Wartość prawidłowej temperatury pracy silnika i jej zakres
Z biegiem lat zmienia się wartość tej temperatury. Gdy układy chłodzenia były napełniane wodą, za prawidłową temperaturę pracy uważano 80 do 90OC, mimo że temperatura wrzenia wody to 100OC. Obecnie w układach chłodzenia są stosowane płyny chłodzące o temperaturze wrzenia ok. 120OC, co spowodowało wzrost prawidłowej temperatury pracy silnika do wartości od 90 do 100OC.

Rzeczywista temperatura wrzenia płynu w układzie chłodzenia silnika jest jednak wyższa niż podana, ponieważ płyn w układzie chłodzenia:
- ma ciśnienie wyższe od atmosferycznego;
- jest w ruchu, co utrudnia zapoczątkowanie wrzenia.

Ponadto objętość i ciśnienie płynu chłodzącego tłoczonego przez pompę jest zależne od prędkości obrotowej silnika, ze względu na bezpośredni napęd pompy przez silnik. Z podanych powodów, inżynierowie firmy Behr uważają, że przyjmowana obecnie temperatura pracy silnika jest za niska. Według nich, konstruktorzy silników wykorzystywali dotychczas większe rezerwy dla poprawy wskaźników pracy silników. Więcej uwagi poświęcali układowi smarowania silnika. Kanały chłodzące w silniku są prowadzone często tam, gdzie zostało miejsce. Układy chłodzenia są projektowane w oparciu o wzory doświadczalne, niezmienne od wielu lat.



Rys. 6. W układach smarowania silnika, w których konieczne jest silniejsze chłodzenie oleju silnikowego, jest stosowana chłodnica oleju. (Źródło: Castrol)

Dziś możliwości dalszego obniżania zużycia paliwa są mniejsze, dlatego konstruktorzy, np. BMW i VW, zwiększyli temperaturę silnika pracującego w warunkach małych i średnich obciążeń do 140OC. Przy współczesnych materiałach i olejach silnikowych nie jest ona niebezpieczna dla silnika. Natomiast, gdy silnik pracuje w warunkach dużych obciążeń, temperatura jest obniżana. Taką regulację temperatury silnika umożliwiają termostaty najnowszej generacji, których otwarcie, w warunkach określonych w programie sterownika, może być przez niego wymuszone. Termostaty te mają niemieckie nazwy “der Kennfeldthermostat” lub “der kennfeldgesteuerte Thermostat”. Podaję, bo można je spotkać w opisach technicznych. Proponuję po polsku nazywać je np. “termostat z regulacją programową”. Te termostaty opiszę w dalszej części tej serii artykułów. W artykułach, literaturze i mowie potocznej jest używane określenie “prawidłowa” lub “robocza” temperatura pracy silnika. To określenie sugeruje, że jest to jedna określona wartość temperatury. Jednak niezależnie od typu termostatu, zastosowanego w układzie chłodzenia silnika, termostat nie jest w stanie utrzymywać jednej, tzw. prawidłowej lub roboczej wartości temperatury pracy silnika - może ją tylko utrzymywać w zakresie możliwej tolerancji. Prawidłowo powinniśmy więc mówić o zakresie temperatur regulowanych przez termostat, który dla określonych warunków pracy silnika jest przyjęty za prawidłowy.

Chłodzenie silnika olejem silnikowym
Źródłem ciepła jest nie tylko proces spalania, ale też tarcie współpracujących elementów. Tarcie redukuje olej smarujący, który też odprowadza ciepło. Są miejsca w silniku, z których to głównie olej smarujący odprowadza ciepło - np. z denka tłoka (szczególnie w silnikach doładowanych), prowadnic zaworów wylotowych i miejsc współpracy krzywek ze szklankami popychaczy. Płyn układu chłodzenia odprowadza z tych miejsc, “okrężną” drogą, tylko niewiele ciepła. Nadmierny wzrost temperatury współpracujących elementów zmniejsza lepkość oleju smarującego, co może doprowadzić do styku współpracujących elementów, a więc zwiększenia: współczynnika tarcia, zużycia współpracujących elementów i dalszego wzrostu ich temperatury. Są silniki motocyklowe chłodzone głównie olejem smarującym silnik. Inżynierowie firmy Castrol twierdzą, że jest to rozwiązanie docelowe w silnikach.



Rys. 7. Typowy układ chłodzenia silnika płynem i jego elementy: 1 - zbiornik wyrównawczy płynu chłodzącego; 2 - termostat, w ustawieniu dla “zimnego” silnika, w którym nagrzany płyn chłodzący dopływający króćcem (a) przepływa do króćca (b) i jest przetłaczany przez pompę bezpośrednio do płaszcza chłodzącego silnika, natomiast króciec dopływu płynu chłodzącego do chłodnicy (c) jest zamknięty; 3 - termostat, w ustawieniu dla silnika nagrzanego do maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy silnika, w którym cała objętość nagrzanego płynu chłodzącego, dopływającego króćcem (a), płynie króćcem (c) do chłodnicy, natomiast zamknięty jest króciec (b), bezpośredniego dopływu płynu chłodzącego do płaszcza chłodzącego silnika; 4 - wskaźnik temperatury silnika; 5 - czujnik wskaźnika temperatury silnika i włącznik termiczny silnika wentylatora; 6 - nagrzewnica; 7 - pompa płynu chłodzącego; 8 - chłodnica; 9 - powietrze odbierające ciepło od płynu chłodzącego w chłodnicy; 10 - silnik elektryczny wentylatora chłodnicy. (Źródło: Behr Thermot-tronik)

Dla szybszego nagrzewania silnika zmniejszane są objętości oleju smarującego i płynu chłodzącego. Aby po nagrzaniu silnika utrzymać prawidłowy zakres temperatury oleju smarującego, w układzie smarowania silnika jest stosowana chłodnica oleju i termostat (rys.6). Może to być chłodnica chłodzona powietrzem lub płynem chłodzącym. Chłodnica typu olej-płyn chłodzący, w okresie nagrzewania silnika, umożliwia nagrzewanie płynu chłodzącego przez nagrzewający się szybciej olej silnikowy. Po nagrzaniu silnika, płyn chłodzący chłodzi gorętszy olej silnikowy. Chłodnice oleju są też z konieczności stosowane w bardziej wysilonych silnikach oraz czasami w układach przeniesienia napędu. Trzeba bowiem pamiętać, że korzystanie z wyższej mocy silnika powoduje większe jej ilościowe straty zarówno w silniku, jak i w układzie przeniesienia napędu, co oznacza, że w tym samym przedziale czasu trzeba odprowadzać większe ilości ciepła.

Układ chłodzenia silnika cieczą
Silniki samochodowe są aktualnie prawie wyłącznie chłodzone płynem chłodzącym. Typowy układ chłodzenia jest pokazany na rys. 7. Wyróżniamy w nim:
- obieg “krótki”, w którym odpływający z głowicy silnika nagrzany płyn chłodzący płynie ponownie do płaszcza chłodzącego;
- obieg “długi”, w którym odpływający z głowicy silnika nagrzany płyn chłodzący przepływa do płaszcza chłodzącego przez chłodnicę, aby oddać część ciepła powietrzu omywającemu chłodnicę.

O objętości płynu chłodzącego, który przepływa przez każdy z obiegów, decyduje termostat. Jeśli temperatura silnika jest niższa od dolnej temperatury prawidłowego zakresu temperatur, cała objętość płynu chłodzącego płynie w obiegu “krótkim” (ustawienie termostatu 2, na rys. 7). Jeśli silnik osiąga lub przekracza górną temperaturę prawidłowego zakresu temperatur, cała objętość płynu chłodzącego płynie w obiegu “długim” (ustawienie termostatu 3, na rys. 7). Jeśli temperatura silnika mieści się w prawidłowym zakresie temperatur pracy silnika, termostat przyjmuje położenia pośrednie - część objętości płynu chłodzącego płynie obiegiem “krótkim” a część “długim”.

Płyn chłodzący i jego cechy
Pamiętam czasy, gdy układy chłodzenia silników w okresie letnim były napełniane wodą przegotowaną lub destylowaną, a jedynie w okresie zimowym płynem chłodzącym. Obecnie jest standardem, że w układy chłodzenia, niezależnie od temperatury zewnętrznej, są napełniane płynem chłodzącym. Jego głównym zadaniem jest pośrednictwo w wymianie ciepła w silniku spalinowym. Płyny chłodzące to wodne roztwory głównie glikolu etylenowego lub propylenowego, z dodatkami, które pozwalają uzyskać pożądane własności, omówione poniżej. Wysoka wartość ciepła właściwego. Ciepło właściwe to wielkość informująca, ile energii, podanej w kJ (kilodżule), musi być doprowadzonej (przy nagrzewaniu) lub odprowadzonej (przy chłodzeniu), aby temperatura 1 kg ciała (stałego, cieczy lub gazu) zmieniła się o 1 stopień Celsjusza lub Kelwina (w obu skalach, zmiana o 1 stopień oznacza zmianę o tę samą wartość temperatury). Aby płyn chłodzący o wysokim cieple właściwym ogrzać, trzeba dostarczyć więcej ciepła, czyli może on skuteczniej chłodzić. Jednocześnie nagrzany płyn chłodzący o wysokim cieple właściwym, magazynuje w swojej masie więcej energii cieplnej, co powoduje, że niepracujący silnik wolniej stygnie. Niska temperatura krzepnięcia. Odpowiednio niska zapobiega krystalizacji płynu chłodzącego. W naszej strefie klimatycznej wystarczająca jest temperatura krzepnięcia wynosząca -35OC. Ma ją płyn chłodzący, będący roztworem wody z glikolem etylenowym w proporcji 50/50 proc. (patrz linia k, rys.8). Najniższą temperaturę krzepnięcia, wynoszącą -75OC, ma płyn składający się z 33,3 proc. wody i 66,7 proc. glikolu etylenowego. Proszę zauważyć, że czysty glikol etylenowy ma temperaturę zamarzania wynoszącą tylko -11,5OC.

Jeśli temperatura roztworu woda-glikol etylenowy spadnie poniżej temperatury krzepnięcia (linia k, rys.8), to następuje krystalizacja jednego ze składników roztworu. To, który składnik krystalizuje jako pierwszy, zależy od składu mieszaniny (patrz pola na rys.8). Jeśli temperatura roztworu spadnie poniżej -75OC, krystalizują się oba składniki roztworu. Wysoka temperatura wrzenia. Wzrost tej temperatury pozwala zwiększyć temperaturę pracy silników. Niska skłonność do pienienia. Płyn chłodzący krążący w układzie chłodzenia może się pienić. Wskazane jest, aby ta skłonność była możliwie niska, bowiem piana gorzej odprowadza ciepło oraz sprzyja występowaniu zjawiska kawitacji, o którym piszę dalej. Skłonność płynu do pienienia jest sprawdzana w znormalizowanych warunkach. Różne płyny mają bardzo różną skłonność do pienienia.



Rys. 8. Krzywa krystalizacji (k) roztworu woda-glikol etylenowy, o różnych proporcjach. Na wykresie są zaznaczone charakterystyczne pola, informujące o zmianach stanu skupienia składników roztworu, w zależności od proporcji w roztworze i temperatury: A - roztwór woda-glikol etylenowy; B - kryształy lodu i roztwór woda-glikol etylenowy; C - kryształy glikolu etylenowego i roztwór woda-glikol etylenowy D - kryształy lodu i kryształy glikolu etylenowego. (Źródło: Leksykon - Samochodowe paliwa, oleje i smary; WKŁ).

Stabilność chemiczna. Składniki płynu nie mogą z upływem czasu zmieniać swoich własności ani reagować między sobą. Niewielkie oddziaływanie korozyjne na elementy układu chłodzenia. Składniki płynu chłodzącego powinny w możliwie małym stopniu oddziaływać korozyjnie na metale, z których są zbudowane elementy układu chłodzenia. Tę cechę sprawdza się przez pomiar ubytku masy płytek wykonanych z różnych metali, po kontakcie z płynem chłodzącym, w znormalizowanych warunkach. Płyny chłodzące starszej generacji mają ograniczony czas przebywania w układzie chłodzenia, ponieważ korozja metalowych elementów układu chłodzenia jest hamowana przez dodatki do płynu chodzącego tylko przez określony czas. Muszą być one wymienione po czasie przewidzianym przez producenta, również wówczas, gdy wartość temperatury krzepnięcia jest prawidłowa. Nowoczesne płyny chłodzące zawierają tzw. dodatki pasywujące. Po napełnieniu układu płynem chłodzącym, powodują pokrywanie się metalowych elementów układu chłodzenia warstwą tlenków tych metali, o składzie, który trwale hamuje dalszy proces korozji, dlatego te płyny nie wymagają okresowej wymiany. Ochrona przed zjawiskiem erozji kawitacyjnej. Kawitacja to zjawisko występujące w płynących cieczach. Powoduje ono niszczenie ścianek materiałów stykających się z płynącą cieczą, np. elementów pomp czy śrub okrętowych. Skąd jednak to zjawisko w układach chłodzenia silników? Prędkości przepływu płynu chłodzącego wynoszą od 0,2 do 1,5 m/s i tylko lokalnie osiągają wartość 8 m/s. Jest ona za niska, aby występowało zjawisko kawitacji, powodowane tylko przez za dużą prędkość przepływu, która w konsekwencji powoduje nadmierny spadek ciśnienia w płynącej strudze cieczy. Przyczyną kawitacji w układach chłodzenia silników są drgania ścianek kanałów, którymi płynie płyn chłodzący, np. tulei cylindra (rys.9). Drgania te powodują lokalne zmiany ciśnień w płynącym strumieniu płynu. Jeśli drgająca ścianka 1 (rys.9a) przemieści się w kierunku O1, nastąpi wzrost objętości kanału a w konsekwencji lokalne zmniejszenie ciśnienia płynu chłodzącego do wartości p1. Jeśli ta wartość ciśnienia będzie niższa od jednej z dwóch wartości ciśnienia:
- ciśnienia pary nasyconej - jednego ze składników płynu chłodzącego;
- ciśnienia, w którym gaz rozpuszczony w płynie chłodzącym wydziela się w postaci pęcherzyków; w strumieniu płynu chłodzącego powstaną pęcherzyki pary lub gazu 3. Jeśli po chwili ścianka przemieści się w przeciwnym kierunku O2 (rys. 9b), nastąpi zmniejszenie objętości kanału, a ciśnienie płynu chłodzącego lokalnie wzrośnie do wartości p2. Ten wzrost powoduje gwałtowne zanikanie pęcherzyków pary lub gazu 5. Płyn wypełnia gwałtownie objętość pęcherzyka pary lub gazu (jest to tzw. implozja, czyli zjawisko odwrotne do eksplozji), co powoduje, że ta niewielka objętość cieczy zaczyna poruszać się z dużą prędkością V. Jeśli ta poruszająca się objętość płynu 6 uderzy w ściankę 1, to może nastąpić oddzielenie materiału ścianki 7, czyli erozja.

Zjawisku temu przeciwdziała się dwojako:
- do płynu chłodzącego są wprowadzane dodatki utrudniające tworzenie pęcherzyków pary lub gazów, w momencie spadków ciśnień;
- dodatki, które chronią metale w układzie chłodzenia przed korozją, przez pokrywanie ich warstwą pasywującą, zwiększają również ich odporność na erozję.

Brak szkodliwego oddziaływania na uszczelnienia i gumę. Podczas badań płynów chłodzących to oddziaływanie jest sprawdzane. Płyny chłodzenia powodują pęcznienie gumy o ok. 10 proc.

Wysoka temperatura zapłonu.
Warunkuje ona bezpieczeństwo stosowania płynów chłodzących.

Niska toksyczność.
Płyn chłodzący nie może stwarzać niebezpieczeństwa zatrucia osób i zwierząt, w następstwie przypadkowego spożycia.

Mieszalność z innymi płynami.
Dodanie do układu chłodzenia innego płynu, niż się w nim znajduje (szczególnie wyprodukowanego przez innego producenta) nie może powodować reakcji pomiędzy składnikami tych płynów, które powodowałyby pogorszenie właściwości tej mieszaniny płynów, a w szczególności szkodliwego oddziaływania na materiały elementów układu chłodzenia.

Szkodliwe działanie płynów chłodzących na organizmy żywe
Glikol etylenowy, używany do produkcji płynów chłodzących, jest związkiem trującym dla człowieka i zwierząt. Mniej niebezpieczny, ale również toksyczny, jest glikol propylenowy. Szybciej od glikolu etylenowego ulega on biodegradacji. Z powyższych powodów dąży się do zastępowania w płynach chłodzących glikolu etylenowego przez glikol propylenowy.



Rys. 9. Powstawanie zjawiska kawitacji w płynie chłodzącym silnik. Elementy rysunku: 1 - drgająca ścianka kanału, przez który płynie płyn chłodzący; 2 - płyn chłodzący o ciśnieniu p1, obniżonym wskutek ruchu ścianki kanału w kierunku O1; 3 - pęcherzyki składników płynu chłodzącego lub gazu rozpuszczonego w płynie, powstające w płynie o ciśnieniu obniżonym do wartości p1; 4 - płyn chłodzący o ciśnieniu p2, zwiększonym wskutek ruchu ścianki kanału w kierunku O2, w którym gwałtownie zanikają pęcherzyki pary składników płynu chłodzącego lub gazu; 5 - płyn chłodzący, po gwałtownym wypełnieniu objętości po pęcherzyku pary lub gazu, zaczyna poruszać się z dużą prędkością V; 6 - jeśli szybko poruszająca się objętość płynu chłodzącego 5 uderzy w ściankę kanału, to może nastąpić erozyjne zniszczenie ścianki kanału; 7 - cząstki materiału ścianki kanału, oddzielone wskutek zniszczenia erozyjnego. Opis w tekście artykułu.

Nie wolno wylewać zużytych płynów chłodzących do kanalizacji - powinny być one utylizowane. Sugeruję serwisom wybierać tych dostawców płynów chłodzących i hamulcowych, którzy pomogą rozwiązać problem usuwania zużytych płynów. Od odbiorców zależy, czy taka postawa, korzystna dla nas i otaczającego nas środowiska, zostanie na dostawcach wymuszona.

Płyny chłodzące - wskazówki praktyczne
Kupując płyn chłodzący, należy sprawdzić czy jest to płyn gotowy do użycia, czy koncentrat wymagający rozcieńczenia wodą destylowaną. Koncentrat płynu chłodzącego proszę rozcieńczać wodą destylowaną w stosunku podanym przez producenta. Proszę zwracać uwagę na dopuszczalny okres stosowania płynu chłodzącego. Jeśli jest on określony na 2 do 3 lat, to po tym okresie należy go wymienić. Jeśli płyn chłodzący jest przeznaczony do długookresowego stosowania (może być wykorzystywany w okresie odpowiadającym przebiegowi silnika ok. 200 tys. km), wystarczy uzupełniać jego ubytki takim samym płynem. Ubytki płynu chłodzącego w układzie chłodzenia należy uzupełniać takim samym płynem. Można stosować inny płyn chłodzący, ale wyjątkowo. Nie powinno stać się nic złego, ale nie jest to zalecane. Jeśli używamy płynu chłodzącego w formie koncentratu, to wlewamy go do układu chłodzenia, w odpowiednim dla niego rozcieńczeniu. Nie należy układu chłodzenia napełniać koncentratem bez rozcieńczenia wodą, ponieważ ma on wyższą temperaturę krzepnięcia i niższe ciepło właściwe niż roztwór z wodą, w przewidzianym przez producenta rozcieńczeniu. Jeśli w układzie chłodzenia jest chłodnica z aluminium, należy stosować płyny chłodzące zalecane do takich układów.

mgr inż. Stefan Myszkowski

Artykuł powstał na podstawie materiałów udostępnionych przez firmę Behr Thermot-tronik GmbH & Co.