8. INSTALAŢIA DE RACIRE CU LICHID A MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ

Progresele înregistrate în ultimul deceniu de firmele avansate, au demonstrat ca sistemele de racire ale motoarelor cu ardere internă reprezintă o pârghie importantă în procesul de perfecţionare a funcţionării acestora, putînd sâ contribuie substantial la reducerea consumului specific de combustibil, a emisiilor poluante primare, a efectului de sera la scara globala, afectand direct fiabilitatea motoarelor şi durata de viaţă a acestora.

Sistemul de racire trebuie sa asigure functionarea in conditii de siguranta a motorului cu ardere interna, transferând prompt si integral caldura degajata in timpul procesului de lucru, de la componentele cu stare termica critica (chiulasa, pistoanele, cilindrii), de la agentii termici directi (uleiul de ungere, aerul de ardere, combustibilul), mai departe, catre fluidul de racire si prin acesta, catre mediul inconjurator. Evacuarea caldurii trebuie sa fie astfel efectuata, incat sa se evite aparitia oricaror efecte negative in urma functionarii de lunga durata a motorului (oboseala termica, deteriorarea suprafetelor expuse cavitatiei).

Un sistem de racire corect dimensionat mentine in orice situatie posibilă de intalnit in exploatare, temperatura componentelor motorului solicitate termic si uneori a fiecarei zone importante a acestora in limite care garanteaza o buna functionare.

Evaluarea performantelor unui sistem de racire care echipeaza un autovehicul poate fi facuta conform standardelor in vigoare (SAE J1393 (1994), SAE J819 (1987)); care prevad efectuarea unor teste in timpul carora autovehiculul respectiv trebuie sa fie condus conform cu conditiile si modul de operare specificat de producator.

Pentru a se putea obtine rezultate bune la testele amintite mai sus, este necesar ca sistemul de racire sa fie conceput, constituit si adaptat perfect cu motorul.

In cazul motorului cu aprindere prin scanteie, datorita contactului incarcaturii proaspete cu peretii calzi ai canalelor de admisie din chiulasa, cu supapa, cu peretii camerei de ardere, capul pistonului si peretii cilindrului se micsoreaza coeficientul de umplere din cauza cresterii temperaturii si reducerii densitatii incarcaturii retinute in cilindru la sfarsitul admisiei. Pe de alta parte in cazul unor temperaturi prea scazute ale peretilor cilindrului, se produce marirea pierderilor mecanice prin cresterea vascozitatii lubrifiantului si cresterea pierderilor de caldura scazand astfel randamentul indicat.

Functionarea indelungată a motoarelor in conditiile unor racirii exagerate conduce la uzuri premature ale pieselor datorita diluarii peliculei de ulei cu fractiuni grele de combustibil condensate pe cilindru sau prelinse din conducta de admisie.

Una dintre cerintele fundamentale ale sistemului de racire este asigurarea unei temperaturi relativ constante a cilindrilor in functie de lubrifiantul utilizat. De asemenea, este esential ca intensitatile de evacuare a caldurii din chiulasa sa fie stabilite din conditia asigurarii unui coeficient de umplere cat mai ridicat si a unor pierderi minime prin racire.

Cresterea performantelor motoarelor (creşterea puterii si scaderea consumului de combustibil, precum si scaderea efectelor poluante) se pot realiza printr-o racire mai intensa a chiulasei, deoarece se constata o crestere a coeficientului de exces de aer.

Cerintele esentiale ce trebuiesc indeplinite de catre sistemul de racire:

să mentina o temperatura relativ constanta a motorului evitand astfel supraincalzirea sau supraracirea motorului indiferent de conditiile climatice si de drum; sa permita desfasurarea proceselor termogazodinamice cu un randament cat mai ridicat;

capacitate cat mai ridicata (raportul dintre suprafata de racire si volumul ocupat);

simplitate constructiva si montaj facil; greutate cat mai mica si dimensiuni de gabarit cat mai reduse; siguranta si durabilitate in exploatare cat mai ridicate; consum cat mai mic de putere pentru antrenarea elementelor componente.

La proiectarea instalatiei de racire trebuiesc avute in vedere urmatoarele: sensul circulatiei lichidului de racire trebuie ales in asa fel incat sa nu se opuna circulatiei acestuia prin termosifonare; circulatia lichidului trebuie sa asigure deplasarea ascendenta a bulelor de vapori sau de aer datorate aspiratiei lui prin neetanseitati; trebuie evitata formarea pungilor de vapori si de aer in camasile de racire din bloc, chiulasa, racorduri, carcasa pompei, deoarece se poate produce dezamorsarea circuitului; posibilitatea de a goli in totalitate lichidul din instalatia de racire; preluarea lichidului racit de catre pompa de lichid trebuie sa fie asigurata de la partea inferioara a radiatorului pentru a se evita aspirarea vaporilor produsi in camasile din bloc si chiulasa, deoarece acestia determina reducerea debitului pompei si a durabilitatii ei.

Racirea cu lichid este de trei feluri:

cu termosifonare; cu circuit fortat; combinate.

Componenta sistemului de racire cu circuit fortat:

camasile de racire ale blocului si chiulasei; radiatorul; conductele de legatura; pompa de lichid; ventilatorul; termostatul distribuitorul de lichid la cilindri.

Fig.8.1. Termostat inchis Fig.8.2. Termostat deschis

8.1. Camasile de racire ale blocului si chiulasei.Reprezinta canale practicate prin blocul motor si prin chiulasa prin care

trece lichidul de racire . Acesta spala peretii exteriori ai ai cilindriilor si camerei de ardere, asigurand temperatura dorita a acestor elemente.

8.2. RadiatorulAcest element are rolul de a prelua caldura de la lichidul de racire si de a o

transfera aerului care il traverseaza. Radiatorul dispune de o mare suprafata de racire fiind construit dintr-un

bazin colector superior, un bazin colector inferior (sau bazine laterale) si o parte centrala de racire formată din tuburi cu diferte secţiuni numite şi “celule”. Pentru mărirea suprafeţei radiante tuburile sunt prevăzute la exterior cu benzi sau placi din tablă ondulată. Benzile gofrate late, cu proeminente si adancituri speciale sunt lipite intre randuri vecine de tuburi si asigura o suprafata de racire mai mare decat la constructiile cu benzi suprapuse.

Uneori in partea din spate a radiatorului se monteaza o hota cu rolul de a dirija fluxul de aer inspre ventilator.

Tuburile sunt executate din alama sau aluminiu si mai rar din cupru, materiale rezistente la coroziune, adaptabile usor la ambutisari, stantari si lipiri.Radiatorul poate fi construit si din plastic, ca in exemplul de mai jos.

Prin modificarea presiunii se poate utiliza acelasi radiator la mai multe variante de autovehicule in conditii de exploatare diferite.

8.3. Conductele de legaturaConductele de legatura sunt constituite din racorduri de cauciuc pânzat

rezistent la temperaturi ridicate si fac legatura intre motor si radiator.Prinderea acestora de radiator, respectiv de motor (pompa de lichid, vasul de expansiune) se face cu ajutorul colierelor metalice.

Fig.8.3. Conducte de legătură şi adaptoare

8.4. Pompa de lichidPentru motoarele de autovehicule acesta este, in general, o pompa

centrifuga cu un singur motor semiînchis, cu dirijarea unilaterala a lichidului si cu camera spirala de refulare.

Presiunea necesara a acestor pompe este de 0,35-1,5 bar. Pentru asigurarea unei circulatii in conditii bune prin canalizatia de lichid este suficienta o presiune de 0,3-0,5 bar, insa se cauta obtinerea unei rezerve de 0,8-1 bar fata de presiunea de formare a aburului, deoarece in anumite puncte ale instalatiei de racire temperatura lichidului este mult mai mare decat temperatura medie, iar bulele de abur care se formeaza nu au timp sa se condenseze la iesirea din camasa de racire a blocului sau chiulasei.

Din punct de vedere constructiv datorita necesitatii de amplasare specifica a componentelor instalatiilor de racire in spatii relativ restranse, acestea pot fi foarte diferite.

Axul pompei se monteaza pe rulmenti obisnuiti sau speciali si au la un capat fixat turbina iar la celalalt fulia de antrenare.

In general pompele de lichid sunt antrenate cu curele trapezoidale si destul pe des pe aceeasi fulie se monteaza si ventilatorul (dacă acesta nu este antrenat cu motor electric).

La unele motoare care nu au sistem separat de racire a uleiului, pompa refuleaza lichidul direct intr-o rampa a blocului motorului, pe cand la altele lichidul este refulat intr-un racitor de ulei de unde intra apoi in camasa de racire a blocului.

La unele motoare supraalimentate si cu racire intermediara a aerului de admisie se utilizeaza pompe duble: o parte pentru circuitul de racire al motorului si alta pentru circuitul de racire al aerului de supraalimentare.

Etansarea axului pompei se face cu garnituri speciale.Este necesar ca intre rotor si carcasa sa existe jocuri minime, fara pericolul

ca piesele in miscare relativa sa ajunga in contact.Corpul pompei de lichid se executa de obicei din aliaje pe baza de aluminiu. Rotorul se executa din fonta cenusie, aluminiu, iar uneori chiar din tabla de alama. Axul pompei se executa din otel inoxidabil.

Fig.8.4. Pompă de apă

8.5. Ventilatorul

Pentru disiparea caldurii se utilizeaza de obicei ventilatoare axiale, pentru intensificarea circulatiei aerului prin radiator.Intre radiator si ventilator exista o stransa interdependenta astfel incat dimensionarea acestora se face deodata.

Debitul ventilatorului depinde de urmatoarele: diametrul exterior; latimea paletelor; lungimea paletelor; unghiul de inclinare al paletelor; turatia.Puterea consumata de ventilator este proportionala cu turatia la puterea a

treia. Dimensiunile ventilatorului sunt limitate de viteza periferica a varfurilor paletelor care nu trebuie sa depaseasca 70-100 m/s. Unghiul de atac al paletelor se alege astfel incat sa se realizeze un debit cat mai mare cu un consum convenabil de putere. De obicei, unghiul de atac este de 40-45C, iar unghiul de iesire al paletei se realizeaza la aproximativ 30C.

Ideal este ca plasarea ventilatorului sa se faca in centrul radiatorului la o distanta de 10-30 mm.

Comanda antrenării ventilatorului se poate face prin mai multe metode: cu termostate; cu comanda electrica; cu comanda hidraulica.

Ventilatoarele pot fi cu turatie variabila sau cu functionare intermitenta, comandate de dispozitive termostatice, in functie de temperatura lichidului de racire.

Ventilatoarele axiale se executa din tabla de otel, din aliaje pe baza de aluminiu sau din materiale plastice prin injectare in matrita.De asemenea, ventilatoarele au 4,6,8 sau chiar mai multe palete.

Ventilatoarele din materiale plastice sunt actionate de motoare electrice si sunt comandate de sonde de temperatura montate de obicei in radiator. Acest tip de ventilatoare au o functionare intermitenta si pornesc doar atunci cand temperatura lichidului de racire atinge cota la care au fost calibrate sondele.

DIVERSE MODELE DE VENTILATOARE

Fig.8.5. Diferite modele de ventilatoare

8.6. TermostatulTermostatul are rolul de a regla automat temperatura lichidului de răcire si

practic este o supapa ce deschide sau inchide circulatia lichidului de racire prin

Fig.8.6.Sonda de temperatură

radiator. Totodata mai are si rolul de a accelera incalzirea motorului dupa pornire si de a mentine regimul termic al motorului la valori optime.

Functionarea acestuia se bazeaza pe dilatarea unor materiale cu coeficient de dilatare mare.

Printre cele mai intalnite tipuri de termostate se numara cel cu lichid.Acesta se compune dintr-un cilindru gofrat umplut cu o cantitate mica de

lichid format din amestec de 1/3 alcool si 2/3 apa distilata, care are un punct de fierbere scazut (71oC).

Cilindrul este fixat in partea inferioara pe carcasa iar in partea superioara se afla o tija pe care sunt fixate doua supape.

Cand motorul este rece, ambele supape sunt inchise realizandu-se astfel recircularea lichidului doar prin motor si pompa de apa. In acest fel este favorizata incalzirea rapida a motorului.

Cand lichidul de racire se incalzeste, cilindrul se alungeste prin marirea presiunii din interiorul lui si astfel supapele se ridica. In acest moment lichidul este directionat catre radiator.

Circulatia lichidului din radiator se regleaza prin variatia pozitiilor supapelor, mentinandu-se astfel regimul termic ideal al motorului.

In ultimul timp se utilizeaza frecvent termostatul cu pasta. Principiul de functionare este asemanator, insa locul amestecului de alcool si apa distilata este luat de o pasta activa formata din pulbere de cupru si cerezina.

De obicei supapele incep sa se ridice la o temperatura de aproximativ 70C, fiind complet deschise la o temperatura de aproximativ 85C.Celelalte piese ale termostatului se executa din otel inoxidabil, alama si aliaj cupru - beriliu, iar intregul ansamblu se pasivizeaza.

Fig. 8.7. Termostate

De obicei, lichidul de racire se aduce intr-o conducta situata in partea frontală a blocului motor, de unde se repartizeaza la fiecare cilindru, in partea superioara a camasii acestuia, apoi la organele din chiulasa si mai departe prin conducta colectoare de lichid spre termostat si radiator. Orificiile de intrare a lichidului din conducta principala spre cilindri, respectiv in chiulasa se dimensioneaza in mod crescator de la intrarea in conducta spre cel mai indepartat punct,astfel incat debitele de lichid sa fie egale pentru toti cilindii.

In cazul motoarelor solicitate puternic, pentru răcirea mai intensă a organelor vitale din chiulasa, cea mai mare parte a lichidului de racire se dirijeaza direct in chiulasa si numai restul intra in partea superioara a camasii cilindrului.

Sistemul de racire cu lichid cu circulatie fortata poate fi la randul lui: deschis când bazinul colector superior al radiatorului comunica permanent cu atmosfera; inchis când comunicatia bazinului colector superior al radiatorului cu atmosfera se realizeaza cu ajutorul unei supape speciale de tipul vapori – aer, supapa care are si functia de supapa de siguranta reglata in general pentru o suprapresiune de 0,09 MPa.

La acest din urma sistem este indicata montarea unui rezervor de compensare cu un volum de 10-15% din volumul total al sistemului de racire, legat in paralel cu circuitul principal.

Este de preferat ca rezervorul de compensare sa fie amplasat intr-un loc cat mai inalt cu putinta, daca este posibil, mai sus decat cel mai inalt punct al instalatiei de racire.

Modificarea presiunii in sistemul de racire are implicatii asupra modificarii temperaturii de fierbere a lichidului de racire. Astfel, de exemplu la o crestere a presiunii cu 0,01 MPa, cresterea temperaturii de fierbere a lichidului de racire este de 2,1oC. Acest lucru este important deoarece astfel se pot micsora masa si dimensiunile de gabarit ale radiatorului. La o crestere a presiunii cu 0,1 MPa caderea de temperatura este de in jur de 20 C.

Capacitatea sistemului de racire de a asigura o functionare corecta depinde in mare masura de puterea motorului, de modul de amplasare al acestuia, precum si de mediul inconjurator. De aceea mai trebuiesc luate in considerare anumite date la proiectarea instalatiei de racire, cum ar fi:

un amestec de 50% cu glicol al lichidului de racire va reduce capacitatea de racire cu aproximativ 50%; depunerile din radiator reduc foarte mult capacitatea de racire; posibilitatea ca fluxul de aer aspirat de ventilator sa traverseze suprafete incalzite, ceea ce va micsora de asemenea capacitatea de racire; caldura provenita de la alte componente calde ale motorului.

Fig.8.8. Circulaţia lichidului în blocul motor şi ăn chiulasă

Fig.8.9. Circulaţia lichidului cu intrare directă în chiulasă

8.7. Influenta apei de racire

Marea majoritate a motoarelor cu ardere interna folosesc ca agent termic apa. Ea poseda cele mai bune proprietati pentru racire, avand o caldura specifica ridicata (4,19 kJ/kg oC), o conductibilitate termica buna, vascozitate redusa ( V20= 1 mm2/s), o caldura de vaporizare mare. Dezavantajele utilizarii apei ca lichid de racire decurg din temperatura redusa de congelare; marirea volumului cu 10% prin inghetare, ceea ce poate crea pe peretii sistemului de racire (ai camerelor de racire din blocul motor, chiulasa, tuburi de apa, radiator etc.) o presiune deosebit de ridicata pana la 2500 Mpa provocând crăparea acestora; temperatura de vaporizare relativ scazuta si astfel in sistemele deschise de racire temperatura limita este pana la 90oC; formarea depunerilor de calciu si de magneziu pe suprafetele schimbatoarelor de caldura si corodarea suprafetelor metalice Apa naturala nu este pura din punct de vedere fizico-chimic. Ea poate contine urme de baze, acizi, cloruri si saruri. Doar apa de ploaie sau cea provenita din topirea zapezii este aproape complet lipsita de substante straine .Pentru aprecierea calitatii apelor folosite in sistemul de racire se determina duritatea, alcalinitatea si aciditatea acestora .Duritatea apei se exprima in grade de duritate (od) sau in miliechivalenti /dm3 (mval/dm3) si se determina prin titrare complexometrica. Un miliechivalent/dm3 este egal cu un continut de 20,04 mg de ioni de calciu sau 12,16 mg ioni de magneziu la un dm3( 1 litru) de apa. La randul lui, un grad duritate (od) este egal cu 7,14 mg Ca2+/dm3 sau 4,34 mg Mg2+/dm3 . Apa in functie de continutul de saruri poate sa fie moale, cu duritate medie si dura. Apa moale contine pana la 3 mval/dm3 saruri, apa cu duritate medie se considera intre 3 - 6 mval/dm3 si apa dura este peste 6 mval/dm3 . Pentru a putea fi folosita in sistemele de racire ale motoarelor, apa trebuie sa aiba o duritate de 0-10 °d, un pH (la 293 K)= 6,5 - 8,0 si un continut de cloruri mai mic de 100 mg/dm3. In functie de natura sarurilor minerale dizolvate in apa, duritatea apei poate fi temporara, permanenta sau totala . Duritatea temporara este determinata de solubilitatea diferita a bioxidului de carbon in apa la diferite temperaturi.

Cu ridicarea temperaturii, solubilitatea bioxidului de carbon in apa scade, ceea ce duce la inrautatirea echilibrului compusilor cu bicarbonat. Cele mai importante saruri, care dau duritatea temporara apei, sunt bicarbonatul de calciu - Ca(HCO3) si bicarbonatul de magneziu Mg(HCO3). La aceste saruri se mai poate adauga silicatul de calciu - CaSiO3) si altele .Reactiile de descompunere termica se produc dupa urmatoarea schema:

Ca(HCO3)2--- CaCO3 + CO2 + H20Mg(HCO3)2 --- MgCO3 + CO2 + H20,