodem kontrolnym odprowadzającym parę jest połączony z atmosferą, temperatura cieczy chłodzącej wynosi 90-95oC. W przypadku układu zamkniętego ciecz chłodząca może znajdować się pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego.

Rys.4.Schemat układu z przymusowym chłodzeniem obiegowym

Na rysunku tym można wyszczególnić: 1-chłodnica wody; 2-chłodnica oleju; 3-pompa wody; 4-kolektor wody dopływającej do silnika; 5-otwory łączące kolektor z przestrzenią wodną kadłuba; 6-kolektor wody odpływającej z silnika; 7-termostat; 8-przewód wody omijającej chłodnicę ; 9-przweód odpowietrzający  pompę wody; 10-czujnik temperatury wody; 11-zawór spustowy; 12dopływ wody do pompy; 13-wentylator.             

Dużą zaletą urządzenia jest to, że w układzie krąży ciągle ta sama ciecz, osadzanie się kamienia jest więc nieznaczne.

2)     Chłodzenie bezpośrednie : polega na odbieraniu nadmiaru ciepła z nagrzanych do wysokiej temperatury części silnika bezpośrednio przez strumień omywającego je powietrza.

Chłodzenie silnika powietrzem ma korzystny wpływ:

·        unika się instalowania chłodnicy, przewodów, pompy wodnej, wskutek czego masa silnika maleje;

·        wyklucz się możliwość przedostania wody do skrzyni korbowej;

·        zwiększa się niezawodność działania silnika w niskich i wysokich temperaturach otoczenia, szczególnie w krańcowych warunkach klimatycznych i eliminuje się całkowicie możliwość rozsadzenia kadłuba tulei i głowicy wskutek zamarznięcia wody;

·        wyższa temperatura  ścianek cylindra zapobiega tworzeniu się kwasów działających korodująco na gładź, zmniejsza się więc zużycie gładzi cylindrowej;

·        okres od rozruchu silnika do osiągnięcia równowagi cieplnej zostaje skrócony, gdyż odpada konieczność  podgrzewania masy wody chłodzącej;

Zalety te , okupione są pewnymi wadami:

·        silnik wymaga stosowania lepszych olejów, zachowujących się prawidłowo w wyższych temperaturach;

·        silnik pracuje głośniej wobec braku izolacji dźwiękowej, jaką stanowi woda otaczająca komorę spalania i cylinder;

·        zaprojektowanie i wykonanie silnika chłodzonego powietrzem wymaga zwykle dłuższych prób prototypu na hamowni;

·        wykonanie cylindra(gładzi) jako wspólnej części z żebrami ze stopu lekkiego nie gwarantuje długich przebiegów, a wprowadzenie żeliwnych tulei wciśniętych podraża wykonanie i naprawy.

Układ chłodzony powietrzem może być zbudowany w dwóch odmianach:

a)     układ nadciśnieniowy-Rys.5. z wentylatorem tłoczącym powietrze przez silnik

Rys.5. Schemat układu nadciśnieniowego.

b)     układ podciśnieniowy-Rys.6. z wentylatorem zasysającym powietrze spod silnika

Rys.6.  Schemat układu podciśnieniowego.

III .Rodzaje i typowe przykłady rozwiązań termostatów.

          Obiegowy układ chłodzenia o przymusowym chłodzeniu cieczy jest zwykle wyposażony w tzw. Termostat, czyli zawór sterowany przez urządzenie dilatacyjne, które reagując na zmiany temperatury cieczy samoczynnie włącza i wyłącza jej  przepływ przez chłodzenie. Termostat zapewnia szybkie nagrzewanie się zimnego silnika po uruchomieniu a ponadto chroni silnik przed przechłodzeniem.

         Na ogół termostat jest wbudowany w taki sposób, że odsłania i przesłania wolny przelot umożliwiający odpływanie cieczy chłodzącej z głowicy lub z głowic cylindrów do chłodnicy. Na okresy zamknięcia odpływu do chłodnicy termostat otwiera przeważnie kanał obejściowy, którym ciecz chłodząca może swobodnie odpływać z głowicy bezpośrednio do pompy wody.

Rys.7.  Schemat termostatu w obiegu wodnym.

Termostat płynowy: Rys.8. elementem sterowniczym jest kształtowa puszka sprężysta, wypełniona łatwo parującą cieczą. Zwykle termostat płynowy reaguje na zmiany temperatury cieczy chłodzącej, która wypływając z głowicy silnika omywa puszkę z zewnątrz, nagrzewając lub ochładzając jej zawartość. Parowanie cieczy w nagrzewanej puszce powoduje podwyższanie się nadciśnienia (lub zanikanie podciśnienia) w jej wnętrzu, wskutek czego puszka wydłuża się i otwiera zawór dławiący (odpływ cieczy chłodzącej do chłodnicy). Natomiast w następstwie skraplania się zawartości ochładzanej puszki, obniża się nadciśnienie (lub wzrasta podciśnienie) w jej wnętrzu, co wywołuje kurczenie się puszki, która przymyka wtedy zawór dławiący. Tanie i dość dokładne w działaniu termostaty płynowe ulegają jednak łatwo uszkodzeniom mechanicznym oraz korozji. Istotną niedogodnością jest zależność charakterystyki od ciśnienia na zewnątrz puszki (zmiana tego ciśnienia o 0,1kG/cm2 podwyższa lub obniża temperaturę otwarcia zaworu o ok. 2,2oC).

Rys.8.  Schemat termostatu płynowego

Termostat woskowy: Rys.9. głównym elementem jest woskowy element dilatacyjny, współpracujący ze sprężyną zwrotną. Przeważnie zadania elementu sterowniczego spełnia obudowa o dzwonowej przestrzeni wypełnionej woskiem, omywana z zewnątrz cieczą chłodzącą (wypływającą z głowicy silnika) i służąca jednocześnie jako zawór dławiący (odpływ cieczy do chłodnicy). Podczas nagrzewania się wosk zwiększa swą objętość i wywiera coraz silniejszy nacisk na tuleje gumową obejmującą prowadnicę stożkową. Powoduje to osuwanie się obudowy po prowadnicach w dół, z jednoczesnym zwiększaniem nacisku na sprężynę powrotną, czyli otwieranie się zaworu dławiącego. Wskutek ochładzania wosku maleje jego objętość. Umożliwia to sprężynie powrotnej rozprężenie się, z jednoczesnym przesuwaniem obudowy po prowadnicach w górę, a więc przymykanie zaworu dławiącego. Pewną wadą niektórych termostatów woskowych jest dość powolne reagowanie na nieznaczne zmiany temperatury cieczy chłodzącej. Niedogodność taką można wyeliminować przez stosowanie wosku zmieszanego ze sproszkowaną miedzą i odpowiednie opracowanie konstrukcji dilatacyjnego urządzenia termostatu.

Główną zaletą termostatu woskowego jest niezależność jego działania od zmian ciśnienia barometrycznego. Dopiero dzięki zastosowaniu termostatu woskowego udaje się w pełni wykorzystać praktyczne zalety nadciśnieniowego chłodzenia ciecz.

Rys.9.  Schemat termostatu woskowego

Termostat bimetaliczny:  Rys.10. Czasami stosuje się termostaty wyposażone  w taśmę bimetaliczną. Dwie warstwy taśmy są wykonane ze stali i brązu. Ruch taśmy przenosi się na przepustnicę wody.

Rys.10.  Schemat termostatu bimetalicznego.

Termostat powietrzny: Rys.11. W zimnym silniku termostat jest maksymalnie skurczony, a przepustnica zamknięta. Po uruchomieniu silnika temperatura  powietrza omywającego termostat stopniowo wzrasta , w temperaturze 68...73oC rozprężanie się par cieczy zawartej w puszce termostatu powoduje jego wydłużenie i początek otworzenia przepustnicy. Jeżeli temperatura wzrasta, to termostat wydłuża się , uchylenie przepustnicy powiększa się , aby w 87...93oC osiągnąć całkowite otwarcie. Jeżeli temperatura silnika obniża się, to termostat stopniowo przymyka przepustnicę, po unieruchomieniu silnika kurczenie termostatu powoduje zamknięcie przepustnicy.

Rys.11.  Schemat termostatu powietrznego

1-termostat; 2-zasłona termostatu; 3-cięgno; 4-przepustnica

Rozwiązania termostatów w układach chłodzenia.

·         Zastosowanie termostatu w układzie chłodzenia samochodu Opel Astra.

Rys.12.  Schemat układu chłodzenia samochodu Opel Astra.

1- chłodnica; 2- przewód powrotu do chłodnicy; 3- przewód zasilający z chłodnicy; 4- termostat; 5- pompy płynu chłodzącego; 6- przepływ kadłub-głowica; 7- zbiornik wyrównawczy; 8- nagrzewnica; 9-zawór elektromagnetyczny nagrzewnicy; 10- dodatkowa pompa p...