Как работает система охлаждения двигателя автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания не может работать без охлаждения.

С точки зрения физики двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, состоящая из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель — источник тепла, в ДВС это процесс сгорания топлива. Рабочее тело — газ в цилиндрах, который превращает часть этого тепла в механическую работу. Оставшееся тепло обязательно нужно отдать холодильнику. Без этого двигатель работать не будет: таково фундаментальное ограничение, наложенное вторым началом термодинамики. Система охлаждения двигателя — это и есть холодильник тепловой машины, который передает тепло окружающей среде.

Если тепло от двигателя отводить недостаточно быстро, мотор перегреется и, вероятно, сломается: «поведет» детали, прокладка утратит герметичность или треснет одна из металлических частей. Переохлаждать тоже вредно: холодный двигатель больше изнашивается, да и расход топлива выше. Оптимальная рабочая температура — 90—110 °С, и система охлаждения обязана ее поддерживать.

Расскажу, как она устроена и из каких компонентов состоит.

Воздушная. Это самый простой вариант охлаждения — потоком воздуха. Внешнюю поверхность блока цилиндров двигателя с воздушной системой охлаждения делают специальной формы — с ребрами. Так увеличивают площадь поверхности, с которой отводится тепло. Двигатель охлаждается за счет естественной конвекции — потока воздуха, который нагревается при контакте с ребрами и поднимается вверх, уступая место холодному, или за счет набегающего потока воздуха при движении.

Иногда в такие системы ставят еще и вентилятор. Он создает искусственный поток воздуха, обдувающий ребра для лучшего охлаждения.

Машины с моторами воздушного охлаждения давно не выпускают. Но в середине 20 века они были популярны: это был Volkswagen Beetle — он же «Жук», Fiat 500 и некоторые модели Citroen. Последний Porsche 911 с воздушным охлаждением представили в 1993 году, хотя все автопроизводители уже использовали системы жидкостного охлаждения.

Сейчас бензиновые двигатели с воздушным охлаждением ставят на мопеды, садовую технику и электрогенераторы. Там важно, чтобы механизмы были простыми, недорогими и легкими. При этом от них не требуют максимальной отдачи.

Жидкостная система охлаждения у всех современных автомобилей с ДВС. В блоке двигателя и головке блока цилиндров есть специальные каналы для охлаждающей жидкости. Через систему патрубков жидкость из двигателя попадает в радиатор, там охлаждается и возвращается в двигатель. Она циркулирует по системе благодаря специальному насосу — в машинах его обычно называют помпой.

На радиатор ставят вентилятор: с ним жидкость охлаждается лучше, особенно на низких скоростях движения, когда набегающий поток воздуха не слишком силен. А еще через специальные патрубки жидкость отводится в отдельный радиатор для отопления салона — «печку». Она отдает тепло системе вентиляции, чтобы в салон автомобиля поступал теплый воздух. Также в системе есть термостатический клапан, или термостат, расширительный бачок и датчик температуры.

Инженеры проектируют современные двигатели под высокие рабочие температуры. Это позволяет снизить расход топлива и количество вредных выбросов. Например, средняя рабочая температура двигателя BMW 520i 1995 года выпуска — 95 °С, а у такой же BMW 2018 года — 110 °С. Поэтому у современных автомобилей система охлаждения устроена значительно сложнее: в ней может быть несколько радиаторов, разные помпы и термостат с электронным управлением.

Радиатор. У абсолютного большинства автомобилей он расположен в передней части моторного отсека. Это массивная металлическая панель с мелкими ячейками.

Радиатор охлаждения двигателя легко перепутать с конденсатором кондиционера или интеркулером, то есть теплообменником для охлаждения воздуха в системах турбонаддува. Внешне эти детали очень похожи.

Но радиатор охлаждения двигателя обычно самый большой из них. Он помогает отвести тепло от охлаждающей жидкости. Через патрубки она поступает в баки по краям радиатора. Дальше жидкость проходит через ядро радиатора — конструкцию из очень мелких трубок и пластинок. При этом она отдает тепло окружающему воздуху, температура которого намного ниже. Трубки и пластинки позволяют увеличить площадь поверхности и сделать радиатор эффективнее.

В старых машинах на радиаторах ставили краны для слива охлаждающей жидкости, например, на зиму, но в современных автомобилях такое встречается редко. Иногда в верхней части радиатора бывает пробка с клапаном, через который стравливают лишнее давление в системе, но чаще ее устанавливают только на расширительном бачке.

Помпа. Система охлаждения не может работать, если в ней не циркулирует жидкость. Она нагревается в одном месте — в двигателе, а охлаждается в другом — в радиаторе, поэтому должна постоянно перемещаться по всей системе. Обеспечивает циркуляцию специальный насос, или помпа. Она может быть с механическим приводом от двигателя — шестернями или ремнем, а может быть электрической.

Термостат. В разных режимах работы двигателя выделяется разное количество тепла. Поэтому задача системы охлаждения — не просто отводить фиксированное количество тепла, но и гибко регулировать этот процесс, чтобы поддерживать рабочую температуру двигателя в заданном диапазоне при различных внешних условиях.

Например, в мороз сразу после запуска холодного двигателя нужно отводить как можно меньше тепла, чтобы мотор быстрее разогрелся до оптимальной температуры. А потом резко увеличить теплоотдачу, чтобы двигатель не перегрелся. Для этого в системе охлаждения установлен специальный клапан — термостат. Он отвечает за то, как именно циркулирует в системе охлаждающая жидкость.

Пока температура ниже 80—90 °С, термостат полностью закрыт и направляет поток жидкости не через радиатор, а «мимо» — через байпас, по малому кругу охлаждения. Теплоотдача системы без радиатора мала, и жидкость возвращается в двигатель без охлаждения. По мере роста температуры термостат открывается и направляет все большее количество жидкости через большой круг охлаждения — через радиатор.

Термостат может быть механическим, а может управляться электроникой. Механический термостат работает автономно, открывается при нагреве с помощью термочувствительного элемента. Электронный термостат закрывается и открывается по команде блока управления двигателем. В современных автомобилях все чаще применяют электронные термостаты.

Расширительный бачок. Система охлаждения двигателя в автомобиле герметична, охлаждающая жидкость в ней находится под давлением 1,2—2 атмосферы. Температура кипения жидкости в таких условиях повышается, поэтому в исправной системе охлаждения она не кипит, но при нагреве увеличивается в объеме.

Чтобы избежать повреждения трубок, патрубков и каналов, в системе предусмотрен расширительный бачок, компенсирующий увеличение объема жидкости. Обычно он расположен в верхней части моторного отсека и примерно наполовину заполнен жидкостью. В его крышке два клапана: вакуумный и предохранительный.

Вакуумный клапан впускает воздух в расширительный бачок, когда охлаждающая жидкость остывает и уменьшается в объеме, — так в системе не образуется вакуум. А предохранительный стравливает пар, как только его давление становится критическим: если этого не сделать, систему просто разорвет.

Патрубки соединяют все элементы системы. Они сделаны из резины или силикона и могут иметь разную форму и сечение. Надежность соединения патрубков с радиатором, бачком и помпой обеспечивают хомуты. С завода у машин иностранного производства они обычно самозажимные, но при ремонте их иногда меняют на винтовые.

Вентилятор — единственная деталь системы, которая не контактирует с охлаждающей жидкостью. Он продувает воздух через ядро радиатора и увеличивает эффективность охлаждения жидкости, особенно когда автомобиль двигается медленно. Привод вентилятора может быть механическим или электрическим. Алгоритмы включения и выключения вентилятора у разных автомобилей могут быть разными. В зависимости от режима работы двигателя, его температуры и внешних условий вентилятор может вращаться с разными скоростями.

Датчик температуры передает температуру охлаждающей жидкости на электронный блок управления. Алгоритмы управления двигателем учитывают эти данные. Например, в некоторых машинах нельзя раскрутить двигатель до высоких оборотов, пока он не разогреется до рабочей температуры. Показания этого датчика выводятся на панель приборов, а если двигатель перегреется, загорится предупреждающая лампочка.

Охлаждающая жидкость, или антифриз, — это смесь дистиллированной воды, этиленгликоля или пропиленгликоля и антикоррозионных присадок. Благодаря такому составу антифриз не замерзает при температуре до −60 °C Но даже если антифриз замерзнет, он не превращается в твердый кристаллический лед и не разрушает детали системы. Замороженный антифриз — безопасная аморфная вязкая масса.

При обычных условиях антифриз кипит при 110—120 °C, но под давлением эта температура еще выше. Воду в системах охлаждения современных автомобилей обычно не используют, она замерзает при 0 °C, а образующийся лед разрушает детали системы охлаждения. Вода также закипает при 100 °C, хотя под давлением эта температура немного выше.

В антифриз также добавляют краситель: так лучше видно уровень жидкости в расширительном бачке. Кроме того, краситель светится в ультрафиолете, что помогает быстро находить места утечки. Цвет красителя обозначает тип антифриза, но общепринятого стандарта нет. Разные производители придерживаются разных правил, и ориентироваться только на цвет нельзя.

Например, нельзя просто долить жидкость того же цвета в бачок: при смешивании антифризов разных типов может выпасть осадок. В этом случае лучше полностью слить старый антифриз и залить новый. Со временем он теряет свойства, поэтому его меняют. Как часто — зависит от характеристик конкретного антифриза.

Термостат не закрывается. Двигатель не прогревается до рабочей температуры, поскольку антифриз всегда циркулирует по большому кругу охлаждения — через радиатор. При движении из-за сильного обдува радиатора воздухом температура двигателя падает еще ниже. Можно ехать своим ходом в сервис, чтобы заменить термостат.

Радиатор сильно загрязнен. Стрелка температуры уходит правее рабочей зоны, может загораться индикатор перегрева. При визуальном осмотре видно, что ячейки забиты грязью и пухом. Можно также ехать в сервис: там радиатор снимут и промоют. В некоторых машинах промыть радиатор можно и без демонтажа: достаточно снять передний бампер и декоративную решетку радиатора.

Не работает вентилятор. При низкой скорости движения загорается индикатор перегрева, стрелка температуры уходит в красную зону. При высокой скорости температура двигателя уменьшается.

Важно проверить, что провода и предохранители целы, а разъемы подключены плотно. Что цел приводной ремень на машинах с механическим приводом вентилятора. Заменить элемент, вышедший из строя. Если не помогло — выставить температуру печки или климатической системы и вентиляцию салона на максимум и ехать своим ходом в сервис. Если на пути будут пробки — постоять в стороне с заглушенным двигателем и продолжить движение, когда дороги освободятся.

Утечка охлаждающей жидкости. Загорается индикатор перегрева, стрелка температуры уходит в красную зону. Уровень жидкости в бачке низкий, ниже минимального или жидкость в бачке вообще отсутствует.

Важно остановиться, заглушить двигатель, подождать, пока он полностью остынет. Отвинтить крышку расширительного бачка и долить дистиллированную воду или подходящий антифриз. После этого ехать своим ходом в сервис, где найдут место утечки и заменят или отремонтируют поврежденные элементы.

Как только температура превысит допустимую — остановиться, дать мотору поработать пару минут на холостом ходу, после чего заглушить и ждать, пока он остынет. Но если жидкость вытекает слишком быстро, придется вызывать эвакуатор.

Термостат не открывается. Антифриз циркулирует только по малому кругу, поэтому двигатель быстро перегревается. Загорается индикатор перегрева, стрелка температуры уходит в красную зону, из-под капота идет пар. Радиатор охлаждения под капотом при этом холодный. Здесь совершенно точно стоит вызвать эвакуатор и везти машину в сервис.

Не работает помпа. Загорается индикатор перегрева, стрелка температуры уходит в красную зону, из-под капота идет пар. Такое может произойти, если помпа перестала прокачивать антифриз по системе.

Если помпа с механическим приводом от двигателя, стоит убедиться, цел ли приводной ремень. Если помпа электрическая — проверить электропроводку и предохранители. Если дело не в предохранителях — вызывать эвакуатор и ехать в сервис, где заменят помпу.

1. С неисправной системой охлаждения очень легко перегреть мотор. Если это случится, может потребоваться сложный и дорогой ремонт.
2. Если двигатель перегрелся, не глушите его сразу после остановки, а дайте ему поработать пару минут на холостом ходу. Это нужно, чтобы отвести избыток остаточного тепла от двигателя.
3. Не стоит трогать детали системы охлаждения и части двигателя сразу после поездки: можно серьезно обжечься. Ни в коем случае не стоит откручивать пробку расширительного бачка, это можно делать только когда двигатель остынет.
4. Внимательно наблюдайте за указателем температуры на панели приборов. Большие колебания температуры после прогрева двигателя говорят о неисправности системы охлаждения.
5. Регулярно проверяйте уровень охлаждающей жидкости в бачке. При необходимости доливайте антифриз только того же типа и производителя, а если уровень снизился незначительно, достаточно долить дистиллированную воду. При ближайшем техническом обслуживании попросите проверить состояние системы охлаждения и осмотреть радиаторы.