W najnowocześniejszych konstrukcjach tylko około 40% energii paliwa bezpośrednio przekłada się na napęd samochodu. Reszta tej energii tracona jest na pokonanie oporów pracy mechanizmów oraz jest przekształcana w energię cieplną. Ta z kolei jest tracona wraz ze spalinami oraz przez układ chłodzenia silnika. Dlaczego chłodzenie silnika jest więc takie ważne, skoro tą drogą następuje tak duża strata energii?

Problematyczne ciepło

Problem wysokiej temperatury nie jest jednoznaczny. Zbyt wysoka temperatura jest szkodliwa dla środków smarnych, uszczelek i uszczelnień. Ponadto duże zmiany temperatury prowadzą do dużych zmian wymiarowych ze względu na rozszerzalność temperaturową materiałów z których wykonany jest silnik. To z kolei prowadzi do zmiany w pasowaniu współpracujących elementów, co może skutkować albo ich rozszczelnieniem, albo zatarciem.

Na drodze kompromisu ustalono więc, że optymalna dla silnika jest temperatura 90–110°C, co wynika przede wszystkim z możliwości stosowania wody jako medium chłodzącego. Silniki chłodzone powietrzem mają wyższą temperaturę pracy, co przekłada się na większe problemy z utrzymaniem odpowiedniej czystości spalin. Kłopotliwe jest też utrzymanie stałej temperatury pracy silnika, nawet w przypadku wymuszenia obiegu powietrza chłodzącego. Ponadto silnik chłodzony powietrzem jest głośniejszy od silnika chłodzonego cieczą ze względu na brak właściwości tłumiących płaszcza wodnego.

Chłodzenie cieczą

Potocznie nazywane chłodzenie wodą bierze swoją nazwę z historii – dawniej korzystano z wody jako medium chłodzącego, ponieważ nie było płynów zabezpieczających przed zamarzaniem. Dziś praktycznie zawsze w układzie chłodzenia znajduje się płyn, który jest roztworem płynu na bazie glikolu etylenowego lub propylenowego w wodzie. Glikole zapewniają odporność na zamarzanie w temperaturach nawet do –40°C, co ma niebagatelne znaczenie w okresie zimowym.
Kolejną cechą płynów do układów chłodzenia są ich właściwości antykorozyjne. Zabezpieczają one powierzchnie wewnętrzne silnika przed osadzaniem się kamienia kotłowego (które ma miejsce w przypadku użycia samej wody) oraz zapobiegają korozji wnętrza kanałów chłodzących. Płyny do chłodnic – m.in. ze względu na zastosowane dodatki antykorozyjne (i inne) dzieli się na:

• IAT (Inorganic Additive Technology),
• OAT (Organic Acid Technology),
• HOAT (Hybrid Organic Acid Technology).

IAT to najstarsza technologia płynów do chłodnic, której wadą były nietrwałe inhibitory korozji. Podstawowym składnikiem płynu były krzemiany, które wytrącały się z płynu i osadzały na metalowych częściach układu. Krążący w układzie płyn wypłukiwał osad z metalowych powierzchni, co prowadziło na nagromadzenia się go w miejscach o zmniejszonej cyrkulacji. Osady potrafiły też zatkać kanały o małym przekroju lub zablokować przepływ przez chłodnicę.

OAT to bezkrzemianowe płyny zawierające kwasy organiczne, które na powierzchni metalowej wewnątrz silnika tworzą warstwę ochronną. Dzięki temu, że jest ona 20-krotnie cieńsza niż w przypadku płynów wykonanych w technologii krzemianowej, płyny te charakteryzują się lepszym odprowadzaniem ciepła z silnika.

HOAT to płyny wytworzone technologią hybrydową, które zawierają kwasy organiczne i krzemiany tworzące na powierzchniach warstwę ochronną. Płyny te charakteryzują się podwyższoną trwałością i kompatybilnością z różnymi materiałami z których wykonane są chłodnice i uszczelki.

Gęstość typowego płynu wynosi ok. 1,070–1,080 g/cm³, temperatura zamarzania – ok. –35°C, a współczynnik pH – ok. 7,5–8,5. Płyny na bazie glikolu propylenowego wrą w temperaturze powyżej 106°C. Środki te dodatkowo są barwione, aby można było łatwo zlokalizować miejsce wycieku i odróżnić je od innych płynów. I tutaj pojawiają się największe wątpliwości w przypadku doboru płynu do układu chłodzenia. Najczęściej powielanym mitem jest ten, że nie można mieszać płynów o różnym zabarwieniu. To nieprawda. Płyny można mieszać ze sobą niezależnie od ich koloru – pod warunkiem, że są to płyny wykonane w tej samej technologii.

Elementy układu chłodzenia silnika

W skład układu chłodzenia silnika wchodzą następujące komponenty:

• płaszcz wodny silnika,
• wymiennik ciepła – chłodnica,
• czujnik temperatury cieczy chłodzącej,
• wentylator wymuszający obieg
• powietrza przez wymiennik ciepła (chłodnicę),
• pompa cieczy chłodzącej napędzana paskiem napędu osprzętu,
• przewody cieczy,
• termostat,
• wymiennik ciepła w postaci
• nagrzewnicy wewnątrz kabiny pojazdu,
• zawór sterujący przepływem przez nagrzewnicę,
• zbiornik wyrównawczy płynu chłodzącego.

\W klasycznym układzie chłodzenia silnika można odróżnić 2 obiegi płynu. Tak zwany obieg mały, podczas którego obieg płynu chłodzącego w czasie nagrzewania się silnika ma miejsce w niskich temperaturach pracy silnika, kiedy silnik jest nierozgrzany. Ciecz chłodząca krąży wewnątrz silnika, ale nie wpływa do chłodnicy. Dzięki temu silnik szybciej osiąga żądaną temperaturę roboczą. W chwili, gdy silnik osiągnie żądaną temperaturę pracy, zawór termostatyczny otwiera się, umożliwiając przepływ cieczy przez chłodnicę i oddanie nadmiaru ciepła do atmosfery. Tak zwany obieg duży zostaje otwarty. Zawór termostatyczny płynnie zmniejsza lub zwiększa przepływ cieczy przez chłodnicę, utrzymując tym samym stałą temperaturę silnika.

W nowszych konstrukcjach silników zawór termostatyczny jest sterowany elektronicznie, na podstawie odczytów z czujnika temperatury cieczy chłodzącej. Dzięki elektronicznemu sterowaniu możliwe jest utrzymanie stałej temperatury pracy silnika.

Kiedy warunki pracy silnika powodują jego znaczne rozgrzanie, a przepływ przez wymiennik ciepła jest niewystarczający, aby oddać nadmiar ciepła do atmosfery, czujnik temperatury płynu chłodzącego daje informację do sterownika, który włącza wentylator wymuszający zwiększony przepływ powietrza przez wymiennik ciepła. Wentylator wymuszający obieg powietrza przez chłodnicę może być też napędzany paskiem napędu osprzętu za pośrednictwem sprzęgła wiskotycznego.
Ważną cechą układu chłodzenia silnika jest jego szczelność. W układzie chłodzenia w trakcie pracy panuje nadciśnienie. To oznacza, że płyn chłodzący może przekroczyć temperaturę 100°C, nie powodując wrzenia zawartej w nim wody. Często można zauważyć przypadki przegrzewania się silnika (wrzenia płynu chłodzącego) przy uszkodzonym korku chłodnicy lub zbiornika wyrównawczego – zanik nadciśnienia powoduje obniżenie temperatury wrzenia płynu chłodniczego. Korek w układzie chłodzenia pełni także funkcję bezpieczeństwa. Jeśli ciśnienie wewnątrz układu przekroczy 1,2–1,5 bara (zależnie od producenta pojazdu), to nadmiar ciśnienia zostanie uwolniony właśnie przez zabezpieczenie w korku układu chłodzenia.

Wymiennik ciepła znajdujący się wewnątrz kabiny pojazdu jest elementem, który należy do systemu ogrzewania powietrza wpadającego do kabiny. Jednak za ogrzewanie to odpowiada także płyn chłodzący, który krąży w układzie chłodzenia silnika. Jest on kierowany do obiegu ogrzewania pojazdu przez zawór ogrzewania. W wielu przypadkach usterkę układu chłodzenia silnika można zdiagnozować właśnie na podstawie zaniku ogrzewania kabiny. Brak ogrzewania w kabinie jest też częstą oznaką nieprawidłowego odpowietrzenia układu chłodzenia po naprawie lub po wymianie płynu chłodzącego.

Jak często wymieniać płyn w chłodnicy?

Jak każde medium w samochodzie także płyn w chłodnicy podlega okresowej wymianie, ponieważ z czasem na skutek ciągłego nagrzewania i chłodzenia traci swoje właściwości. Jeśli układ jest szczelny, a płyn przejrzysty i nie ma wycieków, producenci płynów chłodniczych zalecają ich wymianę co 2–5 lat. Zależy to przede wszystkim od czystości wnętrza układu chłodzenia i rodzaju użytego płynu chłodzącego.