Układy chłodzenia w tłokowych silnikach spalinowych

Oprócz zapewnienia bezpiecznego poziomu temperatur ważnych elementów silnika, istnieje jeszcze kilka innych czynników, które ograniczają maksymalną wartość temperatury w silniku. Chociażby własności olejów silnikowych pogarszają się po przekroczeniu pewnej granicy, która może być różna dla poszczególnych olejów. Pogarsza się również napełnienie cylindra, ponieważ będzie rosnąć temperatura ładunku napływającego do komory spalania. Przy wysokich temperaturach silnika znacznie łatwiej może wystąpić spalanie stukowe.

Należy także pamiętać, że elementy silnika mają określoną rozszerzalność cieplną, tzn. wraz ze wzrostem temperatury zmieniają się ich wymiary. Są to oczywiście setne części milimetra, ale silnik jest zawsze projektowany w taki sposób, aby przy temperaturze pracy (ok. 80 – 100 stopni Celsjusza) elementy były "ułożone względem siebie" jak najlepiej.

Z drugiej strony nie można przesadzić z chłodzeniem. W niskich temperaturach pogarszają się warunki odparowania paliwa. Zakłóca to proces spalania i powoduje wyższą emisję węglowodorów i tlenków węgla. Może to prowadzić nawet do zmywania warstwy oleju ze ścianek cylindra i tym samym prowadzić do szybszego zużycia układu tłok – cylinder.

Biorąc pod uwagę powyższe ograniczenia, układy chłodzenia budowane są w taki sposób, aby zapewnić jak najbardziej optymalną temperaturę pracy silnika. Najczęściej przez sterownik układu chłodzenia analizowana jest temperatura cieczy chłodzącej na wyjściu z głowicy (w przypadku układów pośrednich) lub temperatura powietrza tuż za głowicą (w przypadku układów bezpośrednich).

Układy chłodzenia można podzielić na dwa zasadnicze typy – bezpośredni i pośredni. W pierwszym z nich do chłodzenia wykorzystywane jest powietrze, które owiewa silnik. Układy bezpośrednie można podzielić jeszcze na dwa kolejne rodzaje: naturalne i wymuszone.

Naturalne bezpośrednie układy chłodzenia występują np. w motocyklach. Przepływa powietrza wymuszony jest pędem pojazdu. Jeśli chłodzenie silnika powietrzem występuje nie tylko podczas jazdy, ale także na postoju np. poprzez wentylator, to taki układ nazywany jest wymuszonym.

W bezpośrednich układach chłodzenia najistotniejszym jest odpowiednie ukształtowanie użebrowania głowicy i cylindra. Konstruktorzy stosują również dodatkowe owiewki, kierujące strumień powietrza na gorące elementy głowicy i cylindra. Ze względu na zabudowanie jednostki napędowej w samochodzie, często stosuje się dodatkowe dmuchawy i systemy sterowania intensywności przepływu powietrza oraz rozdziału na poszczególne cylindry.

Największą zaletą bezpośredniego układu chłodzenia jest szybkie nagrzewanie silnika. Dzięki temu w silnikach chłodzonych w ten sposób wolniej zużywają się tłoki, pierścienie, tuleje cylindrów. Konstrukcja głowicy oraz kadłuba (bloku silnika) jest prostsza. Jako że w takim układzie chłodzenia nie występuje ciecz chłodząca, to wyeliminowana jest możliwość awarii na skutek przedostania się cieczy do układu smarowania. Bezpośrednie układy chłodzenia są łatwe w obsłudze i charakteryzują się wysoką niezawodnością.

Niestety silniki z tymi układami odznaczają się wyższymi temperaturami obiegu i gorących podzespołów silnika. Sprzyja to spalaniu stukowemu, dlatego też obniża się w nich stopień sprężania, co jednak wpływa na zmniejszenie sprawności silnika. Warunki pracy oleju silnikowego są gorsze. Jednostki napędowe z bezpośrednimi układami chłodzenia są głośniejsze.

Wynika to z braku tłumienia przez ciecz chłodzącą i rezonujące działanie użebrowania bloku i głowicy. Stosowanie indywidualnych cylindrów i głowic powoduje większe odstępy pomiędzy cylindrami, co zwiększa długość silnika i jego masę, a pogarsza sztywność konstrukcji kadłuba.

Obecnie stosowanym układem chłodzenia w samochodach osobowych jest układ chłodzenia pośredniego. Wykorzystuje on do chłodzenia silnika ciecz, która chłodzona jest podczas jazdy samochodem w wymienniku ciepła. Głównymi elementami takiego układu są chłodnica, termostat, nagrzewnica, czujniki temperatury, pompa wymuszająca obieg cieczy chłodzącej (pompa wody), zbiornik wyrównawczy, wentylator oraz przewody łączące cały układ. Blok silnika ma natomiast wewnątrz specjalne kanaliki i miejsca, którymi przepływa ciecz chłodząca.

W pośrednim układzie chłodzenia są dwa obieg: mały i duży. Obieg cieczy wymuszany jest poprzez pompę, która krąży tylko w kadłubie silnika jeśli działa tylko mały obieg. W przypadku osiągnięcia przez ciecz odpowiednio wysokiej temperatury otwierany jest duży obieg. Następuje otwarcie termostatu, który jest sterowany elektronicznie, dzięki czemu ciecz chłodząca zaczyna przepływać przez chłodnicę.

Tam jest chłodzona w wyniku pędu powietrza, który wynika z poruszania się samochodu. Jeśli układ osiągnie mimo to jeszcze wyższą temperaturę (np. podczas jazdy samochodem w korku) w okolicach 98 stopni Celsjusza, uruchamiany jest wentylator. Wymusza on dodatkowy przepływ powietrza przez chłodnicę.

Największa zaletą pośredniego układu chłodzenia jest oczywiście wysoka skuteczność odprowadzania ciepła. Wynika to między innymi z dużego współczynnika przejmowania ciepła między metalową ścianą, a cieczą. Istnieje także duża dowolność w konstruowaniu kanałów, które poprowadzone są w kadłubie, dzięki czemu można optymalnie kierować strumieniem ciepła. Niższy poziom maksymalnych temperatur pozwala na stosowanie większych stopni sprężania, a co za tym idzie osiągania większej mocy.

Przepływająca ciecz bardzo dobrze tłumi hałas wynikający z pracy silnika. Przy wykorzystaniu takiego układu większa jest także sztywność głowicy oraz kadłuba. Gorąca ciecz wykorzystywana jest też do nagrzewania wnętrza pojazdu. Po otwarciu zaworu nagrzewnicy, przepływająca przez nią ciecz ogrzewa strumień powietrza skierowany do kabiny pasażerskiej.

Do głównych wad należą przede wszystkim zwiększone koszty produkcji silnika oraz osprzętu. Dłuższy jest także czas nagrzewania silnika, a to, jak już wcześniej wspomniałem, wpływa na zużywanie się takich elementów jak tłoki, pierścienie czy cylindry.