Техническое обслуживание и конструкция радиатора

Техническое обслуживание и конструкция радиатора

В действительности теплообмен между охлаждающей жидкостью и воздухом происходит в радиаторе. Насекомые и отложения, которые ограничивают поток воздуха через сердечник радиатора, должны быть удалены для поддержания соответствующей эффективности агрегата. Но настоящей проблемой является удаление кусочков резины от шин, которые попадают внутрь при движении по треку во время гонки. Самым простым методом кажется погружение радиатора (после закрытия всех отверстий) на день или два в емкость с растворителем. Затем необходимо направить поток сжатого воздуха в заднюю часть радиатора. Все резиновые шарики, которые не удастся удалить таким способом, можно осторожно извлечь вручную. При этом будьте осторожны, так как большая емкость с растворителем может быть опасна для вашего здоровья, атакже создаст риск возгорания. Все деформированные ребра радиатора необходимо выпрямить, так как деформированные ребра могут затруднить прохождение потока воздуха, как и различные засорения. Эффективность радиатора можно увеличить еще больше, если его регулярно красить черной матовой краской. Это также значительно увеличит срок службы сердечника радиатора, снижая вероятность возникновения коррозии.

Различные засорения после движения по треку и деформированные ребра радиатора ограничивают интенсивность потока воздуха. Отложения необходимо устранить, а деформированные ребра следует выпрямить при помощи щипцов с плоскими захватами.

Однако, когда речь идет о радиаторе гоночного автомобиля, стоит учитывать гораздо большее количество факторов, например то, будет ли радиатор сконструирован из меди или из алюминия, как много рядов трубок будет установлено в радиаторе, а также какое количество ребер будет наиболее подходящим.

Многие люди делают выбор между медным и алюминиевым радиаторами, основываясь на возможном выигрыше в весе, однако это кажется бессмысленным, так как большую часть веса радиатора составляет охлаждающая жидкость, которая через него циркулирует. Медь лучше проводит тепло, но при ударах алюминий демонстрирует большую стойкость к повреждениям, также намного меньше вероятность повреждения алюминиевого радиатора под воздействием гальки и других посторонних частиц на треке.

На самом деле наибольшим различием между двумя вилами радиаторов будет их относительная прочность. Медь является достаточно хрупким материалом, поэтому, чтобы избежать повреждения трубок под воздействием высокого давления охлаждающей жидкости, они должны быть достаточно узкими. С другой стороны, алюминий гораздо прочнее, поэтому трубки могут быть в два раза шире. Сразу вы, возможно, не поймете это преимущество, но, если вы посмотрите на рис. 21.2, вы поймете, в чем заключается выгода. Характеристики интенсивности потока охлаждающей жидкости в четырехрядном медном радиаторе практически такие же, как и в двухрядном алюминиевом радиаторе. Однако, если мы рассмотрим область теплоотдачи, алюминиевые трубки обеспечивают увеличение области теплоотдачи на 20%. Ребра, которые передают тепло воздуху, проходящему через радиатор, соприкасаются только с плоскими сторонами трубок. Закругленные края трубок не оснащены ребрами, поэтому теплоотдача в этих участках не будет иметь какой-либо значимости. Именно поэтому, так как число краев трубок будет меньше, алюминиевый радиатор будет передавать больше тепла к ребрам.

Рис. 21.2. Трубки алюминиевого радиатора в два раза шире трубок медного радиатора.

Другим важным различием при сравнении этих двух радиаторов, устанавливаемых на легковые автомобили, использующиеся в условиях городского движения, являются их конструктивные особенности. Трубки радиатора намного дороже, чем ребра, поэтому в серийных легковых автомобилях на количестве трубок пытаются экономить, при этом стараясь компенсировать это увеличением числа ребер (рис. 21.3). При низкой частоте вращения это не будет проблемой, однако при скорости движения на треке все эти близко расположенные ребра будут значительно ограничивать интенсивность потока воздуха, проходящего через радиатор. Даже при условии хорошей вентиляции, которая будет направлять воздух в радиатор, интенсивность потока воздуха все равно будет недостаточной для быстрого охлаждения ребер радиатора. Это примерно так же, как лить масло через воронку. Интенсивность потока контролируется размером отверстия в нижней части воронки; размер отверстия в верхней части воронки, а также количество масла, которое вы заливаете в воронку, на самом деле не будут влиять на пропускную способность.

Рис. 21.3. Плотность расположения трубок и ребер влияет на технические характеристики радиатора.

Единственный способ преодолеть эту проблему – создать радиатор с большим количеством трубок, однако они не должны располагаться слишком близко друг к другу: если только мы не сделаем радиатор шире, это лишь усложнит проблемы с пропускной способностью воздуха. Чаще всего оптимальным решением является установка большего количества трубок одна за другой. Обычно в легковых автомобилях используют двухрядные или, возможно, трехрядные медные радиаторы, в то время как в гоночных автомобилях используются четырех- и даже пятирядные радиаторы, ичтобы оптимизировать пропускную способность воздуха, эти трубки могут располагаться на незначительном расстоянии в передней части радиатора. Поэтому, хотя в радиаторе серийного автомобиля трубки могут располагаться на близком расстоянии (например, с плотностью 29 трубок на фут), а плотность ребер будет составлять 17 на дюйм, в радиаторе гоночного автомобиля плотность трубок может составлять 22 на фут при плотности ребер 10–12 на дюйм или даже 8 ребер на дюйм в автомобилях, предназначенных для гонок по бездорожью, так как предотвратить попадание загрязнений в радиатор будет практически невозможно.

Если вы присмотритесь к ребрам, вы лучше поймете, почему их высокая плотность так негативно сказывается на пропускной способности воздуха в радиаторе. Поверхность ребер будет не плоской и гладкой, а скорее гофрированной, и именно это позволит создать турбулентность, чтобы оптимизировать теплоотдачу. А так как эти ребра будут расположены ближе друг к другу, турбулентность по их поверхности будет ограничивать интенсивность потока воздуха через радиатор.

Когда дело доходит до устранения проблем в системе охлаждения, гонщики часто подходят к этому вопросу неправильно. Они используют схему радиаторов серийных легковых автомобилей, в которых трубки расположены достаточно близко друг к другу, и используется большое количество ребер. Когда эта конструкция оказывается неэффективной, они иногда пробуют использовать еще большее количество ребер! Так как ситуация сперегревом еще больше осложняется, они пытаются увеличить частоту вращения водяного насоса, что в свою очередь в лучшем случае приводит к увеличению паразитной мощности или кавитации водяного насоса. Они также могут убрать ограничитель, из-за чего давление охлаждающей жидкости в головке и блоке цилиндров снизится, что приведет к образованию больших паровых карманов. В двигателе в таком случае может возникнуть детонация и снижение мощности в лучшем случае, также возможно повреждение прокладки головки блока цилиндров или поршня.

На самом деле нам необходимо увеличить количество трубок радиатора и сократить количество ребер. Это стоит дороже, но в конечном итоге преимущества будут значительными. Если радиатор будет снижать температуру слишком сильно, вы можете уменьшить частоту вращения насоса, но обязательно установите ограничитель с меньшим отверстием, чтобы вернуть давление в блоке цилиндров до значения 2 бар. Если частота вращения насоса будет меньше, паразитная мощность также сократится, и, следовательно, сопротивление интенсивности потока воздуха через радиатор будет меньше.

Гофрированная форма ребер радиатора увеличивает турбулентность воздуха, таким образом увеличивая их теплозащитные свойства.

Двухслойный радиатор

Еще одним способом улучшения способности радиатора отводить тепло является конструкция двухслойного радиатора (рис. 21.4). Как вы можете видеть, в корпусе приваривается разделительная пластина, заставляющая охлаждающую жидкость проходить только через половину от общего количества трубок, но при этом увеличивающая в два раза расстояние, которое будет проходить жидкость от одной стороны радиатора кдругой вверхней половине радиатора, а затем обратно в нижней половине радиатора. При условии, что вы установили соответствующий насос, двухслойный радиатор будет отводить на 15–20% больше тепла, чем идентичный однослойный радиатор.

Рис. 21.4. Двухслойный радиатор уменьшает в два раза количество трубок и увеличивает в два раза их длину.

Это происходит, даже несмотря на снижение интенсивности потока в трубках на 25–30% вследствие увеличения трения и турбулентности потока охлаждающей жидкости. Что же обеспечивает увеличение эффективности? Конечно же, вода перемещается на большее расстояние, отдавая тепло по мере движения. Однако на самом деле причиной является скорее увеличение турбулентности водяного потока в трубках. При низкой интенсивности потока вода, «пристающая» к стенкам трубок, застаивается и тем самым создает изоляцию, которая снижает теплоотдачу вцентральной части трубки. При увеличении интенсивности потока охлаждающей жидкости посредством уменьшения количества трубок врадиаторе турбулентность потока возрастает, удаляя со стенок трубки «изоляционное покрытие». Таким образом, теплоотдача значительно возрастает.

Регулировка температуры охлаждающей жидкости при помощи термостата

Высокотемпературный термостат, который будет поддерживать температуру охлаждающей жидкости на уровне 88–95°С, обычно устанавливается на автомобили серийного производства, однако это не тот температурный режим, который будет обеспечивать оптимальную мощность. Подойдет термостат с рабочей температурой 88°С, если вы хотите получить высокую эффективность отопителя зимой. Более высокие температуры помогут сократить расход топлива при движении на крейсерской скорости, а также избавиться от загрязнений в моторном масле, но, кроме этого, особых причин для его использования нет.

Некоторые считают, что высокая температура охлаждающей жидкости (в диапазоне 90–100°С) хорошо влияет на мощность. Эта теория базируется на том, что при более низкой температуре тепловая энергия будет расходоваться зря, в то время как ее можно было бы использовать для перемещения поршня вниз и, соответственно, для увеличения мощности. В определенной степени это так, особенно при низкой частоте вращения и небольшом угле открытия дроссельной заслонки, но, в общем, при тестировании на динамометрическом стенде при высокой частоте вращения иполностью открытой дроссельной заслонке заводской двигатель будет обладать большей мощностью при температуре охлаждающей жидкости 70–80°С. Только испытания на динамометрическом стенде помогут определить идеальную температуру охлаждающей жидкости для отдельно взятого двигателя. По собственному опыту могу сказать, что я редко встречал двигатели, которые обладали большей мощностью при температуре охлаждающей жидкости выше 84 или ниже 68°С. Я видел, как мощность в двигателях возрастала на 2–3% при снижении температуры охлаждающей жидкости с 90 до 70°С, и наоборот: я видел, как мощность возрастала при увеличении температуры охлаждающей жидкости с 65 до 80°С. Двигатели гоночных автомобилей «Формулы-1» теперь работают при температуре охлаждающей жидкости 105–110°С, но учтите, что было вложено немало средств в разработку этих двигателей, чтобы температура во всем впускном канале не намного превышала температуру окружающей среды. Также они оснащены ужасной камерой сгорания, где процесс горения протекает чрезвычайно медленно, в общем, это просто четыре отверстия в днище поршня для посадки клапанов, а также «огненный купол» под свечой зажигания, что требует смещения угла опережения зажигания до 50° перед верхней мертвой точкой.

Справа показан термостат с перепускным клапаном. Когда он открывается, «шляпка» закрывает перепускной канал в двигатель, обеспечивая циркуляцию охлаждающей жидкости только по радиатору. Ни в коем случае не заменяйте термостат с перепускным клапаном обычным термостатом.

Температуру охлаждающей жидкости в легковом автомобиле, предназначенном для использования в условиях городского движения, можно снизить, установив низкотемпературный термостат, при условии, что радиатор достаточно большой. При замене термостата используйте новый термостат соответствующего типа. Во многих современных двигателях используется термостат двойного действия с перепускным клапаном. При открытии, когда поток охлаждающей жидкости попадает из головки блока цилиндров в радиатор, этот тип термостата также закрывает перепускной канал двигателя. Если ваш автомобиль оснащен обычным термостатом, этот канал будет оставаться открытым, таким образом позволяя большому объему горячей охлаждающей жидкости циркулировать по закрытому контуру в двигателе. Это может привести к перегреву двигателя, так как большое количество горячей охлаждающей жидкости из перепускного канала будет смешиваться с охлаждающей жидкостью из радиатора, значительно увеличивая его температуру по мере прохождения потока к двигателю.

Вентилятор охлаждения радиатора

Вентилятор, устанавливающийся на большинство моделей автомобилей, потребляет значительную мощность, которую можно было бы использовать эффективнее для оптимизации технических характеристик и снижения расхода топлива. В общем, скорость перемещения в условиях городского движения 40км/ч и выше обеспечит достаточную циркуляцию воздуха для охлаждения двигателя. Поэтому в гоночных автомобилях чаще всего в установке вентилятора охлаждения особой нужды нет.

Если вентилятор все-таки необходим, лучше установить электрический вентилятор, который может увеличить срок службы двигателя в раллийных автомобилях. Вы никогда не знаете, придется ли вам двигаться по заболоченной местности или подниматься по пыльному склону при участии враллийных гонках, а ведь любая из перечисленных выше ситуаций может вызвать закипание охлаждающей жидкости, если ваш автомобиль не оснащен вентилятором.

В автомобилях с водяным охлаждением, в которых радиаторы установлены сзади или сбоку, скорее всего, придется установить вентилятор больших размеров, а также отдельный расширительный бачок, подсоединенный к радиатору. Некоторые двигатели склонны к перегреву, если главный бак радиатора не полон, что обеспечивало бы необходимую интенсивность потока охлаждающей жидкости через сердечник радиатора. Расширительный бачок обеспечивает заполнение главного бака.

Если ваш автомобиль оснащен радиатором, установленным в передней части кузова автомобиля, вентилятор можно снять, при этом можете быть уверены, что температура охлаждающей жидкости будет на соответствующем уровне при любых дорожных условиях. Это самая простая модификация, которую выполняют на автомобилях Mini, особенно с кузовом Clubman.

Если установлен электрический вентилятор, его необходимо размещать за радиатором, чтобы предотвратить ограничение интенсивности потока воздуха в радиатор. Тестирование показало, что вентилятор, установленный перед радиатором, работает с эффективностью примерно 80% по сравнению с вентилятором, установленным позади радиатора. Также запомните, что вентилятор может потреблять примерно 10А, поэтому убедитесь, что генератор вашего автомобиля сможет справиться с дополнительной нагрузкой. В современных гоночных двигателях требования кэлектрическим системам очень жесткие, поэтому не стоит надеяться, что все будет хорошо. Я видел двигатели, которые глохли при включении вентилятора, так как электронный блок управления не мог справиться с перегрузкой электрической системы. Также бывали ситуации, когда двигатель терял мощность и был близок к серьезным повреждениям, так как частота вращения топливного насоса снижалась, как и давление топлива в форсунках.

Некоторые водители предпочитают держать электрический вентилятор включенным постоянно, чтобы обеспечить эффективное охлаждение, но часто это означает необходимость установки большего радиатора с лучшей пропускной способностью. Исключение составляют гоночные автомобили с закрытой радиаторной решеткой, что делается для улучшения аэродинамики. Другие используют управление термостатом, чтобы включать вентилятор на установленной температуре. Лично я считаю, что это только осложняет ситуацию. Я бы порекомендовал водителю использовать простой выключатель, чтобы активировать вентилятор при необходимости.

Оптимизация интенсивности потока воздуха, проходящего через радиатор

Еще одна ситуация, при которой электрический вентилятор будет обеспечивать более эффективное охлаждение, в радиаторе создастся тогда, когда интенсивность потока воздуха через радиатор будет снижена вследствие слишком высокого давления в моторном отсеке. На самом деле нам необходимо удалить воздух из моторного отсека, чтобы понизить давление воздуха как можно больше за радиатором. Однако, пока вы будете искать решение, вентилятор может стать кратковременной альтернативой. Ограничение интенсивности потока под передней частью кузова автомобиля может помочь, как и увеличение отверстий в области ступицы колеса. Иногда причиной проблемы может быть неподходящий воздухозаборник на капоте, который будет обеспечивать подачу интенсивного потока воздуха в воздухозаборник двигателя, а также поток охлажденного воздуха над турбокомпрессором, но при этом «перенасыщать» моторный отсек воздухом.

Воздуховод направляет весь воздух, проходящий под отверстием бампера, через промежуточный охладитель, конденсор системы кондиционирования и радиатор. Вторичной функцией воздуховода является направление воздуха, входящего в небольшое отверстие над бампером в капоте, через корпус правой фары головного освещения в воздуховод двигателя.

Конечно же, стоит приложить все возможные усилия, чтобы весь воздух, попадающий через переднюю часть кузова автомобиля, действительно проходил через радиатор. Мы не хотим, чтобы воздух обходил радиатор. Это означает, что необходимо заблокировать все отверстия вокруг радиатора или сконструировать воздуховод от передней части кузова автомобиля, который будет герметично примыкать к краям радиатора.

Преимущества

Некоторым, несомненно, вся эта дискуссия по поводу охлаждения может показаться слишком преувеличенной. Однако позвольте напомнить вам, что во время эры турбокомпрессоров в гонках «Формула-1» основной проблемой для команд-соперников, даже несмотря на их неограниченные ресурсы, являлось именно охлаждение двигателя. И хотя многие любители не достигают таких предельных спецификаций, как команды «Формулы-1», факт остается фактом: при более высоких уровнях мощности в относительно небольших заводских двигателях мы выходим за рамки того, что конструкторы предусмотрели при создании автомобиля. Следовательно, если мы хотим получить подобную мощность, при этом не забывая о надежности, нам придется потратить большое количество времени и ресурсов, чтобы позаботиться об эффективном охлаждении двигателя.

Есть и еще один немаловажный аспект: если вы хотите получить более высокую мощность, это станет реальным только в том случае, если вы сможете уравновесить температуры в камере сгорания и в цилиндре. В противном случае по крайней мере один из цилиндров не будет работать на полную мощность. А если в нашем автомобиле не установлена система управления двигателем, допускающая возможность индивидуальной регулировки рабочих параметров в каждом цилиндре, ситуация еще больше осложняется, так как цилиндр, в котором будет происходить детонация, будет становиться определяющим фактором при установке давления наддува, регулировке подачи топлива и угла опережения зажигания для остальных цилиндров.