для чего служит вентилятор в системе охлаждения
Устройство автомобилей
Приборы и механизмы жидкостной системы охлаждения
Вентилятор
Назначение и особенности конструкции вентиляторов
Вентилятор служит для увеличения потока воздуха через сердцевину радиатора. Как правило, он устанавливается непосредственно за радиатором по ходу движения автомобиля. Такое размещение исключает попадание в вентилятор крупных частиц и предметов, задерживаемых сотами радиатора.
Для увеличения эффективности работы вентилятора его размещают в направляющем кожухе – диффузоре.
Наибольшее распространение получили осевые вентиляторы (направляющие воздух вдоль оси своего вращения) с числом лопастей от четырех до восьми. Лопасти вентилятора изготавливают литьем, выполняя их совместно со ступицей, или штамповкой, соединяя их со ступицей при помощи клепаного соединения.
Литые лопасти изготавливают из синтетических материалов (пластмасс), а штампованные – из стали или алюминиевых сплавов. Литые вентиляторы имеют более высокий КПД по сравнению со штампованными, но последние проще в изготовлении.
Повысить производительность осевого вентилятора можно несколькими способами – увеличением длины и количества лопастей, а также повышением частоты вращения. Увеличение длины лопастей неизбежно приводит к увеличению динамических нагрузок, особенно при высокой или переменной частоте вращения вентилятора.
Динамическими перегрузками ограничивается и максимальная частота вращения вентилятора.
Увеличение количества лопастей приводит к повышению уровня шума, вызываемого работой вентилятора.
По этим причинам конструкторам, при проектировании, приходится решать ряд комплексных взаимосвязанных задач по определению оптимальных параметров вентиляторов и их приводов.
Некоторые конструкции систем охлаждения двигателей включают два вентилятора, которые устанавливаются за радиатором рядом. Такая конструкция позволяет снизить высоту или ширину радиатора, а также более гибко использовать возможности автоматических приводов, включая вентиляторы раздельно, совместно, или выключая их.
Для снижения уровня шума при работе вентилятора их лопасти размещают вокруг ступицы неравномерно, с переменным шагом. Подобное конструктивное решение требует тщательной балансировки вентилятора при помощи специальных грузиков и перераспределения масс.
Типы приводов вентиляторов
Существуют следующие приводы вентиляторов:
Электрический привод устроен относительно просто, и включает в себя электродвигатель, который включается и выключается автоматически в зависимости от температуры охлаждающей жидкости в радиаторе, контролируемой термодатчиком. Непосредственно на валу электродвигателя размещают вентилятор.
При использовании резисторного температурного датчика (изменяющего напряжение и ток в зависимости от температуры двигателя) появляется возможность изменения интенсивности потока воздуха, создаваемого вентилятором. Однако такие конструкции широкого применения не нашли, поскольку вентилятор при этом почти постоянно работает, создавая ненужный шум.
Электромагнитный привод имеет электромагнитную муфту ( рис. 2 ), совмещенную с жидкостным насосом. Она состоит из электромагнита 6, установленного вместе со шкивом 1 на ступице 5 насоса и ступицы 3 вентилятора, соединенной пластинчатой пружиной с якорем, свободно вращающимся вместе со ступицей на двух шарикоподшипниках.
Катушка электромагнита соединена с тепловым реле, датчик которого расположен в верхнем бачке радиатора. При температуре охлаждающей жидкости в верхнем бачке радиатора 85…90 ˚С тепловое реле подает ток в катушку электромагнита. Якорь притягивается к электромагниту, и ступица вместе с лопастями вентилятора начинает вращаться.
Когда температура снизится до 80 ˚С, контакты реле разомкнутся и вентилятор отключится.
Гидравлический привод реализуется посредством гидромуфты, которая передает крутящий момент от коленчатого вала к вентилятору и гасит инерционные нагрузки, возникающие при резком изменении частоты вращения коленчатого вала.
На рис. 3 изображена конструкция гидропривода вентилятора двигателя КамАЗ-740.
Передняя крышка 1 и корпус 2 подшипника соединены винтами и образуют полость, в которой установлена гидромуфта.
Ведущий вал 6 в сборе с кожухом 3, ведущее колесо 10, вал 12 шкива и шкив 11 соединены между собой болтами и составляют ведущую часть гидромуфты, которая вращается в шарикоподшипниках 8 и 19.
Ведущая часть гидромуфты приводится во вращение от коленчатого вала через шлицевой валик 7.
Ведомое колесо 9 в сборе с валом 16, на котором закреплена ступица 15 вентилятора, составляет ведомую часть гидромуфты, вращающуюся в шарикоподшипниках 4 и 13.
Гидромуфта уплотнена резиновыми манжетами 17 и 20.
На внутренних тороидальных поверхностях ведущего и ведомого колес отлиты радиальные лопатки. Межлопаточное пространство колес образует рабочую полость гидромуфты.
Передача крутящего момента с ведущего колеса 10 на ведомое колесо 9 происходит при заполнении рабочей полости маслом. Частота вращения ведомого колеса гидромуфты зависит от частоты вращения ведущего колеса и от количества масла, поступающего в рабочую полость гидромуфты.
Масло поступает через выключатель ( рис. 4 ), который управляет работой гидромуфты вентилятора. Выключатель имеет три фиксированных положения, обеспечивающих различные режимы работы вентилятора.
Положение «В» ( рис. 4,а ) – автоматический режим, при котором поддерживается температура 80…95 ˚С.
При повышении температуры охлаждающей жидкости, омывающей термосиловой датчик 15, активная масса, находящаяся в баллончике датчика, начинает плавиться и увеличивается в объеме, при этом шток датчика и золотник 5 перемещаются.
Золотник при температуре 85…90 ˚С открывает масляный канал в корпусе 2 выключателя. Масло из главной магистрали смазочной системы двигателя по каналам в корпусе выключателя, блока и его передней крышке, трубке 5 ( рис. 3 ) и каналам в ведущем валу поступает в рабочую полость гидромуфты. При этом находящееся в гидромуфте масло через отверстие в кожухе 3 сливается в картер двигателя.
Положение «О» ( рис. 4 ) – вентилятор отключен. Масло в гидромуфту не подается при любой температуре. Вентилятор может вращаться с небольшой частотой, увлекаемый трением в подшипниках и набегающим встречным потоком воздуха при движении автомобиля. Этот режим может применяться при эксплуатации автомобиля в период низких температур, когда двигатель не прогревается до оптимального режима работы.
Особенно актуальна возможность принудительного отключения вентиляторов при низких температурах окружающей среды для дизельных двигателей, которые обычно нагреваются медленнее, чем бензиновые двигатели.
Преимущества и недостатки автоматических приводов вентилятора
Как показывает практика, во время работы автомобильного двигателя применение вентилятора для повышения эффективности системы охлаждения требуется далеко не всегда. Он необходим лишь при жаркой погоде и движении в напряженном режиме нагрузок, например, движении в городском потоке машин, на длительных подъемах, при полностью загруженном автомобиле и т. п.
В других условиях вентилятор выгоднее отключить, поскольку он не только отнимает полезную мощность у двигателя, но и создает шум.
Гидравлический, электрический и электромагнитный приводы вентилятора, в отличие от механического (ременного или зубчатого) привода, обеспечивают более выгодный температурный режим двигателя. Их применение позволяет избежать охлаждения непрогретого двигателя вентилятором, а также уменьшить потери мощности из-за рационального использования вентилятора, благодаря чему снижается расход топлива.
Кроме того, использование автоматических приводов делает управление автомобилем более комфортным, поскольку отпадает необходимость в применении жалюзи для регулировки воздушного потока через радиатор.
Использование автоматического привода вентилятора позволяет добиться снижения уровня шума при движении в оптимальном режиме, что особенно актуально для легковых автомобилей.
Еще одно немаловажное достоинство электрического, электромагнитного и гидравлического привода вентилятора – исключение значительных динамических нагрузок на лопасти, имеющее место при использовании прямых механических приводов от коленчатого вала в периоды резкого изменения частоты вращения.
Тем не менее, автоматика не лишена и некоторых недостатков, из которых наиболее существенным является усложнение конструкции привода вентилятора, что приводит к увеличению его стоимости и снижению надежности.
Применение температурных датчиков и клапанов не всегда позволяет включать и отключать вентилятор точно при достижении заданной температуры в связи с некоторой погрешностью их работы, однако этот недостаток в большинстве конструкций автомобильных двигателей существенным не является.
Кроме того, электрический привод управления вентилятором имеет еще один недостаток – включение электродвигателя привода вентилятора при помощи управляющего датчика возможно даже при заглушенном двигателе, если температура охлаждающей жидкости не снизилась до оптимальной величины.
Это, в свою очередь, требует от водителя внимательности при техническом обслуживании двигателя – осуществлять ремонт и регулировки вблизи вентилятора можно лишь убедившись в том, что двигатель остыл. Электромагнитный и гидравлический приводы этого недостатка не имеют.
Применение гидравлического привода вентилятора влечет за собой некоторое увеличение объема смазочной системы двигателя за счет использования масла для работы гидромуфты.
Тем не менее, преимущества автоматических приводов вентиляторов значительно перекрывают их недостатки, и в настоящее время они практически полностью вытеснили механические приводы, особенно в конструкциях систем охлаждения двигателей легковых автомобилей.
Вентилятор радиатора
Системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания разделились на две ветки в процессе своего развития: воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение. Систему жидкостного охлаждения более корректно называть гибридной, так как вентилятор используется в обоих типах систем. Средой для рассевания избыточного тепла в процессе его отвода от разогретой силовой установки выступает воздух. Вентилятор охлаждения является устройством, которое обеспечивает стабильный и равномерный отвод тепла в окружающую среду.
Гибридная система охлаждения практически полностью вытеснила воздушную в конструкции серийных автомобилей, так что далее будем беседовать исключительно о ней. Еще стоит отметить, что функция вентилятора в той и другой системе аналогична. Вентилятор охлаждения позволяет принудительным образом реализовать эффективный обдув двигателя и радиатора гибридной жидкостной системы охлаждения.
Вентилятор служит для лучшего охлаждения мотора и жидкости в радиаторе. Такой эффект достигается благодаря обдуву ДВС и увеличению скорости потока и общей массы воздуха, который проходит через ячейки и ребра радиатора. Местом установки вентилятора в большинстве случаев становится пространство между радиатором и силовой установкой. Сам вентилятор радиатора заключен в специальный кожух.
Устройство вентилятора радиатора
Автомобильный вентилятор системы охлаждения ДВС имеет минимум четыре лопасти, которые закреплены на едином общем шкиве. Лопасти расположены под определенным углом относительно плоскости вращения. Это сделано для максимально эффективного забора и последующей подачи воздуха. Жестко установленных закономерностей в устройстве вентилятора нет, хотя наиболее распространенной стала такая конструкция, которая включает в себя крыльчатку на 8 лопастей.
Разновидности привода
Вентилятор радиатора может отличаться по конструкции привода. Существующие типы делятся на:
Механический привод
Такой привод представляет собой конструкцию, которая является по сути постоянным приводом от коленчатого вала силовой установки. Такой привод является простейшим и реализован при помощи ременной передачи. Основным недостатком механического привода является отбор мощности у агрегата, которая расходуется на обеспечение постоянного вращения вентилятора. Сегодня механический привод практически не используется в системах охлаждения на гражданских авто.
Гидромеханический привод
Данный тип привода представляет собой решение, которое реализовано путем установки вязкостной муфты (вискомуфты) или гидравлической муфты. Указанные муфты имеют постоянный привод от коленчатого вала двигателя. Для того, чтобы сохранить лопасти вентилятора в сохранности при работе ДВС на максимальных оборотах и высокой скорости вращения коленчатого вала, крыльчатку вентилятора соединяют со шкивом именно посредством гидро или вязкостной муфты. Встречается также определение термомуфты, которое применительно зависимо от особенностей конструкции.
Муфта может частично или полностью блокироваться под воздействием увеличивающейся температуры жидкости, которой она заполнена. Такой заполняющей жидкостью выступает силикон. Увеличение температуры происходит в результате повышения оборотов коленчатого вала и возрастающей нагрузки на двигатель. Муфта блокируется и начинается вращение вентилятора охлаждения. Гидравлическая муфта отличается по принципу устройства от вязкостной муфты и блокируется зависимо от количества масла, которое находится в муфте.
Получается так, что вискомуфта зачастую заполнена силиконовым гелем, который имеет способность к изменению своих свойств под влиянием температуры. В муфту заливают силиконовое масло в количестве около 30-и или 50-и мл. Блокировка муфты оказывает влияние на скорость вращения вентилятора независимо от частоты вращения коленвала ДВС. Если силовой агрегат выходит на режим высоких оборотов, тогда муфта замедляет вращение крыльчатки, тем самым оберегая вентилятор от разрушения при высокой скорости вращения. Главной задачей всех типов муфт, которые отличаются по принципу работы и конструктивным особенностям, является удержание скорости вращения вентилятора в строго ограниченных рамках. Вискомуфта обеспечивает такой диапазон оборотов, который необходим крыльчатке для наиболее эффективного охлаждения.
Электрический привод
Активное развитие и внедрение электронных устройств управления и контроля различных систем в процессе работы двигателя привело к появлению вентилятора радиатора с электрическим приводом. Данный привод имеет отдельный электродвигатель и собственную систему управления. Контроллер позволяет задавать интенсивность работы крыльчатки и гибко изменять скорость и длительность вращения вентилятора на основе показаний температурного датчика. Датчик измеряет показания температуры охлаждающей жидкости в ДВС. Такое решение повысило не только эффективность, но и позволило добиться улучшенной равномерности охлаждения двигателя сравнительно с системами, которые основаны на использовании вискомуфты.
Вентилятор охлаждения с электроприводом
Электродвигатель вентилятора питается от бортовой сети транспортного средства. Существующие решения стоит разделить на:
Автомобили на раннем этапе конструктивно не имели электронных блоков управления. Активацию и отключение электромотора вентилятора системы охлаждения выполнял термовыключатель, который некоторые автолюбители путают с датчиком температуры. Датчик температуры зачастую встраивается в корпус блока цилиндров двигателя. Сигнал на приборную панель в салоне поступает именно от него, так как контроль температуры возле камеры сгорания намного важнее температуры ОЖ.
Термовыключатель аналогично задействуется при повышении температуры, но опирается на показания теромодатчика охлаждающей жидкости в радиаторе. Устройство работает в узком температурном диапазоне. Например, вентилятор активируется при температуре ОЖ 85 градусов по Цельсию, а его выключение произойдет при 70 градусах. Принцип работы устройства достаточно прост. Если температура поднялась выше заданного порога, тогда в термовыключателе смыкаются контакты, что и приведет к замыканию цепи питания вентилятора охлаждения. На электродвигатель подается ток, крыльчатка начинает вращаться. Снижение температуры до минимального порога приведет к тому, что контакты разомкнутся и вентилятор прекратит свою работу.
Примечательно то, что конструкцию электропривода вентилятора с термовыключателем можно установить практически на любой мотор. Схема управления вентилятором заметно сложнее в современных моделях с ЭБУ и включает в себя ряд элементов и исполнительных устройств, среди которых основные:
Температурный датчик измеряет температуру охлаждающей жидкости в силовом агрегате. Современные автомобили могут иметь сразу два датчика, которые установлены в разных местах. Один термодатчик ставят на выходе из мотора или в корпус термостата, другой ставится в патрубок на выходе из радиатора. Вентилятор управляется с учетом показаний обоих элементов и последующей оценкой разницы тех данных, которые поступают от датчиков. Для более эффективного управления задействованы также дополнительные устройства, среди которых стоит отметить датчик частоты вращения коленвала и воздухорасходомер. Показания этих датчиков необходимы для точного определения режима, в котором работает двигатель в определенный момент.
Комплекс сигналов от датчиков передается в ЭБУ двигателя, который производит их анализ и активирует реле включения вентилятора в нужный момент. Вентилятор работает ровно столько, сколько это необходимо для достижения оптимального температурного показателя применительно к конкретному режиму оборотов и нагрузки на ДВС.
Модели автомобилей, которые имеют климатическую установку, зачастую получают сразу два вентилятора. Для каждого из таких вентиляторов предусмотрена отдельная схема включения. Вентиляторы могут работать синхронно или по отдельности, что будет напрямую зависеть от температуры и условий эксплуатации ДВС. Реле включения вентилятора постепенно вытесняет специальный блок управления вентилятором для максимально эффективного контроля его работы.
Распространенные неисправности и диагностика
Помните, что диагностировать неисправность вентилятора системы охлаждения стоит с предельной осторожностью, так как вращающаяся крыльчатка может серьезно повредить пальцы рук или другие части тела! Не редки случаи, когда неисправный вентилятор неожиданно приходит в движение!
Вентиляторы системы охлаждения устанавливаются как перед радиатором, так и за ним, со стороны моторного отека. Устоявшегося единого стандарта касательно места установки среди конструкторов не существует. Многие владельцы автомобилей также часто задаются вопросом о том, в каком направлении дует вентилятор. Бытует мнение, что он осуществляет обдув радиатора для лучшего охлаждения ОЖ. Стоить запомнить, что дует вентилятор исключительно на двигатель независимо от места его расположения. Установка перед радиатором никак не означает, что обдувается только сам радиатор. Изменение направления обдува недопустимо.
Любой электрический двигатель или вискомуфта разной мощности и технологии производства, а также электронный блок или регулятор, созданный для управления, не могут обеспечить 100% гарантию защиты от неисправностей. Проблема усугубляется еще и тем, что вышедший из строя вентилятор системы охлаждения силового агрегата немедленно повлечет за собой серьезные последствия в виде перегрева мотора. Даже контрольные приборы, созданные для своевременного информирования водителя в критический момент, выходят из строя. Контролировать состояние вентилятора и его исправность нужно с завидной регулярностью. В движении также стоит лишний раз взглянуть на указатель температуры на панели приборов при первой такой возможности.
Более простые системы с термовыключателем легко поддаются диагностике неисправностей. Что касается современных авто, тогда очень важно правильно определить не только саму поломку вентилятора, но и выявить вышедший из строя элемент в цепи из нескольких устройств. В самом начале диагностики нужно обнаружить проблему, по причине которой перестал работать вентилятор. Выйти из строя может любой из датчиков, блок управления или сам электрический мотор. Диагностировать неисправность вполне можно самостоятельно, придерживаясь приведенных ниже рекомендаций.
Системы с механическим приводом диагностируются быстро. Просто понаблюдайте за вентилятором, который должен вращаться постоянно. Если Вы видите вращение и лопасти крыльчатки целы, тогда ищите проблему в другом месте. Перегреваются двигатели с вискомуфтой из-за неисправного вентилятора только в том случае, если муфта не обеспечивает достаточной блокировки крыльчатки в режиме высоких оборотов коленвала. Результатом становится низкая скорость вращения вентилятора и такой обдув, который не соответствует нагрузке на мотор. Определить неисправность муфты можно путем анализа скорости вращения вентилятора на низких и высоких оборотах.
Если в автомобиле установлен электрический вентилятор охлаждения, тогда начните с контроля его работы. Когда вентилятор не включается при очевидном перегреве, можно воспользоваться следующим методом диагностики систем с термовыключателем:
Если вентилятор после такой операции принудительно заработал, тогда вполне очевидна неисправность термомвыключателя. Неработающий же вентилятор будет означать неисправность именно в нем или в других участках цепи. Конструкция может также состоять из двойного термодатчика. Проверку стоит производить в два этапа, хотя принцип остается таким же. В самом начале замыкают первые два контакта, после чего вентилятор должен вращаться на малых оборотах. Далее замыкается вторая пара, после чего скорость вращения должна заметно возрасти.
Бывает и так, что вентилятор охлаждения радиатора дует постоянно, без видимых пауз. Такие симптомы являются достаточно распространенными. Это может указывать на выход из строя датчика включения. Проверку стоит осуществлять при включенном зажигании путем дальнейшего удаления соответствующего разъема с датчика. Если вентилятор после этого не выключился, тогда регулятор отключения следует заменить. Дополнительно можно выполнить проверку предохранителя в том случае, если возникшие проблемы с работоспособностью вентилятора охлаждения не исчезли.
Указанные выше способы нельзя рекомендовать тем автовладельцам, которые обладают машиной с электронным устройством для контроля скорости вращения вентилятора охлаждения. Самостоятельно неискушенному водителю можно проверить только исправность предохранителя, который отвечает за данный участок. Дальше необходимо обратиться за помощью в автосервис.
Профилактика, снятие и ремонт
Обеспечение максимально эффективного охлаждения ДВС и радиатора возможно только тогда, когда вентилятор проходит периодическую чистку, устраняются его мелкие поломки и загрязнения. Выполнять такую проверку желательно не реже одного раза в год. Чистят вентилятор при помощи обычной щетки, которой с него удаляют грязь и пыль.
Если потребовался демонтаж вентилятора охлаждения, тогда:
Демонтаж вентилятора позволяет устранить большинство поломок посредством ремонта. Очень часто требуется зачистка или замена проводов, так как их нарушенный контакт становится причиной неисправности или отклонений от нормы в процессе работы вентилятора. Может потребоваться ремонт щеток, который подразумевает их замену. Указанный элемент чаще остальных выходит из строя. Щетки подвержены быстрому износу, так как на них собирается грязь с дороги.
Не редко возникает необходимость устранения замыкания или обрыва обмотки ротора. Случается, что обмотка в рабочем состоянии, но функциональность все равно нарушена по причине обильного скопления загрязнений. Данную проблему решают очисткой обмоток при помощи растворителя. Также подойдут специальные щетки, предназначенные для глубокой чистки.
В процессе эксплуатации возникают и такие случаи, которые потребуют замены электромотора. Неисправность часто проявляется на прогретом двигателе, вся цепь исправна, но вентилятор охлаждения не запускается. Как показывает практика, ремонтировать эту деталь нецелесообразно. Электродвигатель имеет приемлемую стоимость, так что его сразу меняют на новый.