Роль вентилятора в жидкостном охлаждении

Перенос образующегося при работе мотора тепла в атмосферу требует постоянного обдува радиатора системы охлаждения. Не всегда для этого достаточно интенсивности набегающего скоростного потока воздуха. При малых скоростях и полных остановках в дело вступает специально предназначенный вентилятор дополнительного охлаждения.

Принципиальная схема нагнетания воздуха в радиатор

Обеспечить прохождение воздушных масс через сотовую структуру радиатора возможно двумя способами – нагнетать воздух вдоль направления естественного потока с внешней стороны или создавать разрежение изнутри. Принципиальной разницы нет, особенно если используется система воздушных щитков – диффузоров. Они обеспечивают минимальный расход потока на бесполезные завихрения вокруг лопастей вентилятора.

Таким образом, типовых вариантов организации обдува два. В первом случае вентилятор располагается на двигателе или радиаторной рамке в подкапотном пространстве моторного отсека и создаёт напорный поток на двигатель, забирая воздух снаружи и пропуская его через радиатор. Чтобы лопасти не работали вхолостую, пространство между радиатором и крыльчаткой максимально плотно закрыто пластиковым или металлическим диффузором. Его форма также способствует использованию максимальной площади сот, поскольку обычно диаметр вентилятора значительно меньше, чем геометрические размеры радиатора.

При расположении крыльчатки с передней стороны привод вентилятора возможен лишь от электромотора, поскольку механической связи с двигателем препятствует радиаторная сердцевина. В обоих случаях выбранная форма радиатора и требуемая эффективность охлаждения может заставить использовать двойной вентилятор с крыльчатками меньшего диаметра. Такой подход обычно сопровождается усложнением алгоритма работы, вентиляторы способны коммутироваться раздельно, регулируя интенсивность обдува в зависимости от нагрузки и температуры.

Сама крыльчатка вентилятора может иметь достаточно сложную и аэродинамически проработанную конструкцию. К ней предъявляется целый ряд требований:

• количество, форма, профиль и шаг лопастей должны обеспечивать минимальные потери, не внося дополнительных затрат энергии на бесполезное перемалывание воздуха;
• в заданном диапазоне скоростей вращения срыв потока исключается, иначе падение эффективности отразится на тепловом режиме;
• вентилятор должен быть отбалансирован и не создавать как механических, так и аэродинамических вибраций, способных нагружать подшипники и соседствующие детали двигателя, особенно тонкие структуры радиаторов;
• шумность крыльчатки также минимизируется согласно общему тренду снижения производимого автомобилями акустического фона.

Если сравнить современные вентиляторы легковых автомобилей с примитивными пропеллерами полувековой давности, то можно отметить, что наука поработала и с такими достаточно очевидными деталями. Это видно даже внешне, а при работе хороший вентилятор почти бесшумно создаёт неожиданно мощный напор воздуха.

Типы привода вентиляторов

Создание интенсивного воздушного потока требует значительной мощности привода вентилятора. Энергию на это можно забирать от двигателя различными способами.

Непрерывное вращение от шкива

В ранних простейших конструкциях крыльчатка вентилятора просто надевалась на ременный шкив привода водяного насоса. Производительность обеспечивалась внушительным диаметром окружности лопастей, которые представляли собой просто отогнутые металлические пластины. Никаких требований по шумности не предъявлялось, находящийся рядом старинный двигатель заглушал все звуки.

Скорость вращения была прямо пропорциональна оборотам коленчатого вала. Определённый элемент регулирования температуры присутствовал, поскольку с ростом нагрузки на двигатель, а значит и скорости его вращения, вентилятор также начинал интенсивней прогонять воздух через радиатор. Дефлекторы ставились редко, всё компенсировалось переразмеренными радиаторами и большим объёмом охлаждающей воды. Тем не менее, понятие перегрева тогдашним водителям было хорошо знакомо, будучи платой за простоту и недостаточную продуманность.

Вязкостные муфты

У примитивных систем было несколько недостатков:

• плохое охлаждение на малых оборотах из-за низкой скорости прямого привода;
• при увеличении размеров крыльчатки и изменении передаточного числа для усиления обдува на холостых оборотах мотор начинал переохлаждаться с ростом скорости, а расход топлива на бестолковое вращение пропеллера достигал значительной величины;
• во время прогрева мотора вентилятор продолжал упорно охлаждать подкапотное пространство, выполняя в точности противоположную задачу.

Было ясно, что дальнейший рост экономичности и мощности двигателей потребует управления скоростью вентилятора. Задачу в какой-то степени решал механизм, известный в технике как вязкостная муфта. Но тут она должна быть устроена особым образом.

Муфта вентилятора, если представить её упрощенно и не учитывая различные варианты исполнения, состоит из двух дисков с насечками, между которыми располагается так называемая неньютоновская жидкость, то есть силиконовое масло, меняющее вязкость в зависимости от скорости относительного перемещения её слоёв. Вплоть до серьёзной связи между дисками через вязкий гель, в который она превратится. Остаётся лишь расположить там термочувствительный клапан, который подаст эту жидкость в зазор при росте температуры двигателя. Очень удачная конструкция, к сожалению, не всегда надёжная и долговечная. Но часто применявшаяся.

Ротор крепился к шкиву, вращающемуся от коленвала, а на статор надевалась крыльчатка. При высокой температуре и больших оборотах вентилятор выдавал максимальную производительность, что и требовалось. Не отнимая лишней энергии, когда обдув не нужен.

Магнитная муфта

Чтобы не страдать с химическими веществами в муфте, не всегда стабильными и долговечными, часто используется более понятное решение с точки зрения электротехники. Электромагнитная муфта состоит из фрикционных дисков, соприкасающихся и передающих вращение под действием тока, подаваемого в электромагнит. Ток происходил из реле управления, замыкающегося через датчик температуры, обычно устанавливаемый на радиаторе. Как только определялся недостаточный обдув, то есть жидкость в радиаторе перегревалась, контакты замыкались, муфта срабатывала, и крыльчатка раскручивалась всё тем же ремнём через шкивы. Способ часто используется на тяжёлых грузовиках с мощными вентиляторами.

Прямой электропривод

Наиболее часто на легковых автомобилях применяется вентилятор с крыльчаткой, непосредственно посаженной на вал электродвигателя. Питание этого мотора обеспечивается так же, как и в описанном случае с электромуфтой, только тут не требуется клиноременная передача со шкивами. Когда надо – электродвигатель создаёт обдув, отключаясь при нормальной температуре. Способ реализовали с появлением компактных и мощных электромоторов.

Удобным качеством такого привода является способность работать при остановленном двигателе. Современные системы охлаждения сильно нагружены, и если резко прекращается обдув, а помпа не работает, то возможны локальные перегревы в местах с максимальной температурой. Или закипание бензина в топливной системе. Вентилятор может поработать некоторое время после остановки, предотвратив проблемы.

Проблемы, неисправности и ремонт

Включение вентилятора уже можно считать аварийным режимом, поскольку регулирует температуру не он, а термостат. Поэтому систему принудительного обдува делают очень надёжно, и она редко отказывает. Но если вентилятор не включился, и мотор закипел, то следует проверить наиболее подверженные отказам детали:

• в ременной передаче возможно ослабление и пробуксовка ремня, а также его полный обрыв, всё это легко определить визуально;
• методика проверки вискомуфты не так проста, но если на горячем моторе она сильно пробуксовывает, то это сигнал к замене;
• электромагнитные приводы, как муфта, так и электромотор, проверяются замыканием датчика, или на инжекторном моторе снятием разъёма с датчика температуры системы управления двигателем, вентилятор должен начать вращение.

Неисправный вентилятор способен погубить двигатель, ведь перегрев чреват капитальным ремонтом. Поэтому ездить с такими дефектами нельзя даже зимой. Отказавшие детали следует немедленно заменять, причём использовать только запчасти от надёжного изготовителя. Цена вопроса – двигатель, если его поведёт от температуры, то и ремонт может не помочь. На этом фоне стоимость датчика или электромотора просто ничтожна.