Так охлаждаются суперкары: — Журнал Движок.
Система охлаждения — непременный атрибут любого автомобиля. Слишком много энергии при движении машины вынужденно преобразуется в тепло. Двигатель и трансмиссия требуют обязательного активного охлаждения, как и тормозная система, мощные электрические компоненты и система кондиционирования. А чем отличаются от «обычных» системы охлаждения суперкаров? Ведь эти автомобили одновременно мощные, компактные и предельно облегченные. Какие интересные технические решения встречаются в их конструкциях?
Поддерживать температуру мотора мощностью свыше 300 л. с. совсем не простая задача, особенно когда он работает на полной мощности, а скорости невысоки. И динамические возможности современных суперкаров очень сильно зависят от температуры наружного воздуха.
Зачастую повысить мощность двигателя не позволяет так называемый «тепловой пакет» — показатель мощности рассеивания систем охлаждения двигателя и трансмиссии, а не возможности силовых агрегатов. Казалось бы, на высокой скорости проблема охлаждения не должна стоять так уж остро: радиаторы продуваются воздухом. Но и тут особенности конструкции скоростного автомобиля вносят свои нюансы. Аэродинамические свойства машины во многом зависят от возможности создания граунд-эффекта, а безопасное движение — еще и от работы тормозных механизмов. Не на последнем месте и банальное аэродинамическое сопротивление, а также общая обтекаемость, их тоже приходится учитывать. Как в таких условиях обеспечивается стабильная работа всех систем?
Для суперкара аэродинамическая проработка кузова — это основа всего. В том числе и качества работы системы охлаждения. И «классические» решения с расположением радиаторов под капотом, в передней части машины, не в чести. Даже у моделей с передним расположением двигателя дизайн радиаторов и аэродинамическая проработка существенно отличаются от стандартных.
Так, передняя часть Mercedes SLR McLaren W199 стандартна только на первый взгляд. Тут расположен основной радиатор, жидкостный радиатор интеркулера с двумя электропомпами, большой радиатор трансмиссии и маслобак двигателя — применена система с сухим картером, и масло сначала охлаждается в секции основного радиатора, а затем еще снижает температуру в корпусе бака, который выполнен с большой оребренной поверхностью.
Для лучшей работы днища кузова часть воздуха с радиаторов отводится вверх через капот, и пакет радиаторов скомпонован таким образом, чтобы «правильно» распределить потоки. Двигатель находится в пределах колесной базы, и объем, занимаемый системой охлаждения, в несколько раз больше, чем у типичных легковых машин. Конструкция радиаторов принципиально от обычной не отличается. Алюминиевое «ядро» и пластиковые бачки можно увидеть на большинстве серийных суперкаров. Цельноалюминиевые детали широко предлагаются только в качестве тюнинга и на машинах практически единичной сборки. Электровентиляторы системы также вполне стандартны, разве что заметно мощнее обычных, имеют лучшую аэродинамику и меньшую массу.
У машин с задним и центральным расположением силового агрегата в большинстве случаев используется достаточно компактная система охлаждения с боковым и задним расположением радиаторов охлаждения двигателя и наддувочного воздуха. Так поступают, например, Audi на модели R8, McLaren на модели P12, и так устроены почти все модели Ferrari с центральным расположением двигателя.
Но вот создатели Porsche 911 сделали систему охлаждения куда более протяженной и расположили радиаторы мотора в передней части кузова. Характерно, что в системе обычно используется не один большой, а несколько малоразмерных радиаторов. Их три у 911, три и у R8, у McLaren радиаторов заметно больше, поскольку используется гибридный привод и в системе охлаждения есть еще контур охлаждения батарей и инверторов.
Интересное техническое решение использует Porsche. На модели 911 GT3 у мотора вентилятора радиатора свой индивидуальный блок контроля и управления, что обеспечивает плавное регулирование его производительности и более широкие возможности подстройки и диагностики. А еще боковые радиаторы с электровентиляторами выполнены едиными быстросъемными моделями, и забота об аэродинамике проявляется даже в такой мелочи, как колпачок электродвигателя.
При большой протяженности трасс охлаждения и большом количестве радиаторов помпы двигателей являются важной составляющей. Mercedes и Porsche довольствуются стандартной усиленной конструкцией, но с профилем лопастей, оптимизированным для предотвращения кавитации. При оборотах мотора более 7 тыс. падение производительности может стать фатальным.
Весьма интересная конструкция у Audi R8 с мотором V10: маслонасос с помпой и термостатом объединены в единый модуль с пониженной частотой вращения, который приводится в движение цепью. И в любом случае не обходится без дополнительных электронасосов — они позволяют обеспечить стабильную циркуляцию жидкости в больших блоках цилиндров и прокачивать охлаждающую жидкость через радиаторы при малых оборотах коленчатого вала.
Также важной их функцией является предотвращение закипания большого, сложного и очень теплоемкого мотора после выключения, а при наличии турбин насосы занимаются и их охлаждением. В системах жидкостного охлаждения наддувочного воздуха на моторах Mercedes SLR и McLaren P12 используют многоконтурные системы охлаждения с выделенным низкотемпературным контуром. Причем система охлаждения Mercedes двухконтурная, а на McLaren контуров уже три — еще один нужен для охлаждения и подогрева электронных систем и батареи гибрида.
Маслорадиаторы двигателя и трансмиссии — непременный атрибут суперкара. Эти детали присутствуют и на двигателях обычных машин, но разница в масштабе. Маслорадиатор АКПП серии 722.6 Mercedes SLR по размеру сравним с основным радиатором малолитражки, а в системе охлаждения масла Audi R8 радиаторов несколько, включая водомасляный теплообменник и обычные воздушные. Охлаждения требует не только АКПП, но и обычная «механика», и даже у редукторов зачастую есть собственные радиаторы для масла или встроенные жидкостные теплообменники.
Важная составляющая системы охлаждения — ее рабочее тело, иными словами, антифриз. На экстремальных машинах зачастую применяются весьма нестандартные составы. Цель одна — заставить систему охлаждения работать максимально эффективно при наименьших затратах мощности, но помимо этого есть еще несколько факторов. Во-первых, в самых продвинутых моторах часто используются сложные сплавы на основе магния и других активных металлов. В этом случае предотвращение коррозии является очень важной задачей и типовые составы антифризов могут не справиться. А еще «суперкаровскому» антифризу полагается быть чуть более текучим и обеспечивать лучший теплообмен. Улучшение этих параметров на доли процента уже обещает серьезный выигрыш в работе, но обойдется оно очень недешево. Впрочем, Mercedes, Audi и Porsche устраивают вполне стандартные, пусть и не самые дешевые антифризы. А вот если у вас Ferrari или McLaren, то рекомендации, как и полагается эксклюзивным машинам, будут экзотическими.
Среди характерных примет систем охлаждения суперкаров еще и предельно малая масса, широкое использование легких сплавов и пластмасс, а также нестандартных технологий и практически штучный выпуск. Так, Porsche использует вклеиваемые патрубки систем охлаждения на двигателях для снижения массы блока цилиндров. А такая экзотика, как магний, титан и керамика в конструкциях, встречается едва ли не чаще вполне традиционных чугуна и стали. Высокая плотность и малая толщина трубок радиаторов — тоже деталь характерная, не зря на многих машинах защитные сетки радиаторов установлены на заводе.
Охлаждение — MAHLE Group
Строгие нормы выбросов и поиск мер по снижению потребления являются сегодня основными факторами развития сектора грузовых автомобилей. Следовательно, становится все более важным применять комплексный подход к анализу и оптимизации функций охлаждения (тепловой менеджмент).
Компоненты, модули и системы охлаждения двигателя
Охладители наддувочного воздуха
В системах непрямого охлаждения наддувочного воздуха используются очень компактные охладители, которые охлаждаются хладагентом отдельного низкотемпературного контура охлаждения. Поскольку низкотемпературный радиатор имеет большую переднюю поверхность и обдувается потоком холодного охлаждающего воздуха, можно достичь очень низких температур наддувочного воздуха. Благодаря их более высокой эффективности (по сравнению с охладителем наддувочного воздуха/воздуха) они могут иметь очень компактные размеры и устанавливаться на двигатель. В переходных условиях вождения они обеспечивают гораздо более стабильную температуру всасываемого воздуха и, таким образом, помогают снизить расход топлива.
Модули охлаждения
Они состоят из нескольких компонентов системы охлаждения двигателя, а также конденсатора, который является частью контура кондиционирования воздуха. Модуль охлаждения в основном состоит из радиатора и охладителя наддувочного воздуха. В непрямых (охлаждаемых хладагентом) системах охлаждения наддувочного воздуха охладитель наддувочного воздуха заменяется низкотемпературным радиатором, который расположен между конденсатором и радиатором. Для максимальной эффективности все компоненты оптимально подобраны. Модули собираются в соответствии с концепцией конструкции автомобиля, что снижает затраты на разработку, производство и логистику.
Низкотемпературные радиаторы
В системе косвенного охлаждения наддувочного воздуха тепло от охладителя наддувочного воздуха сначала проходит через отдельный низкотемпературный контур охлаждающей жидкости (контур НТ охлаждения), а не выбрасывается непосредственно в окружающий воздух. выбрасывается в окружающий воздух расположенным ниже по потоку низкотемпературным радиатором (радиатором НТ). Радиатор НТ системы косвенного охлаждения наддувочного воздуха монтируется на модуль охлаждения двигателя и может иметь более компактную конструкцию, чем охладитель непосредственного наддувочного воздуха, без ущерба для производительность. Это связано с тем, что тепло передается от воздуха к охлаждающей жидкости. Радиатор LT также можно дополнительно использовать для обеспечения оптимального управления температурой чувствительного к температуре литий-ионного аккумулятора, его силовой электроники, а вскоре и конденсатора контура хладагента.
Системы нагрева и охлаждения масла
Существующие модули нагрева и охлаждения MAHLE могут также управлять направлением каналов, регулированием температуры и фильтрацией потока охлаждающей жидкости. Оптимизированное направление и распределение потока охлаждающей жидкости обеспечивает подачу охлаждающей жидкости к теплообменникам двигателя и трансмиссии, а также топливо по мере необходимости.
Радиаторы
Важнейшей частью модуля охлаждения является радиатор, который состоит из сердцевины радиатора и пластиковых баков со всеми необходимыми соединениями и крепежными элементами. Сердцевина радиатора обычно изготавливается из алюминия, а бачки охлаждающей жидкости изготавливаются либо из алюминия, как и сердцевина, либо из полиамида, армированного стекловолокном.
Термостаты и регулирующие клапаны
Широкий спектр задач по охлаждению двигателя может быть решен только за счет разумного управления возникающими потоками энергии. Различные системы и компоненты двигателя должны снабжаться охлаждающей жидкостью по мере необходимости. В современных системах это происходит с разными уровнями температуры и отдельными контурами охлаждения. Интеллектуальные системы управления от MAHLE, такие как термостаты режима работы двигателя, обеспечивают точное регулирование температуры в зависимости от потребности и, таким образом, способствуют более эффективной работе, снижению расхода топлива, меньшему износу и снижению выбросов.
Вентиляторы Visco
® и приводы вентиляторов Visco ®Вентиляторы Visco® с электронным управлением используются в самых разных транспортных средствах — от тяжелых грузовиков до фургонов и внедорожников с мощными двигателями. Они определяют все значения температуры, необходимые для охлаждения и кондиционирования воздуха, и точно устанавливают требуемую скорость вращения вентилятора. Эта способность обеспечивать точное управление по запросу, а также быстрое время отклика и низкие обороты холостого хода при выключенном приводе положительно влияют на экономию топлива, комфорт вождения и уровень шума.
Гибридный привод вентилятора Visco® компании MAHLE предлагает решение, разработанное специально для гибридных приводов. Технология MAHLE сочетает в себе преимущества привода Visco® с преимуществами электрического привода, включая управление производительностью вентилятора в зависимости от потребности, повышенный КПД и рекуперацию энергии.
Привод вентилятора Visco®
Система рециркуляции отработавших газов (EGR)
Одним из подходов к достижению предельных значений выбросов NOx (оксидов азота) является внедрение системы рециркуляции охлажденных отработавших газов (EGR). Это включает отбор части основного потока выхлопных газов между выходным отверстием двигателя и турбиной, охлаждение его в специальном теплообменнике и подачу обратно во всасываемый воздух после охладителя наддувочного воздуха. Тем самым снижается температура сгорания в двигателе, что снижает образование NOx. Наши охладители системы рециркуляции отработавших газов обладают исключительной термомеханической прочностью, пониженной склонностью к образованию нагара и выдающимися рабочими характеристиками. Благодаря использованию высокоэффективных крыльчатых трубок можно достичь чрезвычайно стабильной температуры EGR и, таким образом, улучшенного контроля EGR.
Электрические насосы охлаждающей жидкости
На основе модульной конструкции компания MAHLE предлагает насос на 12 В с потребляемой электрической мощностью до 800 Вт и насос на 24 В с мощностью до 1 кВт.
Благодаря индивидуально регулируемому потоку охлаждающей жидкости с низкими механическими потерями наши клиенты достигают значительного снижения расхода топлива и снижения выбросов углекислого газа (CO2) на 5 %.
Бесщеточный электродвигатель, а также концепция подшипников обеспечивают работу без обслуживания с высокой надежностью. Кроме того, электроника с прямым охлаждением позволяет максимально использовать мощность.
Электрический насос охлаждающей жидкости
Развенчание мифов и поиск решений
С момента появления двигателей внутреннего сгорания существовали системы охлаждения — с воздушным или водяным охлаждением. (Двигатели с воздушным охлаждением не являются общепринятыми, если только вы не являетесь владельцем Corvair , VW или мотоцикла, поэтому мы не будем говорить о них здесь.)
По мере развития двигателя внутреннего сгорания мы стали разбираться в о том, как решать проблемы перегрева (и недогрева) в двигателях с жидкостным охлаждением. На самом деле, за последние десятилетия мы стали лучше в этом с лучшими радиаторами, водяными насосами и охлаждающими вентиляторами. Решения вышли даже за рамки системы охлаждения с электронным управлением двигателем, улучшенными профилями кулачков, масляные радиаторы , и даже лучшая продувка выхлопных газов.
Знаете ли вы, что в среднем двигатель отдает 75 процентов своего тепла воздуху? Ваш двигатель отдает все это через систему охлаждения, выхлопную систему и передачу тепла окружающему воздуху.
Но остается вопрос:
Почему двигатели перегреваются?Чтобы быть эффективной, система охлаждения должна отдавать больше тепла, чем получает от двигателя. Чтобы сделать это эффективно, вам нужен достаточный поток охлаждающей жидкости через водяные рубашки, но с разумной скоростью туда, где она принимает и передает достаточно тепла, чтобы поддерживать постоянную температуру.
Существует много неправильных представлений об охлаждении двигателя, но есть одна основная истина. Система охлаждения вашего двигателя предназначена для одной цели: отводить достаточное количество тепла, чтобы поддерживать работу двигателя в рабочем состоянии, и в то же время поддерживать достаточное количество тепла, чтобы двигатель работал эффективно. Система охлаждения двигателя хитроумно удерживает двигатель в диапазоне от 180 до 210 градусов по Фаренгейту. Этот температурный диапазон достигается за счет комбинации радиатора и вентилятора правильного размера, а также соответствующей скорости водяного насоса и потока охлаждающей жидкости между двигателем и радиатором.
Для правильной работы двигателей им необходим постоянный температурный диапазон для работы.
Существуют скрытые причины перегрева двигателей. Мы видели мусор в водяных рубашках от заводских операций механической обработки и заглушки, небрежно выбитые внутри водяных рубашек во время демонтажа. Мусор в водяных рубашках может привести к перегреву. Убедитесь, что ваши водяные рубашки чистые. Неправильно установленные прокладки ГБЦ и прокладки впускного коллектора могут стать причиной перегрева. Чрезмерная степень сжатия и неправильные фазы газораспределения могут вызвать перегрев. Дважды проверьте свою работу.
6 Мифы и решения системы охлажденияДвигатели перегреваются или работают слишком холодно, потому что мы снова и снова совершаем одни и те же ошибки.
- Снятие термостата
Одним из самых больших мифов о системе охлаждения является снятие термостата во избежание перегрева. Снятие термостата только усугубляет травму. Когда охлаждающая жидкость не имеет возможности отдать тепло через радиатор, она становится все горячее и горячее, особенно если вы застряли в пробке. Даже на открытой дороге охлаждающая жидкость никогда не успевает застояться в радиаторе достаточно долго, чтобы отдать тепловую энергию в атмосферу. Никогда не эксплуатируйте двигатель без термостата. - Вода — лучшая охлаждающая жидкость
Другой миф гласит, что «вода — лучшая охлаждающая жидкость». Несмотря на то, что — это , следует помнить, что вода также является лучшим источником коррозии. Прямая вода в вашей системе охлаждения — это плохо. Если вы работаете с чистой водой, всегда добавляйте смазку для водяного насоса и ингибитор коррозии. Также используйте усилитель охлаждающей жидкости, такой как Water Wetter , который улучшает поверхностное натяжение и теплопроводность. - Вам не нужна противоусадочная пружина
Некоторые, в том числе производители шлангов, считают, что вам не нужна пружина , препятствующая смятию, в нижнем шланге радиатора . Правда — у вас должна быть пружина против схлопывания в нижнем патрубке радиатора, если у вас старый автомобиль с обычной системой охлаждения. Поскольку нижний шланг радиатора направляет охлаждающую жидкость к водяному насосу и двигателю, он подвержен отрицательному давлению и разрушается при высоких оборотах. Противосмятая пружина предотвращает смятие шланга. Другой производитель шлангов заявляет, что вам не нужна пружина, препятствующая смятию, потому что она использовалась только для заводской заливки. Это никогда не было правдой, потому что во время заполнения в нижнем шланге создается положительное давление. Всегда устанавливайте пружину, препятствующую смятию, в нижний шланг радиатора. - Вентиляторы: больше лопастей и более быстрое вращение
Что касается вентиляторов охлаждения двигателя, считается, что чем больше у вас лопастей, тем лучше. Другое дело, чем быстрее вращается вентилятор, тем лучше. Не совсем верно. На высокой скорости встречного потока радиатора должно быть достаточно для переноса тепла от радиатора в встречный поток. Когда воздух движется слишком быстро, вы сталкиваетесь с проблемами пограничного слоя, когда тепло не уносится, потому что воздух на самом деле не касается ребер и трубок. Вы хотите, чтобы воздух двигался достаточно медленно через ребра и трубки туда, где он отводит тепло. На скоростях выше 40 миль в час вашему двигателю не нужен вентилятор охлаждения. Поэтому вентилятор с термостатической муфтой или электрический вентилятор работает лучше всего. - Чем больше вентиляторов (тянущих и толкающих), тем лучше
Некоторые считают, что чем больше вентиляторов, тем лучше, но это не совсем так. Вам не нужен вентилятор за радиатором и вентилятор спереди. В идеале у вас должен быть вентилятор или вентиляторы за радиатором, которые обеспечивают охлаждающую способность в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Если вашему автомобилю нужны охлаждающие вентиляторы с обеих сторон радиатора, существует более серьезная проблема, чем мощность вентилятора. - Стандартный радиатор достаточно хорош
Было доказано, что в свое время автопроизводители не проектировали достаточную охлаждающую способность заводских радиаторов. У большинства было два ряда трубок и небольшая вместимость по ширине. Четырехрядные медно-латунные радиаторы вторичного рынка значительно улучшают охлаждение. Алюминиевые радиаторы делают это с меньшим количеством рядов и более широкими трубами. Более того, послепродажные радиаторы часто внешне идентичны оригинальному оборудованию, что делает их отличным вложением в долговечность.
Что касается охлаждающей жидкости двигателя , существует много мнений. Хотя вода является лучшим проводником тепла, это не лучший выбор. Производители охлаждающей жидкости часто предлагают смесь этиленгликоля и воды в соотношении 50/50, которая защитит вашу систему охлаждения до -34 градусов по Фаренгейту. Если вы ожидаете более низких температур, вам нужен обогреватель или теплый гараж.
Марк Джеффри из Trans Am Racing в Южной Калифорнии говорит нам, что он без последствий использует 100-процентный этиленгликоль и не использует воду, и делает это уже много лет. Его логика заключается в том, что температура охлаждающей жидкости повышается лишь незначительно, и такой подход устраняет любой риск коррозии.
Я лично использовал 100-процентный этиленгликоль без каких-либо последствий, без перегрева, замерзания или коррозии, основываясь на совете Марка. Конечно, антифриз можно купить уже смешанный с водой для удобства. Если вы собираетесь использовать смесь этиленгликоля и воды, рекомендуется использовать дистиллированную воду, чтобы не допустить попадания минералов в вашу систему охлаждения.
Существует еще один вариант охлаждающей жидкости, известный как высокоэффективная безводная охлаждающая жидкость Evans ( EVN-EVNEC53001 ). Это последняя охлаждающая жидкость, которую вам когда-либо придется покупать, потому что это постоянный антифриз. Вы запускаете 100 процентов его в системе охлаждения вашего автомобиля без проточной воды. Начните свой режим Эванса с новыми шлангами и компонентами системы охлаждения, а также с абсолютно сухой системой. Если вы обслуживаете систему со следами этиленгликоля и воды, лучше всего начать с комплекта для замены охлаждающей жидкости Evans ( EVN-E2197 ).
Шланги, водяные насосы и другие важные компоненты системы охлажденияНа самом деле у нас есть целая статья на эту тему. Читать здесь: Безводная охлаждающая жидкость Evans: лучшая защита двигателя при перегреве
При замене компонентов системы охлаждения, таких как шланги , водяной насос и термостат; не делайте это по дешевке. Тратьте хорошие деньги на лучшие компоненты и лучше спите. Шланги системы охлаждения Goodyear Super Hi-Miler служат дольше, чем обычные стандартные шланги. А когда вы соедините шланг Hi-Miler с высококачественными хомутами с червячной передачей, вы не пропустите, когда речь заходит о долговечности. Поездка на SummitRacing.com показывает широкий выбор водяных насосов практически для любого мыслимого применения.