Do czego służą i gdzie stosuje się układy chłodzenia?

Rolą układu chłodzenia jest utrzymywanie stałej określonej temperatury. Poziom tej temperatury  i zakres ewentualnych odchyłek jest ustalany przez projektanta — konstruktora danego urządzenia – podzespołu. Jeżeli dane urządzenie w trakcie pracy osiąga temperaturę wykraczająca poza ustalone normy i granice, to konieczne staje się zastosowanie układu chłodzenia, Ta ustalona temperatura nazywana jest temperaturą pracy. Jest to temperatura, w której urządzenie powinno pracować, ze względu na poprawność pracy oraz jego maksymalną żywotność. Temperatura pracy wynika bezpośrednio z uwarunkowań konstrukcyjnych danego urządzenia. Do tych uwarunkowań zaliczamy miedzy innymi rozszerzalność cieplną materiału, z którego jest zbudowana, właściwości płynów pracujących wewnątrz urządzenia lub współpracujących z nim, bezpieczeństwo użytkownika itp. Nie należy zapominać również o tym, że rolą układu chłodzenia jest utrzymywanie temperatury pracy urządzenia niezależnie od panujących warunków zewnętrznych, w których pracuje dane urządzenie. Czasami może to być Dolina Śmierci w USA gdzie temperatura nad asfaltem często przekracza 550°C, a czasami będzie to Jakuck w Rosji, gdzie temperatura przy gruncie często oscyluje około -500°C. Jak widać zadanie układów chłodzenia polegająca na utrzymywaniu stałej ściśle określonej temperatury pracy nie jest wcale łatwa do spełnienia. 

Gdzie stosuje się układy chłodzenia?

Poniekąd odpowiedź na to pytanie padła już przy okazji rozważań na temat pierwszej część pytania. Układy chłodzenia stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczne jest utrzymanie stałej określonej temperatury pracy. W przypadku odniesienia tego pytania do pojazdów, niejako w sposób naturalny nasuwa nam się silnik jako miejsce, które wymaga chłodzenia. Mówiąc silnik, mamy na myśli blok silnika oraz głowicę. Z badań prowadzonych nad pracą silnika z tak zwanego bilansu cieplnego silnika spalinowego wynika, te tylko część energii dostarczanej do silnika w postaci paliwa jest zamieniana na pracę. Stanowi to od 28% do 35%.

Pozostała energia, czyli od 65% do 72% jest „tracona", z czego około 30% - 34% energii jest tracone w układzie chłodzenia. Około 15% energii tracimy z gazami spalinowymi. Około 10% energii jest wypromieniowywane do otoczenia. Pozostałe klika procent energii jest wykorzystywane na pokonanie oporów mechanicznych samego silnika. 

Przykład bilansu energetycznego jest przedstawiony na zdjęciu 1. 

Z bilansu wynika, że około 34% energii nagrzewa silnik. Zatem zadaniem układu chłodzenia jest skuteczne odprowadzenie tej energii, odprowadzenie w taki sposób, żeby w żadnym momencie pracy nie spowodować przechłodzenia lub tym bardziej przegrzania silnika. Za normalną prawidłową temperaturę pracy silnika spalinowego uznaje się temperaturę około 950°C— temperatura płynu chłodzącego. W silniku spalinowym najwyższą temperaturę będą miały ściany cylindrów i kanały kolektora wydechowego. Te elementy muszą być chłodzone najintensywniej. Oczywiście należy pamiętać, że nadmierne chłodzenie silnika powoduje zmniejszenie sprawności cieplnej silnika i w konsekwencji pogorszenie procesu spalania oraz warunków smarowania silnika. Dla użytkownika tak chłodzonego silnika będzie to oznaczać zwiększenie zużycia paliwa oraz szybsze zużywanie się mechaniczne silnika. Z kolei niedostateczne chłodzenie będzie powodować nadmierne nagrzanie, a wręcz przegrzewanie elementów silnika, co będzie prowadzić do dalszego wzrostu temperatury i w końcowym efekcie do jego zatarcia - zablokowania. Zbyt wysoka temperatura silnika powoduje również wzrost tendencji do samo zapłonu czyli spalania stukowego. Wpływa również na pogorszenie warunków smarowania silnika oraz spadek współczynnika napełniania cylindrów. Im większa moc silnika, tym większą ilość energii należy odprowadzić. Przykładowo w silniku o mocy 100 kW jest to około 136 KM, czyli moc występująca w samochodach klasy średniej, ilość energii, która musi odprowadzić układ chłodzenia, jest równa 30 kW. Taka ilość energii wystarcza do ogrzania ponad 300 metrów powierzchni— dużego domu jednorodzinnego. Oczywiście taką ilość energii trzeba odprowadzić w momencie, kiedy silnik pracuje z maksymalna mocą. Z tego powodu w silnikach dużych mocy do chłodzenia wykorzystuje się również układ olejowy. W takim przypadku układ olejowy posiada chłodnicę. Rozwiązanie takie jest również często spotykane w motocyklach, w których blok i głowica są chłodzone powietrzem. 

Główną zaletą wykorzystania układu smarowania do chłodzenia jest zwiększenie ilości odbieranej energii. Od silnika bez konieczności wykonywania żadnych dodatkowych układów. kanałów lub temu podobnych, co niepotrzebnie komplikowałoby konstrukcję silnika. Układ olejowy występuje w większości silników. Dodatkową zaletą wykorzystania do chłodzenia układu smarowania jest fakt, że można chłodzić także miejsca, do których płyn chłodzący nie ma jak dotrzeć — są to wał korbowy, tłoki, zawory, wszędzie tam, gdzie dociera Olej. zapobiegając nadmiernemu nagrzewaniu się poszczególnych części. Na przykład można chłodzić denko tłoka, w tym przypadku chłodzenie jest uzyskiwane przez tryskanie olejem na denko tłoka od wewnętrznej jego struny. Metoda ta jest bardzo prosta, a zarazem skuteczna. Koniec kanału smarującego panewkę w główce korbowodu posiada otwór tak wykonany, aby olej tryskał z niego na denko tłoka. Olej w ten sposób odbiera energię z bardzo nagrzanego niedostępnego miejsca tłoka. Kolejne ważną zaletą chłodzenia oleju silnikowego jest utrzymywanie jego temperatury w określonych granicach, przez co minimalizujemy ryzyko pojawienia się nagaru w wyniku spalania oleju. 

Silnik jest bez wątpienia jednym z najważniejszych podzespołów w samochodzie, który wymaga chłodzenia - układu chłodzenia. Ale czy tylko silnik? Otóż nie tylko silnik.

Równie ważne jest chłodzenie skrzyni biegów, szczególnie automatycznych oraz skrzyń biegów mechanicznych przenoszących duże moce. Kolejnymi miejscami - podzespołami, które również mogą wymagać chłodzenia będą dyferencjały oraz układy hamulcowe. Chłodzenia wymagać będę również powietrze zasilające silnik szczególnie w przypadku zastosowania doładowania, paliwo - olej napędowy głównie w układach wysokociśnieniowych, gaz w układach klimatyzacji, płyn hydrauliczny wspomagana układu kierowniczego, układy EGR, układy hamulcowe. Ostatnio coraz częściej w pojazdach pojawia się problem utrzymania właściwej temperatury pracy układów elektronicznych - komputerów, które wraz ze wzrostem mocy obliczeniowych oraz postępującą miniaturyzacją wydzielają coraz większe ilości ciepła w trakcie pracy. Obecnie moc obliczeniowa komputerów zainstalowanych w jednym aucie klasy średniej przewyższa znacząco moce obliczeniowe komputerów zainstalowanych w Pentagonie w latach 80-tych.

Silnik nie jest jedynym miejscem - podzespołem, który potrzebuje układu chłodzenia. Należy pamiętać, że układ chłodzenia jest integralną częścią bez którego praca danego podzespołu jest niemożliwa, a w najlepszym przypadku jest bardzo mocno ograniczona.

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Do czego służą i gdzie stosuje się układy chłodzenia” w dodatku technicznym do Wiadomości IC „Chłodzenie w pojeździe – czy tylko silnik go potrzebuje?