В типичном автомобиле с четырехцилиндровым двигателем, движущемся по шоссе со скоростью 90 км/ч, внутри двигателя происходит почти 5000 контролируемых взрывов в минуту – это свечи зажигания воспламеняют топливно-воздушную смесь в каждом из цилиндров. Естественно, все эти взрывы производят огромное количество тепла и разрушили бы двигатель в течение буквально нескольких минут, если бы это тепло не контролировала система охлаждения, в самом сердце которой находится радиатор.
Немного матчасти
Современные системы охлаждения не сильно изменились по сравнению с предшественниками, но они стали намного эффективнее и надежнее выполнять свою работу. Основная система охлаждения по-прежнему состоит из охлаждающей жидкости, циркулирующей через блок двигателя и головку блока цилиндров (или головки в двигателе V-образной конфигурации), а затем вытесняемой в радиатор для охлаждения потоком воздуха, проходящим через решетку радиатора в передней части автомобиля.
Система охлаждения должна поддерживать двигатель при постоянной температуре независимо от того, является ли температура наружного воздуха горячей или холодной. Если температура двигателя будет слишком низкой, то заметно вырастет расход топлива и увеличатся выбросы. Если температура двигателя становится слишком высокой, это прямой путь к серьезным повреждениям.
Диапазон рабочих температур двигателя для большинства автомобилей составляет от 90 до примерно 104оС. Оптимальная температура – около 100оС. Более высокая разница температур между охлаждающей жидкостью двигателя и наружным воздухом делает теплопередачу более эффективной.
Система охлаждения двигателя состоит из, как мы уже сказали, охлаждающей жидкости двигателя, каналов внутри блока цилиндров и головки цилиндров, водяного насоса, термостата, вентилятора, соединительных шлангов и радиатора, который, собственно, за сам физический процесс охлаждения и отвечает. По мере того как нагревшаяся в каналах блока и ГБЦ охлаждающая жидкость течет по тонким трубкам в радиаторе, она охлаждается воздушным потоком, поступающим в моторный отсек через решетку перед автомобилем. Как только жидкость охлаждается, она возвращается в двигатель, чтобы поглотить очередную порцию тепла.
Если автомобиль оснащен кондиционером, то перед радиатором системы охлаждения двигателя устанавливается дополнительный радиатор, называемый конденсором кондиционера. Конденсор кондиционера также должен охлаждаться потоком воздуха, поступающим в моторный отсек. Если кондиционер включен, система будет поддерживать работу одного электрического вентилятора охлаждения, даже если двигатель не работает в горячем состоянии. Если нет потока воздуха через конденсор кондиционера, то кондиционер не сможет охладить воздух, поступающий в кабину автомобиля.
Стабильность
Для чего мы так подробно прошлись по устройству системы охлаждения? Для того, чтобы вы со всей очевидностью поняли – несмотря на все технологические инновации, сам принцип охлаждения за последние, грубо говоря, лет сто тридцать ни капли не поменялся. Да, у нас появились термостаты и насосы, потом они стали электронными, мы применили прогрессивные конструкционные материалы, внедрили усовершенствованные алгоритмы управления и проч., но охлаждающая жидкость как охлаждалась потоком воздуха на автомобилях конца ХIХ века, так же охлаждается и в веке XXI. И ничего мы с этим поделать пока не можем. Поэтому в настоящий момент именно радиаторы, как и десять, и двадцать, и пятьдесят и более лет назад, остаются главным звеном в этой цепочке, ведь именно в них тепло отводится от теплоносителя.
Эволюция радиаторов была не сказать чтобы бурной. От латунных и медных радиаторов прошлого мы перешли к современным радиаторам с алюминиевым сердечником и пластиковыми (как правило, армированный стекловолокном полиамид) головными бачками. Хотя справедливости ради стоит отметить, что многие эксперты еще полны определенного оптимизма в отношении меди, поэтому эволюция, как это нередко бывает, может и в случае радиаторов, совершив виток, вернуться в начальную точку, в несколько измененном, конечно, виде.
Но сейчас – да, – сейчас король автомобилестроения, безусловно, алюминий, благодаря своим отличным характеристикам в широком спектре параметров, чрезвычайно важных для автопрома: износостойкость, вес, надежность, технологическая гибкость и проч.
Что же касается места расположения – со времен первых применений радиаторы устанавливались во фронтальной части кузова автомобиля для сбора в движении свободного потока воздуха. В настоящее время для достижения аэродинамических целей радиаторы размещаются за радиаторной решеткой в корпусе моторного отсека из листового металла, что создает серьезные конструктивные проблемы, связанные с емкостью радиатора и воздействием свободного потока воздуха.
Борьба за аэродинамику
Иными словами, радиатор как был, так и остался абсолютно антиаэродинамичным прямоугольным «кирпичом» в носу автомобиля, значительно, скажем так, портящим аэродинамические показатели легковых автомобилей. И с какого бы боку инженеры ни приступали к решению соответствующих задач, что-то поделать с этой неразрешимой (пока?) проблемой они не могут. Потому что от площади радиатора и его расположения, как вы прекрасно понимаете, напрямую зависит эффективность охлаждения.
Хотя отдельным автопроизводителям данный недостаток удается все-таки более или менее нивелировать, отчасти даже поставив во благо. Так, например, Opel уже много лет работает в области активных заслонок/жалюзи/шторок радиатора для снижения аэродинамического сопротивления.
Эти активные заслонки повышают топливную экономичность и способствуют сокращению выбросов CO2, автоматически закрываясь, когда охлаждающий воздух меньше всего необходим. В закрытом состоянии система заслонок улучшает аэродинамические характеристики, перенаправляя воздушный поток вокруг передней части автомобиля вниз и по бокам, а не через менее аэроэффективный моторный отсек.
Заслонка открывается или закрывается в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя и скорости движения. В частности, когда машина едет в гору или по жаркому городу, жалюзи открыты. На скоростных шоссе, когда требуется меньшее охлаждение двигателя, – закрыты.
Кроме того, аэродинамические заслонки обеспечивают тепловые преимущества, задерживая охлаждение после выключения двигателя или ускоряя прогрев двигателя во время холодного пуска, что особенно зимой обеспечивает значительные преимущества в расходе топлива и комфорте обогрева кабины.
Благодаря использованию данной технологии автопроизводителю удалось снизить выбросы CO2 на Astra ecoFLEX до всего 99 г/км (в соответствии с NEDC). Что открыло ей путь в серийное производство и внедрение на модельных линейках Insignia и Zafira Tourer.
В настоящее время Opel разрабатывает новую полностью закрывающуюся активную заслонку, которая дополнительно повышает топливную экономичность за счет закрытия отдельно верхней и отдельно нижней части радиатора. Интеллектуальные стратегии управления открытием и закрытием верхнего и нижнего секторов позволяют обеспечить высокоэффективное вождение в различных условиях движения. Например, основным преимуществом улучшения аэродинамики автомобиля является снижение общего лобового сопротивления до 10%, что приводит к сокращению расхода топлива примерно на 2% в соответствии с NEDC или до 5% при движении на скорости 130 км/ч.
Однако, несмотря на кажущуюся элементарность и логичность решения, активные заслонки, закрывающие всю поверхность радиатора, представляют собой серьезную проблему для дизайнеров и инженеров. Им необходимо учитывать множество факторов, включая не только дизайн, конфигурацию и защиту пешеходов, но и страховые рейтинги, применяемый двигатель и трансмиссию, соответствующее управление температурой и, конечно же, требования к охлаждению. Словом, все это не так уж и просто. Но делать что-то надо, чтобы наконец вырваться из тупика аэродинамического сопротивления радиатора.
Модульная конструкция
Развитие автомобильных технологий привело к тому, что охлаждение, а точнее, говоря современным языком, эффективный термоменеджмент является сейчас одной из основных задач разработок, поскольку он стал требоваться помимо двигателя все большему числу систем и агрегатов. Во-первых, это, конечно же, система кондиционирования. Во-вторых, турбонаддув. В-третьих, не так давно появившаяся система рециркуляции отработавших газов. В-четвертых, система смазки. В-пятых, система питания электромобиля. В-шестых…
И у каждой из этих систем есть (должен быть) свой радиатор, который, являясь, по сути, радиатором, может называться конденсором, интеркулером, теплообменником и т.д. Пусть вас не вводит в заблуждение такой широкий терминологический диапазон. Все эти устройства, повторимся, по сути – радиаторы. И работают они по известным сегодня каждому старшекласснику физическим законам. Поэтому мы остаемся зависимы от площади охлаждающей поверхности и ее расположения (понятно, что стоящий строго перпендикулярно потоку воздуха радиатор охлаждает гораздо лучше находящегося к нему под углом).
Одним из эффективных решений возникающих в связи с этим задач по повышению эффективности радиаторов является их компоновка вместе с некоторыми другими компонентами системы охлаждения в так называемые охлаждающие модули. Сегодня чаще всего данные модули состоят из радиатора и нескольких компонентов охлаждения двигателя, а также конденсора, который является частью контура кондиционирования воздуха. Для максимальной эффективности все компоненты оптимально подбираются. Модули собираются в соответствии с концепцией проектирования транспортного средства, что позволяет снизить затраты на разработку, производство и логистику, упростить монтаж и обслуживание.
В дальнейшем модули могут стать более многосоставными, но над разработчиками по-прежнему будет довлеть необходимость компромисса между объемом, площадью и эффективностью – у человечества пока нет результативных способов победить законы физики.
Разные формы
Отчасти повысить производительность радиаторов позволяют и определенные инновации конструкции. Так, в последнее время широкое распространение получила концепция замысловатых конфигураций и сечений трубок, направленная на максимизацию воздушного потока и тепловыделения.
Различные компании предлагают радиаторы с трубками U-образного, Z-образного, B-образного и чуть ли не всего латинского алфавита -образными сечениями, мотивируя это более высокими технологическими характеристиками таких моделей.
Например, в технологии B-Tube, в отличие от радиаторной трубки обычной овальной/круглой формы типа «O», используется специально разработанная трубка в форме буквы «B». Эти «В-трубки» тщательно формируются и затем паяются. За счет того, что такая конструкция, по утверждению разработчиков, значительно прочнее, чем традиционные «О-трубки», в производстве радиаторов можно использовать более тонкий и легкий алюминиевый сплав, существенно повышающий эффективность охлаждения.
Кроме того, с технологией B-Tube увеличивается площадь поверхности теплопередачи трубок примерно на 15% по сравнению с обычными трубками. В итоге достигается эффективность 2 меньших трубок против 1 большой трубки в рамках одного и того же пространства.
Те или иные преимущества имеют и трубки иных сечений, что формирует оживленную дискуссию о том, какая же конфигурация наиболее эффективна. И дискуссия эта, не сомневайтесь, будет энергично развиваться, потому что человечеству жизненно необходим максимально продуктивный радиатор для мобильности, какой бы она ни была – электрической или углеводородной. Ведь тепло в больших объемах выделяется в любом случае, а удалять его как-то надо. Без радиатора мы не умеем.