Термодинамика ДВС и гистерезис термостата
Сесть за написание статьи по термостату автомобиля меня заставил случай. На интернет-форуме завязался спор о влиянии термостата на скорость прогрева инжекторного двигателя. Каждый из спорящих приводил свои доказательства. Поскольку аргументация каждого, действительно, была убедительна, но и в то же время противоположна, то я решил самостоятельно разобраться в данной теме.
Открыл старый учебник по термодинамике и вот, что я там вычитал. Термодинамика – наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Определение очень подходило к обсуждаемой автомобильной тематике. Читаем дальше о так называемом постулате Клаузиуса: «процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе». Из прочитанного постулата делаем для себя существенный вывод: энергия передается от горячего тела к холодному.
Теперь разберемся, откуда, собственно, берется энергия в автомобиле для его перемещения в пространстве. Конечно, это энергия сгорания бензина. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) переводят химическую энергию топлива в тепловую энергию, а затем с помощью кривошипно-шатунного механизма в механическую работу. При этом 1 литр бензина при сгорании выделяет около 9,5 кВт*ч тепловой энергии.
У современного ДВС к.п.д. достаточно низкий – до 30%, поэтому основная (70%) часть тепловой энергии, которая не была преобразована в механическую должна быть рассеяна и отведена от ДВС. Зачем её отводить от ДВС тоже ясно, т.к. двигатель работает эффективно достаточно в узком температурном диапазоне от +80 до +115 °С, который называется рабочей температурой. И если лишнюю энергию не отводить от двигателя, то он перегреется. Также не нужно забывать о том, что если скорость отвода тепловой энергии будет большой, то температура мотора упадет ниже указанных цифр, что скажется на эффективности выработки механической энергии, проще сказать, автомобиль начнет «тупить», а КПД падать.
Как раз для регулирования скорости отвода «лишней» тепловой энергии и нужен термостат. Но при этом необходимо помнить, что это не единственный вариант и отведение тепловой энергии происходит тремя путями, а их процентное соотношение между собой колеблется в зависимости от оборотов двигателя (см. диаграмму):
1) через конвекцию и тепловое излучение, 2) через систему отвода выхлопных газов и 3) через систему охлаждения двигателя, где как раз и нужен пресловутый термостат для регулирования объема охлаждающей жидкости.
Теперь остановимся немного на значении стабильного рабочего температурного режима ДВС (Н5.). Я уже отметил, что его диапазон достаточно узок (80–115 °С). Но здесь также нужно понимать, что бывают разные условия движения, которым соответствуют разные температурные значения. Для экономного стиля и небольшой загрузки машины оптимальной будет температура 95–115 °С. Для эксплуатации с максимальной нагрузкой нужна температура поменьше – около 85–95 °С. Для экологичного вождения, когда процент NOх в выхлопе минимален, нужна и минимальная температура – примерно 80–85 °С. По приведенной классификации терморежимов ДВС в журнале «АБС» за январь 2012 г. эти режимы обозначаются как Н5.3., Н5.2. и Н5.1. соответственно. У разных производителей двигателей приведенные значения, естественно, будут несколько отличаться.
Теперь, понимая, что оптимальная температура ДВС зависит от условий вождения и что она находится в очень узком диапазоне температур, перейдем к вопросу регуляции и поддержания необходимой температуры. Исходя из приведенной диаграммы, мы видим, что регулировать её можно только двумя способами: регуляцией через систему охлаждения и путем рассеивания конвекцией и излучением. Для первого варианта хорошо подходит термостат, для второго же необходима регулируемая теплоизоляция моторного отсека.
Остановимся на первом варианте – термостате и его свойствах, что собственно и являлось предметом спора на автомобильном форуме. Приводить устройство термостата не буду, т.к. основная масса читателей знает его нехитрое устройство. Остановлюсь лишь на некоторых общепринятых заблуждениях и опровергну их.
1. Термостат не ускоряет прогрев двигателя.
Я категорически против распространенного утверждения, что термостат ускоряет прогрев двигателя, ибо термостат не может быть источником энергии, он всего навсего отводит лишнюю тепловую энергию. График прогрева ДВС движется по определенной кривой (красная линия), причем темп роста температуры в первой половине графика выше, чем во второй. Это как раз говорит о том, что в первой части не работает отвод тепла через конвекцию и излучение, а во второй части он усиливается. Средняя же скорость (линия тренда) – это прямая, расположенная под определенным ß-углом, который показывает рост температуры во времени и зависит только от технологических особенностей двигателя (теплоемкости) и количества сгоревшего топлива. Отличия для разных двигателей незначительны, т.к. даже на ХХ ЭБУ у многих машин готовит одинаковую смесь. Для конкретного двигателя ß-угла есть константа. Термостат же включается в термодинамический процесс только при достижении температуры его открытия: как правило, это от +87 до +93 °С. При его открытии резко усиливается теплопотеря двигателя, которая прекращается в момент его закрытия, т.е. фактически термостат замедляет и ограничивает дальнейший перегрев двигателя, отводя от ДВС лишнюю тепловую энергию! Я имел, конечно ввиду, только часть энергии, которая рассеивается через ОЖ. Про другие (выхлоп, конвекция и изучение) – отдельная история!
2. Термоизоляция моторного отсека в т.ч. термоодеялом не ускоряет прогрев двигателя.
Мои друзья спорили о термоизоляции. Один говорил, что термоизоляция моторного отсека (МО) влияет на скорость прогрева двигателя. Другой говорил, что не влияет. Я решил провести эксперимент. Утеплил моторный отсек и поставил жалюзи. В мороз в –25 °С поехал на работу и фиксировал температуру двигателя и МО. Жалюзи были плотно закрыты. На следующий день при той же температуре открыл капот и жалюзи и снова поехал на работу. Также записывал температуру двигателя и моторного отсека. Потом нарисовал графики.
Единственное, в данном вопросе нужно сначала определиться с термином прогрев. Если мы считаем, что прогрев это нагревание до температуры +50 °С ОЖ, то теплоизоляция однозначно не влияет на скорость прогрева. Если всё-таки мы считаем, что прогрев идет до максимальной температуры ОЖ, то выводы следующие:
1. От –25 °С до +50 °С скорость прогрева одинакова и утепление на нее не влияет.
2. От +50 °С до +70 °С скорость прогрева чуть больше с утеплением.
3. От +70 °С до +100 °С скорость прогрева больше с утеплением.
Строго говоря, любая теплоизоляция моторного отсека (в т.ч. теплоодеяло) хорошо работает не в фазе нагрева ДВС, а в фазе остывания, когда она удлиняет остывание МО и двигателя в т.ч. И происходит это благодаря «перекрытию» канала рассеивания тепла конвекцией и излучением.
3. Выбитые цифры на корпусе термостата ни о чем не повествуют
На графике представлены температурные кривые открытия (сплошные) и закрытия (пунктирные) трех разных новых термостатов, на корпусах которых были выбиты цифры температуры в +92 °С. При этой заявленной температуре они должны были открываться, но на практике ни один термостат не соответствовал указанным значениям (+82,+84,+89 °С). Для написания этой статьи было проверено 10 новых различных термостатов, и только один открылся точно при достижении указанной температуры!
4. Термостаты со временем теряют свои свойства.
Многие автолюбители уверены в том, что рабочий термостат не изменяет своих свойств со временем. К сожалению, это не соответствует действительности, т.к. со временем изменяются свойства наполнителя (воска) и различных присадок, и на перемещающемся штоке клапана появляются наложения из антифриза, препятствующие свободному его перемещению.
5. Главным и единственным критерием определения работоспособности термостата является «петля» гистерезиса.
Идеальный термостат должен работать примерно так, как изображено на данном графике:
1. Точка открытия А должна точно соответствовать маркировке (температуре открытия).
2. Точка В соответствует максимальной амплитуде открытия и должна быть стабильна во временя эксплуатации.
3. Гистерезис (разница в открытии и закрытии при заданной температуре) должен быть минимальным, т.е петля должна выглядеть на графике «тощей», а не «толстой».
4. Со временем эксплуатации авто ß-угол не должен изменяться.
5. Отрезок А-С (начало открытия и момент полного закрытия) хорошего термостата минимален и не увеличивается со временем службы.
6. Значение точки С (полное закрытие) также должно быть нанесено на корпус термостата.
Ну, а теперь домашнее задание. Какой из новых термостатов разных производителей (V или W) с одинаковым клеймом в +92 °С Вы выберете для своей машины из представленных на графике? И можно ли выбирать термостат для своей машины только на основании выбитых цифирь или нужно обратиться за истиной все-таки к «гистерезису»?
Как говорит мой учитель, специалист по термодинамическим процессам профессор Твердислов В.А. из МГУ, все фундаментальные исследования в основных областях наук (физика, химия и т.п.) закончены, нужно только это помнить и не возвращаться в своих заблуждениях в ХIХ и ХХ века. А для этого достаточно купить кастрюльку и градусник.
