Роль вентилятора у рідинному охолодженні

Перенесення тепла, що утворюється при роботі, в атмосферу вимагає постійного обдування радіатора системи охолодження. Не завжди для цього достатньо інтенсивності швидкісного потоку повітря, що набігає. При малих швидкостях та повних зупинках у справу вступає спеціально призначений вентилятор додаткового охолодження.

Принципова схема нагнітання повітря у радіатор

Забезпечити проходження повітряних мас через стільникову структуру радіатора можливо двома способами - нагнітати повітря вздовж напрямку природного потоку із зовнішнього боку або створювати розрідження зсередини. Принципової різниці немає, особливо якщо використовується система повітряних щитків – дифузорів. Вони забезпечують мінімальну витрату потоку на марні завихрення навколо лопат вентилятора.

Таким чином, типових варіантів організації обдування два. У першому випадку вентилятор розташовується на двигуні або рамці радіатора в підкапотному просторі моторного відсіку і створює напірний потік на двигун, забираючи повітря зовні і пропускаючи його через радіатор. Щоб лопаті не працювали вхолосту, простір між радіатором і крильчаткою максимально щільно закритий пластиковим або металевим дифузором. Його форма також сприяє використанню максимальної площі сот, оскільки зазвичай діаметр вентилятора значно менше, ніж геометричні розміри радіатора.

При розташуванні крильчатки з передньої сторони привід вентилятора можливий лише від електромотора, оскільки механічного зв'язку з двигуном перешкоджає серцевина радіатору. В обох випадках обрана форма радіатора та необхідна ефективність охолодження може змусити використовувати подвійний вентилятор із крильчатками меншого діаметра. Такий підхід зазвичай супроводжується ускладненням алгоритму роботи, вентилятори здатні комутуватись окремо, регулюючи інтенсивність обдування залежно від навантаження та температури.

Сама крильчатка вентилятора може мати досить складну та аеродинамічно опрацьовану конструкцію. До неї пред'являється ціла низка вимог:

• кількість, форма, профіль та крок лопатей повинні забезпечувати мінімальні втрати, не вносячи додаткових витрат енергії на марне перемелювання повітря;
• у заданому діапазоні швидкостей обертання зрив потоку виключається, інакше падіння ефективності позначиться на тепловому режимі;
• вентилятор повинен бути відбалансований і не створювати як механічних, так і аеродинамічних вібрацій, здатних навантажувати підшипники і деталі двигуна, що сусідять, особливо тонкі структури радіаторів;
• шумність крильчатки також мінімізується відповідно до загального тренду зниження акустичного фону, що виробляється автомобілями.

Якщо порівняти сучасні вентилятори легкових автомобілів з примітивними пропелерами півстолітньої давності, то можна відзначити, що наука попрацювала і з досить очевидними деталями. Це видно навіть зовні, а при роботі гарний вентилятор майже безшумно створює несподівано потужний тиск повітря.

Типи приводу вентиляторів

Створення інтенсивного повітряного потоку потребує значної потужності приводу вентилятора. Енергію цього можна забирати від двигуна різними способами.

Безперервне обертання від шківа

У ранніх найпростіших конструкціях крильчатка вентилятора просто надягалася на ремінний шків приводу водяного насоса. Продуктивність забезпечувалася значним діаметром кола лопатей, які були просто відігнуті металеві пластини. Жодних вимог щодо шумності не пред'являлося, старовинний двигун, що знаходився поруч, заглушував усі звуки.

Швидкість обертання була прямо пропорційна обертам колінчастого валу. Певний елемент регулювання температури був присутній, оскільки зі зростанням навантаження на двигун, а значить і швидкості його обертання, вентилятор також починав інтенсивніше проганяти повітря через радіатор. Дефлектори ставилися рідко, все компенсувалося перерозміреними радіаторами та великим обсягом води, що охолоджує. Проте поняття перегріву тодішнім водіям було добре знайоме, будучи платою за простоту та недостатню продуманість.

В'язкі муфти

Примітивні системи мали кілька недоліків:

• погане охолодження на малих оборотах через низьку швидкість прямого приводу;
• зі збільшенням розмірів крильчатки і зміні передавального числа посилення обдування на холостих оборотах мотор починав переохолоджуватися зі зростанням швидкості, а витрата палива на безглузде обертання пропелера досягав значної величини;
• під час прогріву двигуна вентилятор продовжував наполегливо охолоджувати підкапотний простір, виконуючи в точності протилежне завдання.

Було ясно, що подальше зростання економічності та потужності двигунів вимагатиме управління швидкістю вентилятора. Завдання якоюсь мірою вирішував механізм, відомий у техніці як в'язкова муфта. Але тут вона має бути влаштована особливим чином.

Муфта вентилятора, якщо уявити її спрощено і не враховуючи різні варіанти виконання, складається з двох дисків з насічками, між якими розташовується так звана неньютонівська рідина, тобто силіконове масло, що змінює в'язкість в залежності від швидкості відносного переміщення її шарів. Аж до серйозного зв'язку між дисками через в'язкий гель, на який вона перетвориться. Залишається лише розташувати там термочутливий клапан, який подасть цю рідину в проміжок при зростанні температури двигуна. Дуже вдала конструкція, на жаль, не завжди надійна та довговічна. Але часто застосовувалася.

Ротор кріпився до шківа, що обертався від колінвала, а на статор одягалася крильчатка. При високій температурі та великих обертах вентилятор видавав максимальну продуктивність, що потрібно. Не забираючи зайвої енергії, коли обдув не потрібен.

Магнітна муфта

Щоб не страждати з хімічними речовинами в муфті, не завжди стабільними та довговічними, часто використовується зрозуміліше рішення з точки зору електротехніки. Електромагнітна муфта складається з фрикційних дисків, що стикаються і передають обертання під дією струму, що подається в електромагніт. Струм походив з реле управління, що замикається через датчик температури, який зазвичай встановлюється на радіаторі. Як тільки визначалося недостатнє обдування, тобто рідина в радіаторі перегрівалася, контакти замикалися, муфта спрацьовувала, і крильчатка розкручувалась тим же ременем через шківи. Спосіб часто використовується на важких вантажівках із потужними вентиляторами.

Прямий електропривід

Найчастіше на легкових автомобілях застосовується вентилятор із крильчаткою, безпосередньо посадженою на вал електродвигуна. Живлення цього мотора забезпечується так само, як і в описаному випадку з електромуфтою, тільки тут не потрібна клинопасова передача зі шківами. Коли треба – електродвигун створює обдув, відключаючись за нормальної температури. Спосіб реалізували з появою компактних та потужних електромоторів.

Зручною якістю такого приводу є здатність працювати при зупиненому двигуні. Сучасні системи охолодження сильно навантажені, і якщо різко припиняється обдування, а помпа не працює, можливі локальні перегріви в місцях з максимальною температурою. Або закипання бензину у паливній системі. Вентилятор може попрацювати деякий час після зупинки, запобігши проблемі.

Проблеми, несправності та ремонт

Увімкнення вентилятора вже можна вважати аварійним режимом, оскільки регулює температуру не він, а термостат. Тому систему примусового обдування роблять дуже надійно і вона рідко відмовляє. Але якщо вентилятор не ввімкнувся, і мотор закипів, то слід перевірити найбільш схильні до відмови деталі:

• у ремінній передачі можливе ослаблення та пробуксування ременя, а також його повний обрив, все це легко визначити візуально;
• методика перевірки вискомуфти не така проста, але якщо на гарячому моторі вона сильно пробуксовує, то це сигнал до заміни;
• електромагнітні приводи, як муфта, так і електромотор, перевіряються замиканням датчика, або на інжекторному моторі зняттям роз'єму з датчика температури системи керування двигуном вентилятор повинен почати обертання.

Несправний вентилятор здатний занапастити двигун, адже перегрів загрожує капітальним ремонтом. Тому їздити з такими дефектами не можна навіть узимку. Деталі, що відмовили, слід негайно замінювати, причому використовувати тільки запчастини від надійного виробника. Ціна питання – двигун, якщо його поведе від температури, то ремонт може не допомогти. На цьому фоні вартість датчика чи електромотора просто мізерна.