Efektywność pracy cieplnej silnika można zilustrować krzywą. Ponieważ obciążenie mechaniczne jest zwykle zmienne, zmienia się również obciążenie cieplne – a ponieważ silniki pracują dobrze tylko w wąskim zakresie temperatury, zachodzi konieczność jej ścisłej kontroli

W tym artykule przyglądamy się układom chłodzenia silników samochodów osobowych i ich możliwej przyszłości. 

Powietrze czy woda – chłodzenie silników

W historii silnika spalinowego w samochodach osobowych wykształciły się dwa różne systemy chłodzenia. Pierwsza, w której silnik chłodzony jest wyłącznie powietrzem pobieranym z otoczenia. U zarania przemysłu motoryzacyjnego, ciężko było stwierdzić, czy chłodzenie wyłącznie powietrzem będzie miało sens, ale z pewnością przekonująca była jego niesamowita prostota. Dlatego też rozwiązanie to zadomowiło się na długi czas w silnikach, nawet tych o bardzo wysokiej mocy.

Doskonałym przykładem jest Porsche, którego legendarny model 911 aż do 1998 r. stosował chłodzenie powietrzem.

W XXI wieku jednak rynkiem zawładnęło chłodzenie wodą. Choć układ ten jest daleko bardziej złożony, trudniejszy i bardziej kłopotliwy w naprawie, to możliwości sterowania nim biją na głowę chłodzenie powietrzne. Znaczny wzrost pojemności silnika, w połączeniu z coraz większym wydatkiem ciepła, spowodował stopniowe wypieranie chłodzenia powietrznego przez wodne.

Części układu chłodzenia

Należy podkreślić, że określenie „chłodzenie wodne” nie jest do końca poprawne. Jest tak dlatego, że płyn chłodzący może składać się nie tylko z wody, ale także z chłodziwa odpornego na zamarzanie, przynajmniej w miejscach narażonych na temperatury poniżej zera, co miałoby poważne konsekwencje dla silnika pod kilkoma względami.

W samochodach i motocyklach wyposażonych w silniki spalinowe chłodzone cieczą, kanały przechodzące przez blok i głowicę cylindrów połączone są z chłodnicą, przez którą przepływa chłodziwo.

Samo chłodziwo to najczęściej glikol etylenowy lub glikol propylenowy (z niewielką ilością inhibitora korozji). Od czasu opracowania silników z aluminium lub mieszanych metali odporność na korozję stała się jeszcze ważniejsza niż odporność na zamarzanie.

W skład typowego samochodowego układu chłodzenia wchodzą:

• kanały chłodzące w bloku silnika i głowicy cylindrów, które otaczają komory spalania krążącym płynem w celu odprowadzenia ciepła;
• chłodnica, składająca się z wielu małych rurek wyposażonych w żebra o strukturze plastra miodu, służących do szybkiego odprowadzania ciepła, która odbiera i chłodzi gorący płyn z silnika;
• zazwyczaj pompa wodna typu odśrodkowego (lub pompa wodna), która wprawia w ruch płyn chłodzący;
• termostat do regulacji temperatury poprzez zmianę ilości płynu chłodzącego wpływającego do chłodnicy;
• wentylator, który rozprasza gorące powietrze.

System jest zazwyczaj zamknięty, więc może pracować przy ciśnieniu wyższym od otoczenia. Oznacza to na przykład, że temperatura 100 °C nie musi oznaczać, że chłodziwo, czy nawet woda chłodząca, zagotuje się.

Produktem ubocznym procesu spalania jest duża ilość ciepła. Jeśli pozwolono by na niekontrolowane gromadzenie się ciepła w silniku, jego elementy w końcu rozszerzyłyby się do tego stopnia, że przestałyby się obracać. Aby zwalczyć ten efekt, płyn chłodzący krąży w silniku i pochłania jego ciepło.

Po absorpcji ciepła z silnika, chłodziwo płynie dalej do chłodnicy. Chłodnica oddaje ciepło z płynu do atmosfery, chłodząc płyn, który z kolei chłodzi silnik. Chłodnice są często używane do chłodzenia płynów z automatycznych skrzyń biegów, chłodziwa z klimatyzacji, powietrza dolotowego, a czasem oleju silnikowego lub płynu ze wspomagania kierownicy.

Chłodnica

Chłodnice samochodowe składają się z pary metalowych lub plastikowych zbiorników połączonych szeregiem rdzeni o wąskich rurkach, co zapewnia dużą powierzchnię przy danej objętości. Rdzeń ten jest zwykle wykonany z ułożonych w stos warstw blachy, wciśniętych w kanały i zlutowanych lub zespawanych ze sobą.

Przez wiele lat chłodnice były wykonywane z rdzeni mosiężnych lub miedziano-mosiężnych lutowanych do mosiężnych głowic kolektorów. Nowoczesne jednostki mają aluminiowy rdzeń i często pozwalają oszczędzić na kosztach produkcji i wadze poprzez zastosowanie plastikowych osłon z uszczelkami. Taka konstrukcja jest bardziej podatna na awarie i trudniejsza do naprawy niż materiały konwencjonalne.

Pompa

Chłodnice najpierw wykorzystywały pionowy przepływ w dół, wyłącznie przez efekt termosyfonu. Płyn chłodzący nagrzewa się w silniku, staje się rzadszy i przez to idzie w górę. Gdy chłodnica chłodzi płyn, staje się on gęstszy i opada na dół.

Efekt ten jest wystarczający dla silników stacjonarnych małej mocy, ale niewystarczający dla dużych pojazdów. Przez wiele lat wszystkie samochody używały pompy odśrodkowej do cyrkulacji płynu chłodzącego silnik, ponieważ naturalny obieg ma bardzo niski przepływ.

Termostat

Temperatura silnika w nowoczesnych samochodach jest kontrolowana przede wszystkim przez termostat woskowo-peletowy, czyli zawór, który otwiera się, gdy silnik osiągnie optymalną temperaturę pracy.

Kiedy silnik jest zimny, termostat jest zamknięty, z wyjątkiem małego przepływu obejściowego („mały obieg”). Termostat rejestruje zmiany temperatury płynu chłodzącego w miarę rozgrzewania się silnika. Płyn chłodzący silnik jest kierowany przez termostat do wlotu pompy obiegowej i z ominięciem chłodnicy wraca bezpośrednio do silnika. Dzięki obiegowi płynu tylko przez silnik, osiąga on optymalną temperaturę pracy tak szybko, jak to możliwe, unikając jednocześnie lokalnych „gorących punktów”. Gdy płyn chłodzący osiągnie temperaturę aktywacji termostatu, otwiera się on, pozwalając płynowi przepływać przez chłodnicę, aby zapobiec dalszemu wzrostowi temperatury.

Po osiągnięciu optymalnej temperatury termostat reguluje przepływ płynu chłodzącego silnik do chłodnicy, umożliwiając silnikowi pracę w optymalnej temperaturze.

W warunkach szczytowego obciążenia, takich jak powolne pokonywanie stromego wzgórza w upalny dzień, termostat otworzy się całkowicie, ponieważ silnik wytwarza moc bliską maksymalnej, podczas gdy prędkość powietrza przepływającego przez chłodnicę jest niska, co również utrudnia wymianę ciepła.

Natomiast podczas jazdy po autostradzie w zimną noc, termostat będzie prawie zamknięty, ponieważ chłodnica może odprowadzić znacznie więcej ciepła niż wytwarza go silnik. Jeśli do chłodnicy dostanie się zbyt dużo płynu chłodzącego, silnik będzie pracował w temperaturze niższej niż optymalna, co spowoduje zmniejszenie wydajności paliwa i zwiększenie emisji spalin.

Termostat porusza się więc stale w swoim zakresie, reagując na zmiany obciążenia roboczego pojazdu, prędkości i temperatury zewnętrznej, aby utrzymać silnik w optymalnej temperaturze roboczej.

źródło: en.wikipedia.org