Chłodzenie silnika jest równie niezbędne, jak dostarczanie do niego paliwa albo energii elektrycznej. Jest kilka powodów takiego stanu rzeczy, choć wielu kierowców wymienia tylko jeden: ochronę silnika przed uszkodzeniem spowodowanym pracą w zbyt wysokiej temperaturze. Często zapominamy, że w przypadku silników spalinowych odprowadzanie ciepła jest podstawowym warunkiem zamiany ciepła na pracę mechaniczną. Im skuteczniejsze chłodzenie, tym większa sprawność silnika.

Jeśli prześledzimy rozwój motoryzacji, zauważymy, że przez dziesięciolecia układ chłodzenia ewoluował niespiesznie. Opracowano kilka schematów, które do dziś są stosowane w różnych pojazdach.

Chłodzenie bezpośrednie

Zaczęło się od chłodzenia powietrzem, nazywanego obecnie także chłodzeniem bezpośrednim. Strumień powietrza opływa silnik, w tym przede wszystkim głowice cylindrów wyposażone w żebrowania ułatwiające odbieranie ciepła. Dzisiaj ten sposób chłodzenia stosuje się przede wszystkim w motocyklach i tzw. trójkołowcach. Modyfikacja polegająca na wymuszeniu obiegu powietrza przez wentylator jest znana zarówno z Porsche 911, jak i z polskiego Fiata 126p.

Zalety takiego rozwiązania to przede wszystkim: niewielka masa, prosta konstrukcja bloku silnika i bezobsługowa eksploatacja. Wadami są: niejednakowa wydajność na postoju i podczas jazdy, ograniczona skuteczność przy wysokiej temperaturze, a także trudności z utrzymaniem stałej, pożądanej temperatury silnika przy zmianach prędkości pojazdu i obciążenia silnika.

W przypadku układów ze swobodnym przepływem powietrza czynności serwisowe sprowadzają się do utrzymania w czystości powierzchni oddających ciepło oraz zapewnienia drożności wlotów i wylotów powietrza. W układach z obiegiem wymuszonym dochodzą do tego konserwacja i naprawa wentylatorów i ich napędów.

Chłodzenie pośrednie

Chłodzenie pośrednie – z wykorzystaniem cieczy chłodzącej opływającej miejsca, w których jest wydzielane ciepło – ma długą historię. Początkowo stosowano płaszcze wodne okrywające podzespoły wytwarzające ciepło. Niewielka skuteczność tej metody i problemy z zapewnieniem odpowiedniej wydajności doprowadziły do zmiany koncepcji.

We współczesnych silnikach ciecz chłodząca opływa miejsca, w których powstaje ciepło, krążąc w kanałach znajdujących się w ściankach bloku i głowicy. Istnieje ścisły związek między jakością i skutecznością chłodzenia cieczą a poziomem rozwoju technik odlewniczych. Bloki i głowice współczesnych silników spalinowych są dziś produkowane niemal wyłącznie techniką odlewania z żeliwa lub stopów aluminium. Średnicę kanałów ogranicza grubość ścianek, od której zależy także wytrzymałość mechaniczna bloku i głowicy. Kanały nie mogą mieć zbyt dużego przekroju, bo oznaczałoby to konieczność zwiększenia grubości ścianek. Z kolei zbyt mała średnica powoduje wzrost oporu hydrodynamicznego i wymusza przetłaczanie cieczy pod większym ciśnieniem.

Precyzyjne wykonanie kanałów o zadanych parametrach przy zachowaniu dużej wytrzymałości mechanicznej bloku jest sztuką. Inspekcja i czyszczenie kanałów jest jednym z elementów procesu regeneracji (naprawy głównej) silnika. Pęknięcie bloku silnika w miejscu, w którym przebiega kanał chłodzenia, znacznie utrudnia lub czasami nawet uniemożliwia jego spawanie i naprawę. Kontrola i czyszczenie przewodów wymaga zastosowania specjalistycznych urządzeń, np. myjek ultradźwiękowych czy endoskopów.

Obecnie stosuje się niemal wyłącznie układy z obiegiem cieczy wymuszonym przez pompę. Układ chłodzenia jest podzielony na dwie części, połączone za pomocą zaworu termostatu. Po włączeniu silnika ciecz chłodząca krąży w małym obiegu i stosunkowo szybko się nagrzewa, ułatwiając silnikowi osiągnięcie temperatury, w której spalanie mieszanki w powietrzu będzie stabilne. Termostat otwiera się, kiedy temperatura osiągnie zadaną wartość. Ciecz przepływa wtedy przez chłodnicę, oddając nadmiar ciepła do atmosfery. Obieg wody pod ciśnieniem zapewnia pompa, najczęściej napędzana mechanicznie (np. z wykorzystaniem paska rozrządu).

Należy pamiętać, że ciepło jest odbierane nie tylko przez ciecz chłodzącą. Swój udział w stabilizacji temperatury ma też olej silnikowy płynący swoimi kanałami.

Nowe pomysły

We współczesnych konstrukcjach silników kładzie się nacisk nie tyle na chłodzenie, ile na zapewnienie optymalnej temperatury, dlatego coraz częściej spotyka się takie rozwiązania, jak np. elektromechaniczne dołączanie i rozłączanie napędu pompy wodnej. Dzięki temu mechanizmowi pompa wymusza obieg płynu w instalacji tylko wtedy, gdy temperatura zbliża się do zadanej.

W tym samym celu stosuje się pompy wodne z napędem elektrycznym. Uniezależnienie napędu pompy od konstrukcji silnika spalinowego przynosi wiele korzyści: zmniejsza ryzyko utraty chłodzenia w wyniku uszkodzenia przekładni i pozwala na płynne regulowanie obrotów silnika, a więc także wydajności pompy.

Do regulacji przepływu cieczy służą też zawory elektromechaniczne włączane w obwód chłodzenia. Załączanie, wyłączanie i regulacja strumienia cieczy chłodzącej odbywają się na podstawie wskazań elementu termoczułego kontrolującego temperaturę. W niektórych rozwiązaniach jest on zintegrowany z termostatem, a sterownik silnika otrzymuje jednocześnie informację o temperaturze cieczy chłodzącej i położeniu termostatu (zamknięty/otwarty).

Precyzję regulacji temperatury zwiększa także bezstopniowa regulacja prędkości obrotowej wentylatorów wymuszających obieg powietrza wokół chłodnicy, w połączeniu z żaluzjami o automatycznie regulowanym stopniu otwarcia.

Każdy ze wspomnianych elementów ma swoją specyfikę i może ulec awarii. Wiele z nich uczestniczy w komunikacji za pośrednictwem magistrali CAN. Trzeba o tym pamiętać, przystępując do naprawy pozornie błahego problemu w nieznanym bliżej samochodzie, zwłaszcza jeśli jest to nowy model.

Chłodzenie samochodów elektrycznych

W samochodach elektrycznych (ang. electric vehicles, EV) system chłodzenia jest zbudowany inaczej i obejmuje nie tylko silnik (lub silniki), ale także baterie akumulatorów. Jego zadaniem jest zapewnienie optymalnej temperatury pracy nie tylko podczas jazdy, ale także w czasie ładowania akumulatorów, gdyż zimne akumulatory źle reagują na obciążenie prądem o dużym natężeniu.

W samochodach elektrycznych wykorzystuje się oba sposoby chłodzenia: bezpośredni (powietrzem opływającym radiatory przymocowane na oddających ciepło elementach) i pośredni (z wykorzystaniem cieczy). Stosowane są także oryginalne sposoby, np. chłodzenie przy użyciu substancji, które w zakresie oczekiwanych temperatur ulegają przejściu fazowemu (topnieniu lub krzepnięciu).

Spotyka się także elementy termoelektryczne (tzw. moduły Peltiera). Są one o tyle interesujące, że nie wymagają żadnych części ruchomych ani przepływu cieczy, gdyż przepływ prądu elektrycznego wymusza transport ciepła pomiędzy ściankami termoelementu. Proces ten jest odwracalny. Montując element na granicy dwóch ośrodków o różnych temperaturach, uzyskujemy termoelektryczny generator prądu elektrycznego.

W samochodach z napędem elektrycznym od wydajności i niezawodności systemu chłodzenia zależy bezpieczeństwo pojazdu i osób nim podróżujących. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury grozi pożarem, dlatego system chłodzenia samochodów elektrycznych jest wyposażony w rozbudowany zestaw czujników kontrolujących temperaturę poszczególnych sekcji akumulatorów.

Płyny chłodzące

Ewoluują nie tylko podzespoły układów chłodzenia; zmienia się również skład płynów chłodzących. Od dawna nie stosuje się do tego celu wody zdemineralizowanej. Zastąpiły ją kompozycje złożone z wody i glikolu, odporne zarówno na wysoką temperaturę, jak i na zamarzanie. Płyny stosowane w pojazdach elektrycznych muszą mieć dodatkowo wysoką odporność na przebicie prądem elektrycznym.

Nie mogą one także powodować korozji metali. To wymaganie jest wspólne dla płynów stosowanych w pojazdach spalinowych i elektrycznych, ale diabeł tkwi w szczegółach. Oba rodzaje pojazdów powstają z innych metali. W przypadku silników spalinowych płyn ma kontakt z żelazem i jego stopami: stalą, żeliwem oraz stopami aluminium. W silnikach elektrycznych liczy się bezpieczeństwo w kontakcie z miedzią i aluminium.

Piotr Kołaczek