Układ chłodzenia silnika spalinowego

Schemat pośredniego układu chłodzenia silnika spalinowego (dla pełnego obiegu).
1. Kadłub silnika z kanałami wodnymi (blok cylindrów), 2. Zawór termostatyczny, 3. Chłodnica (wymiennik ciepła), 4. Wentylator, 5. Pompa płynu chłodniczego

Układ chłodzenia silnika spalinowego – układ, którego zadaniem jest zapobiegania wzrostu temperatury silnika ponad maksymalną (do 150 °C) oraz utrzymanie jej w optymalnym zakresie 90 °C do 100 °C. Prawidłowe funkcjonowanie układu chłodzenia jest niezbędne dla osiągnięcia przez silnik odpowiednich warunków pracy. W razie braku chłodzenia następuje szybki wzrost temperatury zasadniczych elementów silnika, co skutkuje pogorszeniem smarowania (utrata własności smarnych oleju i jego spalanie), występowaniem przedwczesnych zapłonów (samozapłonów) mieszanki, wreszcie nadmiernym rozszerzeniem termicznym tłoka w cylindrze, co zwykle kończy się jego zatarciem. Zbyt niska temperatura pracy również nie jest wskazana - m.in. pogarszają się wówczas warunki odparowania paliwa, co zakłóca proces spalania i może powodować podwyższoną emisję szkodliwych substancji. Praca w niskiej temperaturze może także prowadzić do tzw. spłukiwania oleju z gładzi cylindrowych, co jest bardzo szkodliwe dla warunków smarowania.

Układy chłodzenia silników spalinowych generalnie można podzielić na dwa zasadnicze typy – bezpośrednie i pośrednie. Układ chłodzenia nazywamy bezpośrednim, gdy do chłodzenia wykorzystywane jest powietrze bezpośrednio owiewające cylindry i głowicę silnika. Układ nazywamy pośrednim gdy ciepło odbierane jest za pomocą przepływającej przez kanały wewnątrz korpusu silnika cieczy chłodzącej. Wyjątkowo chłodzenie w układzie pośrednim zachodzić może przez odparowanie wody, którą trzeba wówczas bardzo często uzupełniać (tzw. układy otwarte, obecnie praktycznie nie stosowane).

Chłodzenie powietrzem (bezpośrednie)

Układy bezpośrednie można podzielić na tzw. układy naturalne i wymuszone. Jeżeli chłodzenie silnika powietrzem w układzie bezpośrednim występuje tylko podczas ruchu pojazdu, jak np. w niektórych motocyklach, to wówczas układ taki nazywany jest układem bezpośrednim naturalnym. Jeśli zaś chłodzenie silnika powietrzem w układzie bezpośrednim wymuszane jest za pomocą dmuchawy (zwykle w silnikach samochodowych), to taki układ nazywamy układem bezpośrednim wymuszonym. Cylindry i głowica silników chłodzonych powietrzem są bogato użebrowane, co ma za zadanie zwiększenie powierzchni wymiany ciepła z otoczeniem (lepsze jego odprowadzanie). Zaletą chłodzenia bezpośredniego jest duża niezawodność systemu i brak konieczności dozoru układu. Wadą jest stosunkowo głośna praca silnika i trudności w utrzymaniu stałej temperatury silnika w której najlepiej pracuje, zwłaszcza zimą kiedy taki silnik może być niedogrzany i latem kiedy często może dojść do przegrzania. Przykłady pojazdów z silnikami chłodzonymi powietrzem w układzie wymuszonym: Fiat 126p, Trabant, Zaporożec, VW Garbus, VW Transporter (starsze wersje), Porsche 911 (starsze wersje), stare Skody, niektóre ciężarówki Tatra. Przykłady pojazdów z silnikami chłodzonymi powietrzem w układzie naturalnym: większość skuterów, większość spalinowych kosiarek do trawy i spalinowych pił (chociaż tu też zdarzają się wyjątki).

Chłodzenie cieczą (pośrednie)

Chłodnica samochodowa

Przy zastosowaniu pośredniego układu chłodzenia również rozróżnia się dwa jego typy: układ samoczynny (tzw. termosyfonowy), w którym obieg cieczy zachodzi samoczynnie według zasad konwekcji (ogólnie dawniejsze konstrukcje) oraz układ wymuszony - kiedy przepływ cieczy chłodzącej w układzie wymuszany jest przez pompę cieczy. Pompa ta z reguły napędzana jest przy pomocy paska klinowego od wału korbowego silnika. W układach chłodzenia cieczowego głównym elementem zapewniającym sprawne oddawanie ciepła do otoczenia jest chłodnica. W silnikach o chłodzeniu pośrednim ciecz chłodząca przepływa przez kanały wewnątrz kadłuba (bloku cylindrów) i głowicy silnika. W czasie nagrzewania cieczy w pośrednim układzie zamkniętym wzrasta ciśnienie, dzięki czemu temperatura wrzenia cieczy chłodzącej podwyższa się i podczas pracy silnika może osiągać wartości przekraczające 100 °C. Cieczowy układ chłodzenia może pracować w tzw. krótkim (małym) lub pełnym (dużym) obiegu, co regulowane jest przy pomocy termostatu. Praca w krótkim obiegu występuje wtedy, gdy silnik posiada niską temperaturę i ciecz krąży w układzie z ominięciem chłodnicy. Po nagrzaniu silnika do właściwej temperatury termostat otwiera połączenie z chłodnicą i układ pracuje wówczas w obiegu pełnym. Rysunek przedstawia typowy układ chłodzący pośredni silnika spalinowego. Ciecz chłodząca, której przepływ jest wymuszony przez pompę (5) po opuszczeniu kanałów silnika wpływa do komory zaworu termostatycznego (2), który w zależności od temperatury cieczy umożliwia jej przepływ w krótkim lub pełnym obiegu. W krótkim obiegu ciecz wraca bezpośrednio do pompy i dalej do kanałów silnika. W obiegu pełnym ciecz przeprowadzana jest przez chłodnicę (3) w której jej temperatura jest obniżana. Z chłodnicą współpracuje wentylator (4). Ciecz po przejściu przez chłodnicę powraca do pompy i następnie do silnika.

Obok chłodnicy w obiegu wodnym silnika zwykle instalowana jest również tzw. nagrzewnica służąca do ogrzewania wnętrza pojazdu. Silniki z chłodzeniem pośrednim odznaczają się bardziej wyciszoną pracą niż te chłodzone bezpośrednio. W obecnie produkowanych silnikach samochodowych niemal wyłącznie stosowany jest układ chłodzenia pośredni wymuszony, czyli układ chłodzenia cieczowego z pompą wodną.

Bibliografia

• Jan Werner Silniki spalinowe małej i średniej mocy. Wyd. II Wydawnictwa Naukowo - Techniczne Warszawa 1964 r.
• M. Bernhardt, S. Dobrzyński, E. Loth "Silniki samochodowe". Wyd. IV WKiŁ 1988 r.
• K. Frydrychowicz, J. Iwanowski, Z. Kuczyński "Pojazdy samochodowe", str. 75-83. PWSZ, 1971 r.