W samochodach i motocyklach z silnikiem spalinowym chłodzonym cieczą, chłodnica jest połączona z kanałami biegnącymi przez silnik i głowicę cylindrów, przez które pompowana jest ciecz (płyn chłodzący). Płyn ten może być wodą (w klimacie, w którym woda raczej nie zamarza), ale częściej jest mieszaniną wody i środka zapobiegającego zamarzaniu w proporcjach odpowiednich do klimatu. Sam płyn zapobiegający zamarzaniu to zazwyczaj glikol etylenowy lub glikol propylenowy (z niewielką ilością inhibitora korozji).
Typowy samochodowy układ chłodzenia składa się z:
- serii galerii odlanych w bloku silnika i głowicy cylindrów, otaczających komory spalania krążącą cieczą w celu odprowadzenia ciepła;
- chłodnicy, składającej się z wielu małych rurek wyposażonych w plaster miodu z żeberek w celu szybkiego odprowadzenia ciepła, która odbiera i chłodzi gorącą ciecz z silnika;
- pompa wody, zwykle typu odśrodkowego, do obiegu płynu chłodzącego w systemie;
- termostat do kontroli temperatury poprzez zmianę ilości płynu chłodzącego do chłodnicy;
- wentylator do rysowania chłodnego powietrza przez chłodnicę.
Chłodnica przenosi ciepło z płynu wewnątrz do powietrza na zewnątrz, a tym samym chłodzi płyn, który z kolei chłodzi silnik. Chłodnice są również często używane do chłodzenia płynów z automatycznych skrzyń biegów, czynnika chłodniczego z klimatyzatorów, powietrza wlotowego, a czasami do chłodzenia oleju silnikowego lub płynu wspomagania kierownicy. Chłodnice są zazwyczaj montowane w miejscu, w którym odbierają przepływ powietrza z ruchu pojazdu do przodu, np. za przednim grillem. W przypadku silników montowanych pośrodku lub z tyłu pojazdu, często montuje się chłodnicę za przednim grillem, aby uzyskać wystarczający przepływ powietrza, chociaż wymaga to długich przewodów do chłodziwa. Alternatywnie, chłodnica może pobierać powietrze z przepływu nad górną częścią pojazdu lub z kratki zamontowanej z boku. W przypadku długich pojazdów, takich jak autobusy, boczny przepływ powietrza jest najczęściej wykorzystywany do chłodzenia silnika i skrzyni biegów, a górny do chłodzenia klimatyzacji.
Konstrukcja chłodnicyEdit
Chłodnice samochodowe zbudowane są z pary metalowych lub plastikowych zbiorników czołowych, połączonych rdzeniem z wieloma wąskimi przejściami, co daje dużą powierzchnię w stosunku do objętości. Rdzeń ten jest zazwyczaj wykonany z ułożonych warstw blachy, sprasowanych w celu utworzenia kanałów i zlutowanych lub zlutowanych razem. Przez wiele lat chłodnice były wykonywane z rdzeni mosiężnych lub miedzianych lutowanych do mosiężnych kolektorów. Nowoczesne chłodnice mają rdzenie aluminiowe, a często oszczędzają pieniądze i wagę, stosując plastikowe kolektory z uszczelkami. Taka konstrukcja jest bardziej podatna na awarie i mniej łatwa do naprawy niż tradycyjne materiały.
Wcześniejszą metodą konstrukcyjną była chłodnica o strukturze plastra miodu. Okrągłe rurki były łączone na końcach w sześciokąty, a następnie układane w stos i lutowane. Ponieważ stykały się one ze sobą tylko na końcach, tworzyło to w efekcie solidny zbiornik na wodę z wieloma przewodami powietrznymi, które przez niego przechodziły.
Niektóre zabytkowe samochody używają rdzeni chłodnic wykonanych ze zwiniętej rury, mniej wydajnej, ale prostszej konstrukcji.
Pompa płynu chłodzącegoEdit
Radiator po raz pierwszy wykorzystał pionowy przepływ w dół, napędzany wyłącznie efektem termosyfonowym. Płyn chłodzący jest podgrzewany w silniku, staje się mniej gęsty, a więc unosi się do góry. Gdy chłodnica schładza płyn, staje się on gęstszy i opada. Efekt ten jest wystarczający dla silników stacjonarnych o małej mocy, ale nieodpowiedni dla wszystkich, poza najwcześniejszymi samochodami. Wszystkie samochody od wielu lat używają pomp odśrodkowych do cyrkulacji płynu chłodzącego silnik, ponieważ naturalna cyrkulacja ma bardzo niskie natężenie przepływu.
HeaterEdit
System zaworów lub przegród, lub obu, jest zwykle włączony do jednoczesnego działania małej chłodnicy wewnątrz pojazdu. Ta mała chłodnica i powiązany z nią wentylator dmuchawy nazywane są rdzeniem nagrzewnicy i służą do ogrzewania wnętrza kabiny. Podobnie jak chłodnica, rdzeń nagrzewnicy działa poprzez usuwanie ciepła z silnika. Z tego powodu, technicy samochodowi często doradzają operatorom, aby włączyli nagrzewnicę i ustawili ją na wysoki poziom, jeśli silnik się przegrzewa, aby wspomóc główną chłodnicę.
Kontrola temperaturyEdit
Kontrola przepływu wodyEdit
Temperatura silnika w nowoczesnych samochodach jest kontrolowana głównie przez termostat typu woskowego.termostat typu wosk-pelet, zawór, który otwiera się, gdy silnik osiągnie optymalną temperaturę pracy.
Gdy silnik jest zimny, termostat jest zamknięty, z wyjątkiem małego przepływu obejściowego, tak że termostat doświadcza zmian temperatury płynu chłodzącego w miarę rozgrzewania się silnika. Płyn chłodzący silnika jest kierowany przez termostat do wlotu pompy obiegowej i jest zawracany bezpośrednio do silnika, z pominięciem chłodnicy. Skierowanie wody do obiegu tylko przez silnik pozwala na jak najszybsze osiągnięcie optymalnej temperatury pracy silnika przy jednoczesnym uniknięciu miejscowych „gorących punktów”. Gdy płyn chłodzący osiągnie temperaturę aktywacji termostatu, otwiera się on, umożliwiając przepływ wody przez chłodnicę, aby zapobiec wzrostowi temperatury.
Po osiągnięciu optymalnej temperatury termostat steruje przepływem płynu chłodzącego do chłodnicy, aby silnik nadal pracował w optymalnej temperaturze. W warunkach szczytowego obciążenia, takich jak powolna jazda pod strome wzgórze z dużym obciążeniem w upalny dzień, termostat będzie zbliżał się do pełnego otwarcia, ponieważ silnik będzie wytwarzał moc zbliżoną do maksymalnej, a prędkość przepływu powietrza przez chłodnicę będzie niska. (Prędkość przepływu powietrza przez chłodnicę ma zasadniczy wpływ na jej zdolność do odprowadzania ciepła). I odwrotnie, podczas szybkiej jazdy w dół autostrady w zimną noc, przy lekko uchylonej przepustnicy, termostat będzie prawie zamknięty, ponieważ silnik wytwarza niewielką moc, a chłodnica jest w stanie odprowadzić znacznie więcej ciepła niż wytwarza silnik. Zezwolenie na zbyt duży przepływ płynu chłodzącego do chłodnicy spowoduje, że silnik będzie nadmiernie chłodzony i będzie pracował w temperaturze niższej niż optymalna, co spowoduje zmniejszenie zużycia paliwa i zwiększenie emisji spalin. Co więcej, trwałość, niezawodność i żywotność silnika są czasami zagrożone, jeśli jakiekolwiek elementy (takie jak łożyska wału korbowego) są zaprojektowane z uwzględnieniem rozszerzalności cieplnej, aby pasowały do siebie z odpowiednimi luzami. Innym efektem ubocznym nadmiernego chłodzenia jest zmniejszenie wydajności nagrzewnicy kabiny, choć w typowych przypadkach nadal wydmuchuje ona powietrze o temperaturze znacznie wyższej niż temperatura otoczenia.
Termostat jest zatem w ciągłym ruchu w całym zakresie, reagując na zmiany obciążenia roboczego pojazdu, prędkości i temperatury zewnętrznej, aby utrzymać silnik w optymalnej temperaturze pracy.
W samochodach zabytkowych można znaleźć termostat typu mieszkowego, który ma falisty mieszek zawierający lotną ciecz, taką jak alkohol lub aceton. Te typy termostatów nie działają dobrze przy ciśnieniu w układzie chłodzenia powyżej około 7 psi. Nowoczesne pojazdy silnikowe zazwyczaj pracują przy ciśnieniu około 15 psi, co wyklucza użycie termostatu typu mieszkowego. W silnikach bezpośrednio chłodzonych powietrzem nie jest to problemem dla termostatu mieszkowego, który kontroluje zawór klapowy w kanale powietrznym.
Kontrola przepływu powietrzaEdit
Inne czynniki wpływają na temperaturę silnika, w tym rozmiar chłodnicy i typ wentylatora chłodnicy. Rozmiar chłodnicy (a tym samym jej wydajność chłodnicza) jest tak dobrana, aby mogła utrzymać silnik w temperaturze projektowej w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie może napotkać pojazd (takich jak wspinaczka na górę z pełnym obciążeniem w upalny dzień).
Prędkość przepływu powietrza przez chłodnicę ma duży wpływ na ilość odprowadzanego przez nią ciepła. Prędkość pojazdu wpływa na to, w przybliżeniu proporcjonalnie do wysiłku silnika, dając w ten sposób surowe samoregulujące się sprzężenie zwrotne. Jeśli dodatkowy wentylator chłodzący jest napędzany przez silnik, to również śledzi prędkość silnika podobnie.
Wentylatory napędzane przez silnik są często regulowane przez sprzęgło wentylatora z paska napędowego, który ślizga się i zmniejsza prędkość wentylatora w niskich temperaturach. Poprawia to wydajność paliwa, ponieważ nie marnuje niepotrzebnie energii na napędzanie wentylatora. W nowoczesnych pojazdach dodatkową regulację szybkości chłodzenia zapewniają wentylatory chłodnicy o zmiennej prędkości obrotowej lub wentylatory cykliczne. Wentylatory elektryczne są sterowane za pomocą przełącznika termostatycznego lub jednostki sterującej silnika. Wentylatory elektryczne mają również tę zaletę, że zapewniają dobry przepływ powietrza i chłodzenie przy niskich obrotach silnika lub podczas postoju, np. w ruchu ulicznym.
Przed opracowaniem wentylatorów z napędem wiskotycznym i elektrycznych, silniki były wyposażone w proste wentylatory stałe, które przez cały czas zasysały powietrze przez chłodnicę. Pojazdy, których konstrukcja wymagała instalacji dużej chłodnicy, aby sprostać ciężkiej pracy w wysokich temperaturach, takie jak pojazdy użytkowe i ciągniki, często działały w niskich temperaturach przy niewielkim obciążeniu, nawet przy obecności termostatu, ponieważ duża chłodnica i stały wentylator powodowały szybki i znaczny spadek temperatury płynu chłodzącego, gdy tylko termostat się otwierał. Problem ten można rozwiązać montując osłonę chłodnicy (lub osłonę chłodnicy) na chłodnicy, która może być regulowana w celu częściowego lub całkowitego zablokowania przepływu powietrza przez chłodnicę. W najprostszym przypadku żaluzja jest rolką materiału, takiego jak płótno lub guma, która jest rozwijana wzdłuż chłodnicy, aby pokryć żądaną część. Niektóre starsze pojazdy, jak I wojny światowej S.E.5 i SPAD S.XIII jednosilnikowych myśliwców, mają serię żaluzji, które mogą być regulowane z fotela kierowcy lub pilota, aby zapewnić stopień kontroli. Niektóre nowoczesne samochody mają serię żaluzji, które są automatycznie otwierane i zamykane przez jednostkę sterującą silnikiem, aby zapewnić równowagę chłodzenia i aerodynamiki w zależności od potrzeb.
Ciśnienie płynu chłodzącegoEdit
Ponieważ sprawność cieplna silników spalinowych wzrasta wraz z temperaturą wewnętrzną, płyn chłodzący jest utrzymywany pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne, aby zwiększyć jego temperaturę wrzenia. Kalibrowany zawór obniżający ciśnienie jest zwykle wbudowany w korek wlewu chłodnicy. Ciśnienie to różni się w zależności od modelu, ale zazwyczaj waha się od 4 do 30 psi (30 do 200 kPa).
Jak ciśnienie w układzie chłodzenia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, osiągnie punkt, w którym zawór nadmiarowy pozwala na ucieczkę nadmiaru ciśnienia. Proces ten ustanie, gdy temperatura w układzie przestanie rosnąć. W przypadku przepełnionej chłodnicy (lub zbiornika głównego) ciśnienie jest odprowadzane poprzez uwolnienie niewielkiej ilości płynu. Może ona po prostu spłynąć na ziemię lub zostać zebrana w odpowietrzonym zbiorniku, w którym panuje ciśnienie atmosferyczne. Po wyłączeniu silnika układ chłodzenia stygnie, a poziom płynu spada. W niektórych przypadkach, gdy nadmiar płynu został zebrany w butelce, może on zostać „odessany” z powrotem do głównego obiegu płynu chłodzącego. W innych przypadkach nie jest to możliwe.
Chłodziwo silnikaEdit
Przed II wojną światową płyn chłodzący silnik był zwykle zwykłą wodą. Płyn niezamarzający był używany wyłącznie do kontroli zamarzania, a to często miało miejsce tylko w niskich temperaturach.
Rozwój wysokowydajnych silników lotniczych wymagał ulepszonych płynów chłodzących o wyższych punktach wrzenia, co doprowadziło do przyjęcia mieszanin glikolu lub wody z glikolem. Doprowadziło to do przyjęcia glikoli ze względu na ich właściwości przeciwzamarzające.
Od czasu opracowania silników aluminiowych lub silników z metali mieszanych, inhibicja korozji stała się jeszcze ważniejsza niż środek przeciwzamarzający, i to we wszystkich regionach i porach roku.
Wrzenie lub przegrzanieEdit
Suchy zbiornik przelewowy może spowodować odparowanie płynu chłodzącego, co może spowodować miejscowe lub ogólne przegrzanie silnika. Może to spowodować poważne uszkodzenia, takie jak pęknięte uszczelki głowicy, wypaczone lub pęknięte głowice cylindrów lub bloki cylindrów. Czasami nie ma ostrzeżenia, ponieważ czujnik temperatury, który dostarcza dane do wskaźnika temperatury (mechanicznego lub elektrycznego) jest narażony na działanie pary wodnej, a nie ciekłego płynu chłodzącego, co powoduje szkodliwe fałszywe odczyty.
Otwarcie gorącej chłodnicy powoduje spadek ciśnienia w układzie, co może spowodować wrzenie i wyrzucenie niebezpiecznie gorącej cieczy i pary. Dlatego korki chłodnic często zawierają mechanizm, który próbuje zmniejszyć wewnętrzne ciśnienie przed całkowitym otwarciem korka.
Historia
Wynalazek samochodowej chłodnicy wodnej przypisuje się Karlowi Benzowi. Wilhelm Maybach zaprojektował pierwszą chłodnicę o strukturze plastra miodu dla Mercedesa 35 KM.
Chłodnice uzupełniająceEdit
Czasami konieczne jest wyposażenie samochodu w drugą lub pomocniczą chłodnicę w celu zwiększenia wydajności chłodzenia, gdy rozmiar oryginalnej chłodnicy nie może zostać zwiększony. Druga chłodnica jest podłączona szeregowo z główną chłodnicą w układzie. Tak było w przypadku, gdy Audi 100 zostało po raz pierwszy turbodoładowane tworząc model 200. Nie należy ich mylić z intercoolerami.
Niektóre silniki mają chłodnicę oleju, oddzielną małą chłodnicę do chłodzenia oleju silnikowego. Samochody z automatyczną skrzynią biegów często mają dodatkowe połączenia z chłodnicą, pozwalając płyn transmisyjny przenieść swoje ciepło do chłodziwa w chłodnicy. Mogą to być zarówno chłodnice olejowo-powietrzne, jak i mniejsza wersja chłodnicy głównej. W prostszy sposób mogą to być chłodnice olejowo-wodne, gdzie rura olejowa jest umieszczona wewnątrz chłodnicy wodnej. Chociaż woda jest gorętsza niż powietrze, jej wyższa przewodność cieplna zapewnia porównywalne chłodzenie (w granicach limitów) z mniej skomplikowanej, a zatem tańszej i bardziej niezawodnej chłodnicy oleju. Mniej powszechnie, płyn wspomagania kierownicy, płyn hamulcowy i inne płyny hydrauliczne mogą być chłodzone przez chłodnicę pomocniczą w pojeździe.
Silniki turbodoładowane lub doładowane mogą mieć intercooler, który jest chłodnicą typu powietrze-powietrze lub powietrze-woda, używaną do chłodzenia powietrza wchodzącego do silnika, a nie do chłodzenia silnika.
Doładowanie i doładowanie silnika może być zastosowane w silnikach z turbodoładowaniem.