Если вы думаете, что под капотом вашего авто стоит всего один радиатор, то вы ошибаетесь. Под капотом современного автомобиля скрывается целая экосистема теплообменных устройств, где каждый радиатор выполняет строго определенную функцию. Если в простейших автомобилях прошлого века ограничивались одним радиатором охлаждения двигателя, то сегодня даже в среднестатистическом автомобиле можно насчитать до пяти различных теплообменников, а в продвинутых моделях вроде Audi с мощными двигателями V8 TDI их количество достигает десяти.
Эта сложная система представляет собой не просто набор радиаторов, а единый организм, где каждый элемент взаимосвязан с другими.
Технически, радиаторы — это критические теплообменные узлы, входящие в состав более крупных систем: охлаждения двигателя, кондиционирования, турбонаддува или смазки. Вся эта инфраструктура называется системой термоменеджмента (или системой управления температурой). Теплоемкость двигателя и трансмиссии является ключевым параметром, определяющим конструкцию всей системы охлаждения. Современный двигатель внутреннего сгорания преобразует в тепло около 60-70% энергии сгорающего топлива.
1. Радиатор охлаждения двигателя: центральный узел системы
Радиатор охлаждения двигателя, часто называемый основным радиатором, — это сердце системы охлаждения двигателя. Его первая критически важная задача — отвести избыточное тепло от мотора, не допуская перегрева, а вторая - поддерживать мотор в необходимом температурном диапазоне.
Эффективность теплообмена и требования к компоновке зависят от того, как охлаждающая жидкость проходит через сердцевину (конструкцию радиатора охлаждения двигателя мы разбирали в этой статье).
Конструкторы используют различные схемы движения жидкости, которые определяются расположением патрубков и внутренней структурой бачков.
По направлению движения жидкости радиаторы делятся на радиаторы продольного (вертикального) потока (Downflow) и радиаторы перекрестного (поперечного) потока (Crossflow). В первом случае бачки расположены сверху и снизу сердцевины, и ОЖ проходит вертикально; сила тяжести немного помогает насосу, обеспечивая более стабильный поток. Во втором случае бачки расположены по бокам (горизонтально). Этот тип доминирует в современных авто, так как позволяет сделать радиатор ниже и шире, что важно для низкого профиля капота.
С точки зрения конструкции, радиатор поперечного потока обычно эффективнее.
В отличие от радиатора продольного потока, где сила тяжести может ускорять поток, горизонтальная компоновка дольше удерживает антифриз внутри сердцевины, замедляя его движение, что позволяет лучше отводить тепло. Благодаря улучшенному теплоотводу, а также (как правило) большей площади сердцевины, радиатор поперечного потока чаще всего является лучшим выбором для высокооборотистых и мощных двигателей. Ещё одна причина его популярности — это более низкие и обтекаемые линии капотов современных автомобилей, поскольку радиатор продольного потока попросту слишком высокий для низкопрофильной компоновки. С другой стороны, радиаторы продольного потока обеспечивают оригинальный, «ностальгический» вид и часто могут устанавливаться там, где радиаторы поперечного потока не помещаются.
По количеству проходов (ходов) радиаторы охлаждения делятся на одноходовые (жидкость проходит через сердцевину только один раз, применяется как для вертикального, так и для горизонтального потока) и двухходовые.
Двухходовые используются преимущественно в радиаторах перекрестного (поперечного) потока. Внутри одного из боковых бачков устанавливается поворотная перегородка. Эта перегородка делит сердцевину на два участка, заставляя ОЖ пройти по трубкам дважды: сначала ОЖ проходит через один ряд трубок по глубине сердцевины (например, передний, двигаясь слева направо), а затем, встретив перегородку, вынуждена повернуть и вернуться обратно через другой ряд трубок по глубине (например, задний, двигаясь справа налево). Такая схема значительно увеличивает время контакта жидкости с охлаждающей поверхностью, повышая эффективность теплообмена без увеличения габаритов радиатора.
Примечание: В техническом контексте важно не путать термины "одноходовой/двухходовой" (описывающие путь ОЖ) с термином "однорядный/двухрядный" (описывающим количество рядов трубок, расположенных друг за другом по направлению потока воздуха). Одноходовой радиатор может быть как однорядным, так и многорядным.
Материалы и тренды
Исторически для производства теплообменников использовались медь и латунь благодаря их высокой теплопроводности. Однако современные автомобили почти повсеместно оснащаются алюминиевыми радиаторами. Они значительно легче, дешевле в массовом производстве и обладают достаточной эффективностью для современных двигателей.
Ключевым технологическим достижением, обеспечившим надежность алюминия, стала технология NOCOLOK®. Это процесс пайки в контролируемой атмосфере (CAB), использующий специальный некоррозионный флюс. Данная технология позволяет создать единый, прочный металлический узел из трубок, пластин и бачков, обеспечивая максимальную площадь теплового контакта и высокую коррозионную стойкость.
Переход на алюминий изменил конструктивные приоритеты. Поскольку алюминий гораздо прочнее меди и латуни, диаметр трубок можно увеличивать без необходимости утолщать их стенки (что обязательно при увеличении размера медных трубок). В результате радиатор с большими трубками куда лучше отводит тепло за счёт своей увеличенной ёмкости. Кроме того, конструкция с меньшим числом рядов создает меньшее сопротивление потоку воздуха через сердцевину, что позволяет вентилятору эффективнее помогать в охлаждении. По этой причине большинство производителей радиаторов для высокопроизводительных автомобилей отказались от идеи, что большее число рядов — это всегда лучше. Сейчас главным фактором считается толщина сердцевины и размер трубок.
Что касается бачков, то они изготавливаются из металла (алюминий, латунь) или пластмассы (полимеры). Металлические бачки используется в более дорогих или высоконагруженных радиаторах, в то время как бачки из пластмассы - это самый распространенный вариант в современных авто. Пластиковые бачки легче и дешевле в изготовлении, но соединение "пластик/алюминий" является самой уязвимой точкой к высоким температурам и давлению в системе, требуя более тщательного контроля.
Современные технологии сосредоточены на увеличении эффективности при уменьшении габаритов. Так, в последнее время активно внедряются многоканальные трубки (MPE, Multi-Port Extrusion) с увеличенной внутренней площадью, что позволяет повысить эффективность теплообмена на 15-20% при сохранении размера.
2. Ключевые теплообменники в системе климат-контроля
Помимо основной задачи — защиты двигателя от перегрева — система термоменеджмента играет ключевую роль в обеспечении комфорта в салоне. Поддержание комфортной температуры обеспечивается сложным взаимодействием трех теплообменных узлов, которые входят в систему климат-контроля (отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или сокращенно ОВК/HVAC). Это комплекс, который не только регулирует температуру, но и управляет влажностью, очисткой и направлением потоков воздуха в салоне.
Конденсатор и испаритель — узлы кондиционирования
Эти два узла являются основой системы кондиционирования.
Конденсатор (радиатор кондиционера) расположен в передней части автомобиля. Он принимает горячий, сжатый газообразный хладагент (фреон) от компрессора. Его задача — отвести тепло в окружающий воздух, чтобы хладагент перешел в жидкое состояние (сконденсировался) под высоким давлением.
В свою очередь, испаритель находится внутри салона, за панелью приборов. Жидкий хладагент, проходя через расширительный клапан, резко теряет давление и начинает испаряться, превращаясь обратно в газ. Этот фазовый переход требует интенсивного поглощения тепловой энергии, которую испаритель забирает из проходящего через него воздуха, обеспечивая охлаждающий эффект.
Радиатор отопителя или печка
Радиатор отопителя, который обычно называют «печкой», является узлом системы отопления. Он использует тепло, отводимое от двигателя. Горячий антифриз из системы охлаждения циркулирует через этот небольшой теплообменник. Вентилятор прогоняет через него воздух, который, нагреваясь, подает в салон. Большинство современных радиаторов печки алюминиевые и имеют плоские или овальные трубки для максимальной площади теплообмена при компактных размерах.
3. Теплообменники для производительности и ресурса
Для сохранения мощности двигателя и ресурса ключевых агрегатов, таких как автоматическая трансмиссия, требуются дополнительные специализированные теплообменные узлы. В высоконагруженных автомобилях, особенно с турбонаддувом или АКПП, эти узлы используются для защиты критически важных жидкостей и повышения эффективности двигателя.
Охлаждение масла: радиатор АКПП и масляный радиатор
Масляный радиатор (моторного масла) предотвращает быструю деградацию моторного масла из-за перегрева.
Он может быть воздушно-масляным (отдельный радиатор, обдуваемый воздухом) или жидкостно-масляным (компактный узел, где масло отдает тепло антифризу через пластины).
Одной из частых причин выхода из строя автоматических коробок передач является перегрев трансмиссионного масла. Чтобы не допустить этого используется радиатор АКПП, который чаще всего интегрирован в нижний бачок основного радиатора охлаждения двигателя. Масло циркулирует по отдельным трубкам, обмениваясь теплом с антифризом. У радиатора АКПП двойное назначение — охлаждение масла летом и его ускоренный прогрев зимой, что критически важно для ресурса АКПП).
Интеркулер или промежуточный охладитель
Интеркулер — это теплообменник, который является неотъемлемой частью системы турбонаддува. Он используется в автомобилях, оснащенных турбокомпрессором или механическим нагнетателем, и отсутствует в атмосферных двигателях. Его широкое применение связано с современной инженерной тенденцией уменьшения рабочего объема двигателей (даунсайзинга) при одновременном сохранении и даже увеличении мощности. Это достигается за счет турбонаддува. Турбокомпрессор сжимает воздух, и в процессе сжатия воздух сильно нагревается (до 150∘C и выше). Горячий воздух менее плотный.
Главная задача интеркулера заключается в охлаждении наддувочного воздуха перед подачей во впускной коллектор. Охлаждение воздуха приводит к повышению его плотности. Более плотный воздух содержит больше кислорода в том же объеме, что позволяет впрыснуть больше топлива и, как следствие, значительно повысить мощность и крутящий момент двигателя без увеличения его рабочего объема.
Интеркулеры бывают двух основных типов. Первый — воздушный интеркулер (Air-to-Air). Его сердцевина (соты) обдувается набегающим потоком воздуха, что делает его наиболее эффективным именно при высоких скоростях движения автомобиля. Второй тип — жидкостный интеркулер (Water-to-Air). В нём воздух охлаждается отдельным контуром охлаждающей жидкости (антифриза), которая, в свою очередь, охлаждается в небольшом радиаторе. Такая система компактнее, менее чувствительна к месту установки и обеспечивает более стабильное снижение температуры, что особенно ценится в спортивных и высокопроизводительных моделях.
Как интеркулер влияет на мощность и расход топлива?
Влияние интеркулера на динамические характеристики и расход топлива очень велико.
Интеркулер напрямую увеличивает мощность наддувных двигателей. Охлаждая воздух перед подачей в камеру сгорания, он увеличивает содержание кислорода, что способствует более полному и эффективному процессу сгорания.
Слишком высокая температура сжатого воздуха может привести к нежелательной детонации топливной смеси, что вредно для двигателя. Интеркулер решает эту проблему, понижая температуру. Это, в свою очередь, повышает общую эффективность двигателя и снижает расход топлива, поскольку двигателю не приходится работать интенсивнее для достижения заданной мощности.
Обратите внимание: эффективность интеркулера также зависит от его конструкции. Двухсторонние (двухрядные) охладители часто более эффективны, чем односторонние, поскольку при прохождении воздуха через них наблюдается меньшее падение давления.
4. Новые вызовы: теплообменники в электромобилях (EV)
Переход к электромобилям радикально изменил задачи систем теплообмена. В EV нет необходимости отводить тысячи киловатт от ДВС, но необходимо контролировать температуру трех других критически важных компонентов: тяговой батареи, силовой электроники (инвертора) и электродвигателя.
Системы теплообмена в EV более сложны, часто используя несколько контуров, управляемых электронно.
Одной из главных задач системы термоменеджмента является контроль температуры батареи. Батарея требует работы в очень узком диапазоне температур (20−45∘C) для сохранения максимального ресурса и запаса хода. Для этого применяется жидкостная система с хладагентом, который циркулирует через специальные холодные пластины (теплообменники), примыкающие к аккумуляторным элементам. Поддержание температуры батареи на оптимальном уровне напрямую влияет на ее долговечность. Аналогично, охлаждение электроники и электродвигателя также критически важно. Для этих целей часто используется отдельный низкотемпературный контур, чтобы исключить перегрев чувствительных силовых элементов.
Многие EV для повышения энергоэффективности используют тепловые насосы — системы, способные не только охлаждать, но и «перекачивать» избыточное тепло от батареи или мотора для обогрева салона.
Таким образом, главная задача системы теплообмена в электрокарах заключается в многоуровневом управлении, стабилизации и перераспределении между ключевыми агрегатами.
Система термического контроля современного автомобиля — это сложный, комплекс взаимосвязанных теплообменных узлов. Эффективность каждого из них критична. От них зависит не только работа двигателя, но и ресурс автоматической коробки передач, стабильность работы турбонаддува и даже запас хода электромобиля.
Система термоменеджмента является одним из важнейших элементов, определяющих долговечность и производительность вашего транспортного средства.
Проблема с одним узлом может вызвать сбой всей системы. Например, сильное загрязнение конденсатора перед основным радиатором ухудшает его работу, снижая эффективность кондиционера. Но что еще важнее, загрязненный радиатор кондиционера блокирует приток воздуха к радиатору охлаждения двигателя, косвенно провоцируя перегрев мотора.
Важно понимать, что регулярный контроль состояния сот (визуальный осмотр на предмет загрязнения), уровня и качества рабочих жидкостей (антифриза, трансмиссионного масла) — это единственная надежная превентивная мера.