Budowa i zasada działania układu chłodzenia cieczą

Trzeba przyznać, że układ chłodzenia to niefortunna nazwa. Owszem, jego głównym zadaniem jest chłodzenie silnika, ale trzeba też pamiętać o tym, że silnik nie powinien być zbyt zimny. Zatem prawdziwą rolą układu chłodzenia jest utrzymywanie optymalnej temperatury silnika. Zimny silnik nie pracuje w pełni sprawnie, co można zaobserwować zimą, zwłaszcza w przypadku silników z zapłonem samoczynnym. Właściwa temperatura ma istotny wpływ na stan mieszanki paliwowo-powietrznej i jej spalanie. Niska temperatura pracy zakłóca proces spalania i powoduje wyższą emisję węglowodorów i tlenków węgla.

W silnikach benzynowych ważne jest odparowanie paliwa, które przy zimnym silniku osadzałoby się w postaci drobinek na gładzi cylindrów. Dlatego też często stosuje się rozwiązania zapewniające dogrzewanie układu dolotowego spalinami. W silnikach wysokoprężnych temperatura cylindrów ma duży wpływ na spalanie mieszanki i właściwą pracę silnika podczas suwu sprężania, gdy dochodzi do samoczynnego jej zapłonu. Ponadto praca silnika w optymalnej temperaturze chroni jego wnętrze przed korozją, a co za tym idzie - wpływa na trwałość. Dla trwałości znaczenie ma też odpowiednia temperatura oleju, który nagrzewa się bezpośrednio od silnika. Zimny olej nie zapewnia właściwego smarowania.

Optymalna temperatura dla cieczy chłodzącej to 85-90 stopni Celsjusza, mierzona na jej wylocie z silnika. Teoretycznie najlepsze dla silnika byłoby utrzymywanie temperatury na poziomie 100 stopni C., ale to powodowałoby problemy z konstrukcją układu chłodzenia (musiałby właściwie znosić wysokie ciśnienie pary wodnej) i jego użytkowaniem (trzeba by często uzupełniać płyn chłodzący).

Ostatnią rolą układu chłodzenia, która nie ma nic wspólnego z pracą silnika, jest ogrzewanie kabiny pasażerskiej. Nagrzewnica jest elementem układu chłodzenia, a to z niej bierze się ciepło, które wentylator dostarcza do wnętrza pojazdu.

Chłodzenie cieczą określane jest jako chłodzenie pośrednie, ponieważ ciecz jest pośrednikiem między silnikiem oddającym ciepło do cieczy a powietrzem, którego rolą jest jej chłodzenie. Chłodzenie bezpośrednie to chłodzenie powietrzem, praktycznie niestosowane już w silnikach samochodowych i coraz rzadziej spotykane w motocyklach.

Schematyczny układ chłodzenia cieczą jest stosunkowo prosty i zasadniczo składa się z ledwie kilku elementów. W centrum oczywiście znajduje się silnik, w którym wyrzeźbiono kanały wodne otaczające jego najbardziej narażone na wysokie temperatury części. Kanały wodne wewnątrz silnika wyprowadzają ciecz na zewnątrz poprzez przewody wodne (gumowe i/lub sztywne). Przewody te doprowadzają również z zewnątrz ciecz do kanałów wodnych. Kanały wodne prowadzą ciecz do/z dwóch układów z wymiennikami ciepła. Jednym jest układ chłodzenia z chłodnicą, a drugim układ ogrzewania z nagrzewnicą. Układy te pełnią odwrotne funkcje. Zajmijmy się najpierw układem chłodzącym.

Najważniejszą częścią układu chłodzenia jest chłodnica, której zadanie polega na odprowadzaniu ciepła z cieczy wypływającej z silnika. Obieg cieczy wymusza pompa wody znajdująca się przy silniku, której wirnik wnika do jego wnętrza, gdzie rozpoczyna obieg cieczy. Ciecz wypychana z silnika kierowana jest bezpośrednio do chłodnicy. W chłodnicy (o jej budowie przeczytacie poniżej) ciecz traci ciepło poprzez pęd powietrza, które na nią wpada. Jeśli samo powietrze z zewnątrz nie daje rady ostudzić cieczy, chłodnicę wspomaga wentylator, najczęściej elektryczny, uruchamiany wtedy, gdy temperatura cieczy dochodzi do temperatury grożącej jej wrzeniem. Schłodzona w chłodnicy ciecz wraca do obiegu, trafia do silnika i rozpoczyna kolejne okrążenie.

Jak wspomniałem, cały układ chłodzenia jest wyposażony w część grzejącą pasażerów samochodu. Znajduje się ona po drugiej stronie silnika, ponieważ w niej ciecz ma być gorąca. Skąd bierze się tam ciecz? Otóż układ chłodzenia jest skonstruowany w taki sposób, by gorąca ciecz wychodząca z silnika była rozdzielana na dwa układy, oczywiście nie po równo, tylko adekwatnie do potrzeb. Znaczna większość cieczy przepływa przez chłodnicę, a mniejsza przez nagrzewnicę. Gdy ciecz opuści nagrzewnicę, z której ciepło odbiera wentylator doprowadzający nagrzane powietrze do kabiny, trafia z powrotem do silnika.

I w tym miejscy doszliśmy do kolejnego podziału układu na dwa obiegi: mały i duży. Małym nazywa się obieg tylko przez nagrzewnicę, a dużym przez cały układ. Znając już zasadę działania obu układów/obiegów, możecie zrozumieć, jak łatwo nagrzać zimną ciecz chłodzącą do temperatury optymalnej dla pracy silnika. Otóż w miejscu, w którym układy chłodzenia i nagrzewania się łączą, a właściwie dzielą na dwa obiegi, znajduje się termostat. Termostat to proste urządzenie, które pracuje płynnie, rozdzielając ciecz na dwa układy.

Gdy jej temperatura jest zbyt niska, termostat zamyka układ chłodzenia i puszcza ciecz tylko przez układ nagrzewania. Oczywiście, nie całą, bo znaczna część cieczy znajduje się cały czas w chłodnicy, ale brak obiegu przez nią powoduje, że z niej nie wypływa. Gdy ciecz krąży tylko wąskimi kanałami układu ogrzewania i w żaden sposób nie jest chłodzona, szybko osiąga wysoką temperaturę. Wtedy termostat się otwiera i kieruje ciecz do układu chłodzenia, część pozostawiając w układzie nagrzewania.

Chłodnica jest wymiennikiem ciepła o teoretycznie bardzo prostej budowie. Gdyby chcieć opisać ją schematycznie, jest powyginaną, sztywną rurą będącą kanałem wodnym, przez który przepływa ciecz chłodząca. Jest tak ukształtowana, by trafiało na nią i opływało ją powietrze z zewnątrz. Tyle teorii, a w praktyce wygląda to tak, że na chłodnicę składają się liczne kanały z umieszczonymi na nich żeberkami powiększającymi powierzchnię wymiany ciepła. Mogą to być zarówno cienkie rurki, jak i komory, przez które przepływa ciecz, a jednocześnie opływa je chłodzące powietrze. Chłodnice skonstruowane są tak, że powietrze, które trafia na ich powierzchnię, musi przez nie przepłynąć – mówiąc kolokwialnie - na wylot przez chłodnicę. W górnej części chłodnicy zawsze znajduje się kanał doprowadzający gorącą ciecz, a w dolnej odprowadzający już schłodzoną. Chłodnica zawsze ma zawór chroniący ją przed wysokim ciśnieniem nadmiernie rozgrzanej cieczy. Jest on umieszczony zwykle w korku wlewowym, rzadziej w korku zbiornika wyrównawczego.

Zbiornik wyrównawczy to oddzielny zbiorniczek. Na dobrą sprawę nie jest nawet elementem układu chłodzenia. Jego rolą jest wyrównywanie poziomu cieczy w układzie. Gdy ciecz się nagrzewa, a jej objętość rośnie, objętościowy nadmiar cieczy trafia do zbiorniczka. Z kolei gdy ciecz się schłodzi i zmniejszy swoją objętość, układ uzupełniany jest cieczą ze zbiorniczka. Dlatego też właściwy poziom zimnej cieczy w zbiorniczku powinien zawierać się pośrodku wskaźników minimum i maksimum.

Rolą wentylatora jest wymuszanie szybszego, niż wynika to z ruchu pojazdu przepływu powietrza przez żebra chłodnicy. Jest to zwyczajny wiatrak umieszczony przed chłodnicą (pchający) lub za nią (ssący). Kierunek przepływu powietrza jest zawsze taki sam, w stronę silnika.

We współczesnych samochodach wentylatory są napędzane i sterowane elektrycznie. Silnik elektryczny znajduje się w jego centralnej części i napędza przytwierdzone do niego łopatki. Włącza się, gdy dostanie sygnał od termowłącznika znajdującego się za termostatem. Takie umieszczenie termowłącznika powoduje, że wentylator nigdy się nie włączy, jeśli temperatura cieczy jest niska, czyli ciecz nie przepływa przez chłodnicę (termostat zamknięty). Termowłącznik jest prostym czujnikiem podatnym na temperaturę. Gdy temperatura osiągnie określoną wartość, termowłącznik przepuszcza prąd, który płynie do silnika napędzającego wentylator.

W zależności od konstrukcji samochodu wentylator może mieć dwa lub trzy biegi, które określają szybkość obracania się śmigła zależnie od temperatury cieczy. Alternatywnym rozwiązaniem jest umieszczenie na chłodnicy dwóch wentylatorów; pierwszy pracuje w normalnych warunkach, drugi zaś włącza się wtedy, gdy praca pierwszego jest niewystarczająca, a temperatura cieczy rośnie ponad normalną wartość. Celowo pominąłem fakt, że wentylatory chłodnicy są również częścią układu klimatyzacji i włączają się w zależności od niego. Zrobiłem to, ponieważ opisuję układ chłodzenia, a nie klimatyzacji.