По способу охлаждения с жидкостным охлаждением

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания: как это работает

Назначение системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания состоит в отводе тепла от нагретых деталей мотора с помощью охлажденной среды (жидкости, газа или того и другого вместе) для сохранения рабочего диапазона температур двигателя и защиты его от перегрева независимо от условий эксплуатации. Как устроена система охлаждения, какие её виды бывают и в чем заключается принцип работы подробно разобрано в этой статье.

Функции системы охлаждения двигателя автомобиля

Помимо основной функции в виде отвода тепла от мотора, система охлаждения двигателя (сокращенно СОД) выполняет и другие задачи:

• Охлаждения смазывающих жидкостей в автоматических коробках передач;
• Охлаждения выхлопных газов в системе рециркуляции отработавших газов;
• Охлаждения воздуха в системе турбонаддува;
• Охлаждения систем смазки двигателя;
• Нагрева воздуха в системе отопления и кондиционирования.

Выход из строя или низкая эффективность работы системы охлаждения ведет к повышенному износу и выходу из строя двигателя деталей двигателя. Рабочая температура современных бензиновых двигателей составляет 100-120°C (или 70-90°C для дизельных моторов), а с учетом облегченных конструкций нынешних моторов и увеличенной мощностью по отношению к объему даже кратковременный перегрев гарантирует мгновенную или очень скорую поломку двигателя. Поэтому правильная работа системы охлаждения в современных автомобилях является гарантом работоспособности и ресурса силовой установки.

Виды систем охлаждения двигателя

Системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания делятся на три основных типа: жидкостные (водяные), воздушные и гибридные (комбинированные — для охлаждения используется и воздух и жидкость).

Жидкостная система охлаждения

Жидкостные системы охлаждения делятся на несколько типов — замкнутого, не замкнутого и открытого типа. В системах незамкнутого жидкостного охлаждения охлаждающая жидкость (сокращенно ОЖ) подается извне, отводит тепло от его источника и направляется во внешнюю среду. Например, для охлаждения режущего инструмента подается поток смазки, поступающий самотеком в маслосборники. В открытых системах жидкостного охлаждения нагревательный элемент расположен в объеме теплоносителя, а тот в свою очередь помещен в охладитель. Системы открытого типа применяют, например, для охлаждения трансформаторов. В автомобилях используются только системы замкнутого жидкостного охлаждения, когда жидкая среда находится в герметичном контуре.

Для ускорения теплообмена дополнительно к замкнутой жидкостной системе может подключаться воздушная — такая связка широко применяется в автомобилестроении и называется комбинированной (или гибридной) системой охлаждения.

Комбинированная (гибридная) система охлаждения

По герметичному жидкостному контуру принудительно циркулирует жидкость, которая нагревается в рубашке охлаждения двигателя и остывает в радиаторе охлаждения. Дополнительно рядом с радиатором установлен вентилятор, который включается при повышении температуры охлаждающей жидкости выше заданного значения. Такая система применяется на абсолютном большинстве современных автомобилей.

В качестве охлаждающей жидкости сегодня чаще всего применяется антифриз — специальная жидкость на основе этиленгликоля, которая не замерзает при низких температурах (в народе называют «незамерзайка»). Ранее использовали простую воду. В СССР распространение получили антифризы марки Тосол, под которой выпускался целый ряд технических жидкостей для автомобилей. Охлаждающие жидкости этого бренда под названиями «Тосол-А» и «Тосол-АМ» были так популярны, что слово «тосол» стало народным синонимом «антифризу».

Принципиальная схема охлаждения одинаковая как для бензиновых, так и дизельных двигателей. В этой статье мы рассмотрим общую схему, которая актуальна для обоих видов моторов. Порядок расположения элементов может отличаться от автомобиля к автомобилю, но основные компоненты, обеспечивающие правильную работу системы охлаждения — одинаковые.

Устройство жидкостной системы охлаждения двигателя

Радиатор охлаждения (1):

Радиатор охлаждения автомобиля (или воздушный теплообменник) служит для рассеивания тепла в атмосферу. Состоит из трубок, по которым циркулирует антифриз, и большого количества пластин (рёбер), которые увеличивают поверхность для ускорения теплообмена. Радиаторы изготавливаются из легко проводящих тепло материалов — медь (трубки) и алюминий (пластины). Радиаторы с медными трубками более долговечны, однако с целью удешевления их часто делают алюминиевыми, что сказывается на долговечности. Иногда эти теплообменники комплектуется пробкой радиатора (воздушным клапаном), выполняющим ту же функцию, что и крышка расширительного бачка.

Вентилятор (2):

Вентилятор радиатора — создает мощный поток воздуха, ускоряя охлаждение радиатора (при движении на малой скорости, в жаркую погоду, в пробках и т.д.). В современных автомобилях работает от электродвигателя и имеет несколько скоростей вращения, которые автоматически выбирает и включает бортовой компьютер, используя показания датчиков температуры. При включении кондиционера вентилятор радиатора включается принудительно на максимальной скорости и работает постоянно.

Водяной насос (3):

Водяной насос, или жидкостной насос, или помпа — отвечает за циркуляцию охлаждающей жидкости в системе. Приводится в движение ременной передачей от вала двигателя (чаще) или от электродвигателя (реже). В связи со сложными условиями работы является расходным элементом — по регламенту меняется вместе с ремнем газораспределительного механизма (ГРМ) и роликами. На двигателях с цепной системой газораспределения автопроизводители рекомендуют менять жидкостной насос каждые 90 000 километров пробега.

Термостат (4):

Термостат — в системах охлаждения автомобиля регулирует движение охлаждающей жидкости (по малому или большому кругу) с целью ускорения прогрева двигателя и поддержания оптимальной температуры его работы. Когда мотор не прогрет до рабочей температуры термостат закрыт и жидкость движется только по малому кругу (рубашка охлаждения мотора и радиатор отопителя салона), после прогрева термостат открывается, и жидкость движется по большому кругу (через радиатор охлаждения). Термостат состоит из штока, клапана, пружины и баллона с термочувствительной жидкостью (термобаллона). Под воздействием температуры жидкость в баллоне расширяется и преодолевает сопротивление пружины, открывая тем самым клапан.

Вентилятор отопителя (5):

Вентилятор отопителя — прогоняет очищенный от крупных частиц салонным фильтром уличный воздух через радиатор отопителя, тем самым снимает с него тепло, которое далее идет по воздуховодам и подается в салон. На машинах с кондиционером этот же вентилятор обдувает испаритель, снимая с него холод. Состоит из электродвигателя, крыльчатки и корпуса. Обычно располагается в салоне автомобиля — непосредственно в системе воздуховодов, реже — за моторным щитом.

Радиатор отопителя (6):

Радиатор отопителя, или печка — обычный теплообменник (конденсатор), который служит для отвода тепла в салон автомобиля. Устройство, схема подключения и принцип работы аналогичны основному радиатору. Главное отличие — радиатор отопителя меньше. Теплообменник постоянно нагрет, поскольку напрямую подключен к системе охлаждения автомобиля. Съем тепла с него осуществляется вентилятором — если он выключен, или перекрыта заслонка конденсатора (салонной печки) — в салон тепло попадать не будет.

Расширительный бачок (7):

Расширительный бачок предназначен для хранения излишков охлаждающей жидкости (антифриза), которые возникают в результате расширения этой жидкости в процессе нагрева. В автомобилях используют расширительные бачки открытого типа — закрывающая их крышка одновременно является клапаном (в некоторых автомобилях это просто крышка, а клапан находится на радиаторе), который поддерживает избыточное давление охлаждающей жидкости. Бачки делают из полупрозрачного пластика (для удобства контроля уровня жидкости) и располагают их в верхней точке системы охлаждения с целью недопущения появления воздушных пробок.

Все элементы соединены в замкнутый контур посредством патрубков (шлангов), отводов и втулок. Немаловажную роль в корректной работе системы охлаждения играет датчик температуры охлаждающей жидкости, обычно их ставят два — один дает показания на приборную панель, другой передает данные бортовому компьютеру. На основании температуры, например, может меняться состав топливовоздушной смеси, включаться или выключаться повышенные (прогревочные) обороты и вентилятор охлаждения.

Также часто в систему охлаждения мотора, особенно мощных двигателей, входит масляный радиатор (в основном это жидкостно-масляный теплообменник), который охлаждает моторное масло до температуры близкой к температуре ОЖ.

Принцип работы жидкостной (гибридной) системы охлаждения автомобиля

В каналы блока и головки цилиндров (так называемую рубашку охлаждения) подается жидкость с помощью водяного насоса (помпы). Жидкость забирает на себя часть тепла от двигателя и охлаждается в радиаторе. В системе охлаждения есть два круга обращения охлаждающей среды — малый и большой. Выбор пути регулируется термостатом — на «холодную» жидкость движется только по рубашке охлаждения (малый круг, иногда в него входит и радиатор отопителя) не попадая в радиатор, что ускоряет выход мотора на рабочую температуру.

Схема системы охлаждения двигателя

С повышением температуры жидкости в системе (отслеживается датчиками температуры) — термостат начинает приоткрывать путь на для жидкости на большой круг, в котором задействованы все элементы системы охлаждения как на приведенной выше схеме. Чем выше температура жидкости — тем сильнее открыт термостат. Если при максимальном открытии термостата температура продолжает расти и достигает определенного значения — включается вентилятор охлаждения радиатора, который ускоряет охлаждения жидкости.

Воздушная система охлаждения

Воздушные системы в свою очередь делятся на два типа — естественного и принудительного охлаждения. Естественная система воздушного охлаждения является наиболее примитивным вариантом — отвод тепла осуществляется с помощью оребрения на поверхности цилиндров (как на радиаторах воздушного охлаждения). Однако простота конструкции в купе с низкой теплоёмкостью воздуха создает ряд ограничений и проблем:

• Невозможность применения на компактных и мощных двигателях из-за слабого отвода тепла;
• Неравномерное охлаждение и как следствие необходимость решения проблем локального перегрева ДВС, в частности увеличивать поверхность оребрения в местах аэродинамической тени, располагать более горячие выпускные клапана «лицом» к потоку воздуха;
• Необходимость не допускать сильного загрязнения пластин охлаждения, поскольку из-за этого сильно падает эффективность отвода тепла.

На сегодняшний день воздушное охлаждение естественно типа еще можно встретить на мотоциклах, мопедах и авиатехнике. На легковых автомобилях уже не применяется, на мототехнике вытесняется жидкостным охлаждением из-за возросшей форсировки моторов.

Двигатель Yamaha XVS950A

Принудительная система воздушного охлаждения применяется в стационарных объектах и технике, доступ воздуха к двигателю которой ограничен в следствие наличия капота или иных элементов на пути воздушного потока. В этом случае обдув двигателя осуществляется с помощью вентилятора. Конструкция по сравнению с системами естественного воздушного охлаждения усложнена только наличием вентилятора и тоже относится к простым. Также очевидным плюсом такой системы является отсутствие охлаждающей жидкости, как собственно и системы для ее циркуляции. Минусы: большие габариты двигателя, низкая эффективность охлаждения, высокий уровень шума от вентилятора. Как и у естественного воздушного охлаждения есть проблемы с неравномерным обдувом.

Самая известная машина с принудительной системой воздушного охлаждения — «Запорожец». Такого же типа охлаждение ставили на моторы моделей Volkswagen Kafer, Fiat 500, Citroen 2CV, Tatra 613. Volkswagen Type 2. В современных автомобилях принудительная система воздушного охлаждения не применяется. Но иногда умельцы реставрируют старые автомобили с двигателями с таким охлаждением. Например, вот экземпляр восстановленного Porsche 911 с четырехлитровым мотором с воздушным охлаждением (форсированный до 390 л.с и конструктивно доработанный):

Двигатель Porsche 911 с воздушным охлаждением

На этом знакомство с системой охлаждения двигателей автомобилей окончено. Типовые неисправности и поломки таких систем — тема для отдельной статьи. Если остались вопросы — не стесняйтесь, задавайте.

Источник

Система охлаждения процессора: жидкостное охлаждение или воздушное охлаждение

Основные моменты:

Что подойдет именно вам.

Здесь вы найдете то, что вам следует знать, чтобы сделать правильный выбор между жидкостным охлаждением и воздушным охлаждением, в том числе информацию о работе этих двух методов, и определить, какой метод подойдет именно вам.

Здесь вы найдете то, что вам следует знать, чтобы сделать правильный выбор между жидкостным охлаждением и воздушным охлаждением, в том числе информацию о работе этих двух методов, и определить, какой метод подойдет именно вам.

Как и любой другой мощный компонент аппаратного обеспечения ПК, процессор выделяет тепло во время работы и должен надлежащим образом охлаждаться для достижения максимальной производительности.

Марк Галлина (Mark Gallina), архитектор систем охлаждения и механических систем корпорации Intel, объясняет: «При нормальной работе транзисторы внутри процессора преобразуют электрическую энергию в тепловую (тепло). Это тепло повышает температуру процессора. Если для этого тепла не существует эффективного пути, температура процессора превысит безопасную рабочую температуру».

Но как лучше всего поддерживать оптимальную рабочую температуру процессора? Существует множество способов охлаждения процессора, но в большинстве настольных ПК и ноутбуков используется воздушное или жидкостное охлаждение.

Мы поговорим о жидкостном и воздушном охлаждении: принципе их работы, плюсах и минусах каждого из них и о том, что больше всего подходит для вашей сборки.

Как работает система охлаждения процессора

Системы воздушного и жидкостного охлаждения процессора работают по аналогичному принципу и по существу выполняют одну задачу: поглощают тепло от процессора и распределяют его в сторону от аппаратного обеспечения.

Тепло, выделяемое самим процессором, распределяется на металлическую крышку процессора, называемую встроенным теплораспределителем. Затем тепло передается на опорную пластину системы охлаждения процессора. Затем тепло распределяется с помощью жидкости или через тепловую трубку на вентилятор, где оно выдувается из системы охлаждения и в конечном итоге из ПК.

Несмотря на то, что механизмы, лежащие в основе, похожи, эти два метода обеспечивают распределение тепла совершенно разными способами.

Начнем с воздушной системы охлаждения.

Охлаждение воздухом

В системе воздушного охлаждения тепло передается от встроенного теплораспределителя процессора через нанесенную термопасту на проводящую опорную пластину, которая обычно изготавливается из меди или алюминия. От опорной пластины тепловая энергия поступает в прикрепленные тепловые трубки.

Тепловые трубки предназначены для отвода тепла из одного места в другое. В этом случае тепло перемещается к теплоотводу, который приподнят над системной платой, чтобы освободить место для других компонентов, например ОЗУ. Данные трубки передают энергию в виде тепла на тонкие металлические ребра, образующие теплоотвод. Эти ребра предназначены для обеспечения максимального воздействия холодного воздуха, который затем поглощает тепло из металла. Установленный вентилятор отводит теплый воздух от теплоотвода.

Система пассивного охлаждения является менее распространенной, но схожей в теории со стандартной системой охлаждения. В ней используется теплоотвод, специально разработанный для поглощения и перераспределения тепла без использования вентилятора. Это может пригодиться в сборке, где приоритетом является низкий уровень шума, однако в большинстве игровых компьютеров используется система воздушного или жидкостного охлаждения.

Эффективность системы воздушного охлаждения может варьироваться в зависимости от таких факторов, как материалы, используемые в конструкции (медь является более проводящей, чем алюминий, хотя алюминий дешевле), а также размера и количества вентиляторов, подключенных к теплоотводу процессора. Этим объясняется разница в размере и конструкции систем воздушного охлаждения процессора.

Более крупные системы воздушного охлаждения обычно рассеивают тепло лучше, но для громоздкой системы охлаждения не всегда есть место, особенно в ПК малого форм-фактора.

Далее мы более подробно рассмотрим преимущества воздушного охлаждения, но сначала изучим жидкостное охлаждение для сравнения.

Охлаждение жидкостью

Как и в случае с системами воздушного охлаждения, существует широкий выбор доступных вариантов, при этом большинство из них подразделяются на две категории: системы охлаждения «все в одном» или настраиваемые контуры охлаждения. Мы сосредоточимся главным образом на системах охлаждения «все в одном», хотя фундаментальные принципы того, как жидкость охлаждает процессор, одинаковы в обеих системах.

Как и в случае с воздушным охлаждением, процесс начинается с опорной пластины, подключенной к встроенному теплораспределителю процессора со слоем термопасты. Таким образом обеспечивается лучшая теплопередача между двумя поверхностями. Металлическая поверхность опорной пластины является частью блока водяного охлаждения, который предназначен для заполнения охлаждающей жидкостью.

Охлаждающая жидкость поглощает тепло из опорной пластины, проходя через блок водяного охлаждения. Затем оно продолжает перемещаться по системе и вверх по одной из двух трубок к радиатору. Радиатор обеспечивает воздействие воздуха на жидкость, что помогает ей остыть, а вентиляторы, прикрепленные к радиатору, отводят тепло от системы охлаждения. Затем охлаждающая жидкость снова поступает в блок водяного охлаждения, и цикл повторяется.

Что подойдет именно вам?

Оба варианта охлаждения являются высокоэффективными при правильной реализации, но имеют разные характеристики в разных условиях. При выборе необходимо учитывать ряд факторов.

Цена может существенно отличаться в зависимости от функций, которым вы отдаете предпочтение. Тем не менее в целом системы воздушного охлаждения обходятся дешевле благодаря более простой работе.

Для обеих систем существуют версии начального и премиум-класса. Модель системы воздушного охлаждения премиум-класса может быть оснащена более крупным теплоотводом, вентиляторами более высокого уровня и иметь различные варианты дизайна. Система жидкостного охлаждения «все в одном» высшего класса может быть оснащена более крупным радиатором и сочетать в себе эстетические и функциональные возможности индивидуальной настройки, такие как программное обеспечение для управления скоростью вращения вентиляторов и подсветкой.

Системы воздушного и жидкостного охлаждения процессора имеют больший диапазон цен в зависимости от необходимых характеристик.

Простота установки

Несмотря на то, что система жидкостного охлаждения «все в одном» зачастую сложнее в установке, чем стандартная система воздушного охлаждения, принцип ее работы достаточно прост. Большинство таких систем состоят только из блока водяного охлаждения, двух шлангов, обеспечивающих циркуляцию охлаждающей жидкости, и радиатора. Дополнительные действия включают установку блока водяного охлаждения, который аналогичен установке системы воздушного охлаждения, а затем установку радиатора и вентиляторов таким образом, чтобы излишки тепла могли легко выйти из ПК. Поскольку охлаждающая жидкость, насос и радиатор являются автономными компонентами устройства (отсюда название «все в одном»), после его установки не требуется значительный контроль или техническое обслуживание.

С другой стороны, установка настраиваемого контура требует дополнительных усилий и знаний со стороны сборщика. Процесс первоначальной установки может занять больше времени, однако дополнительная гибкость позволяет значительно расширить возможности настройки и при необходимости включить в контур другие компоненты, такие как графический процессор. При правильном внедрении эти более сложные настраиваемые контуры также могут поддерживать сборки всех форм и размеров.

Размер

Системы воздушного охлаждения могут быть громоздкими, но их габариты сосредоточены в одной области, а не распределены по всей системе. С другой стороны, при использовании системы «все в одном» вам потребуется пространство для установки радиатора. Кроме того, необходимо учесть такие аспекты, как правильное расположение и взаимодействие блока водяного охлаждения и трубок подачи охлаждающей жидкости.

Таким образом, если вы работаете с небольшой сборкой, громоздкая система воздушного охлаждения может оказаться не лучшим вариантом. В этом случае больше подойдет низкопрофильная система воздушного охлаждения или система «все в одном» с небольшим радиатором. При планировании модернизации или выборе корпуса убедитесь в наличии достаточного пространства для выбранного решения по охлаждению и в том, что корпус поддерживает выбранное вами аппаратное обеспечение.

Жидкостное охлаждение, особенно при использовании системы «все в одном», работает тише, чем вентилятор на теплоотводе процессора. Это также может варьироваться в зависимости от наличия системы воздушного охлаждения с вентиляторами, специально разработанными для снижения уровня шума, а настройки или выбор вентилятора могут влиять на уровень шума. В целом жидкостное охлаждение обычно создает меньше шума, так как небольшой насос, как правило, хорошо изолирован, а вентиляторы радиатора работают с меньшей скоростью (оборотов в минуту), чем на теплоотводе процессора.

Регулировка температуры

Если вы планируете выполнять оверклокинг или ресурсоемкие задачи, такие как рендеринг видео или потоковая трансляция, лучше всего выбрать жидкостное охлаждение.

По словам Марка Галлины, жидкостное охлаждение «более эффективно распределяет тепло по большей площади конвекционной поверхности (радиатора), чем чистая проводимость, что позволяет снизить скорость вращения вентилятора (для лучшей акустики) или увеличить общую мощность».

Другими словами, оно эффективнее и во многих случаях тише. Если вы хотите добиться минимальной температуры или получить более тихое решение и вас не пугает более сложный процесс установки, лучше всего вам подойдет жидкостное охлаждение.

Системы воздушного охлаждения достаточно хорошо перемещают тепло от процессора, но помните, что тепло затем рассеивается в корпусе. Это может привести к повышению общей температуры внутри системы. Системы жидкостного охлаждения лучше справляются с перемещением тепла за пределы системы через вентиляторы радиатора.

Источник