Принципы работы

      В основе работы неавтономных подогревателей лежат два хорошо известных физических явления: подогрев с помощью электрической энергии и теплообмен в жидкой среде, называемый конвекцией. Хотя оба явления известны, но использование конвекции в подогревателях имеет дополнительную особенность. Главное, что конвекция охлаждающей жидкости происходит в замкнутом объеме и тесном пространстве системы охлаждения двигателя с установленным в ней подогревательным элементом. Нагретая жидкость расширяется, ее плотность (и вес) становится меньше. В результате нагретая жидкость перемещается вверх относительно более холодной ее части. Конвекция приводит к выравниванию температуры жидкости, а при постоянном подводе теплоты от подогревателя в системе охлаждения возникают стационарные конвекционные потоки, или, иными словами, имеет место термосифонная циркуляция жидкости. Чтобы подогрев двигателя был эффективным, необходима интенсивная конвекция. При встраивании подогревателя в блок цилиндров двигателя управлять конвекцией при установке, естественно, невозможно. Для получения эффективного подогрева установщики и пользователи систем подогрева следуют рекомендациям их изготовителей, которые выбирают и опытным путем находят наиболее подходящие места установки подогревателей.
      При использовании подогревателей, подключаемых к системе охлаждения с помощью шлангов, картина несколько иная. Эффективность конвекции и, следовательно, подогрева в большей степени зависит от длины и мест подсоединения шлангов, а также от конфигурации их прокладки. Т. е. степень конвекции зависит от технологии установки. Установка шланговых подогревателей не столь однозначна по сравнению со встраиваемыми в блок двигателей подогревателями. Более того, в российских условиях часто используют шланговые подогреватели, когда в наличии нет апробированного изготовителем типа подогревателя. Для этого случая инструкция по установке изготовителем не разработана и приходится использовать общие рекомендации фирм-изготовителей по установке систем подогрева со шланговыми подогревателями. И все же иногда выполнить полностью приведенные рекомендации не удается, что приводит к слабому подогреву двигателя. Каков же выход? На «выручку» приходит система подогрева, в которой используется принудительная конвекция жидкости, достигаемая ее прокачкой специальным электронасосом. Такие системы подогрева весьма эффективны, и, несмотря на дополнительные затраты, они начали широко применяться на практике.
      В системах подогрева со шланговыми подогревателями иногда применяется гидравлический элемент, называемый обратным клапаном. По сути это мембрана (лепесток или шарик), которая под действием гидравлического напора (или разряжения) жидкости отодвигается и обеспечивает проход жидкости в нужном направлении. Такой клапан может встраиваться в канал подогревателя или врезаться прямо в шланг.
      Как известно, входной и выходной шланги подогревателя прокладываются с подъемом вверх. При неправильном или неудачном расположении шлангов нагретая подогревателем жидкость может пойти в обратном направлении через входной подводящий шланг, а не через выходной, и нужной циркуляции жидкости не будет. Тогда из-за ее отсутствия подогрев двигателя осуществляться тоже не будет. На помощь в этой ситуации приходит обратный клапан, который устранит проход жидкости от входного патрубка подогревателя в обратном направлении, обеспечив циркуляцию жидкости в правильном направлении и подогрев двигателя.

Устройство

      Главным элементом неавтономной системы подогрева является подогревательный элемент (подогреватель). Типовая конструкция представляет собой отрезок цилиндрической трубы, в которую впаян нагревательный элемент с одной стороны и электрический разъем – с другой (рис. 3.1). Такой подогреватель предназначен для установки в технологические отверстия блока цилиндров, закрытые заглушкой.
      Рис. 3.1. Подогреватели трубчатой конструкции: а) компании Calix; б) компании DEFA; в) компании «Лидер» (фото изготовителей).
 
      Более мощные конструкции относятся к шланговым подогревателям. Выполнены они как герметичные камеры. В них встроены патрубки для подвода и выхода охлаждающей жидкости и электрический разъем. На патрубки подогревателя надеваются шланги, которые соединяются с системой охлаждения двигателя.
      В комплект системы входят соединительные кабели различной длины: один сетевой кабель с розеткой и внутренний кабель в металлическом рукаве для установки в моторном отсеке. В системах DEFA и Calix предусмотрены и опционные элементы: зарядное устройство, таймер и отопитель салона (подробнее смотри ниже).

Характеристики и эффективность

      Подогреватели различаются по величине электрической мощности. Для легковых автомашин предназначены подогреватели с мощностью 500–300 Вт, подогреватели для грузовых автомашин имеют мощность от 1000 до 2000 Вт. Мощность используемого шлангового подогревателя определяется объемом системы охлаждения (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Рекомендуемая мощность подогревателя

      Заметим, что в таблице 3.1 приведены всего лишь рекомендуемые значения мощности. На практике же установщики часто руководствуются правилом «маслом кашу не испортишь», выбирая более мощные подогреватели. В итоге увеличивается степень подогрева двигателя и уменьшается необходимое ему время. В среднем для подогрева двигателя достаточно времени 2–3 часа, после чего температура двигателя больше не повышается. Такое большое время подогрева объясняется медленностью процесса конвекции.
      Важной характеристикой системы подогрева является значение превышения температуры нагретого двигателя над температурой внешней среды. Оно составляет не более 50 °C. К сожалению, его величина не приводится изготовителем. Определяется превышение опытным путем (см. ниже). Зная его величину, можно будет оценить температуру двигателя для конкретных условий. Например, если превышение составляет 35 °C, то двигатель при наружной температуре -30 °C прогреется до +5 °C, что гарантирует легкий пуск. А при наружной температуре -10 °C двигатель будет нагрет уже до +25 °C. Значение превышения может сильно различаться для разных автомобилей и типов подогревателей.
      Неавтономные системы подогрева обеспечивают быстрый и эффективный подогрев двигателя легковых и грузовых автомобилей при использовании электроэнергии стандартной бытовой электросети 220 В, 50 Гц. При соответствующей комплектации одновременно с подогревом двигателя возможен заряд аккумулятора автомобиля, подогрев воздуха салона автомобиля и автоматическое управление включением системы.

      Наиболее распространены в России импортные системы подогрева компаний DEFA (Норвегия), Calix (Швеция) и отечественной компании «Лидер». В составе систем подогрева DEFA («ДЕФА») и Calix («Каликс») разработаны около 300 типов подогревательных элементов, что позволяет подобрать нужный тип почти на любой автомобиль. Эти компании производят широкий ассортимент опционных компонентов в виде зарядных устройств, таймеров и отопителей салона. Пару лет тому назад начала производство подогревателей российская компания «Лидер». Но с учетом преемственности ее продукция выпускается в целом более пятнадцати лет. Достоинство подогревателей компании «Лидер» заключено в том, что для многих отечественных автомобилей предусмотрены монтажные комплекты и разработаны подробные инструкции для их самостоятельной установки.

      Простота конструкции и установки, надежность в эксплуатации и эффективность подогрева обусловили популярность применения неавтономных систем. Именно несложные правила установки неавтономных подогревателей позволили многим владельцам успешно освоить их самостоятельную установку.

Состав оборудования

      Система подогрева двигателя DEFA состоит из подогревательного элемента (подогревателя), нескольких малогабаритных блоков-модулей и соединительных кабелей различной длины. Конфигурация системы может включать разные блоки в любом сочетании, в зависимости от нужных вам функций. Простейшая базовая система включает подогреватель и соединительные кабели (рис. 3.2).
      Рис. 3.2. Простейшая базовая система подогрева.
 
      Такая базовая система обеспечивает лишь подогрев двигателя. Полная система дополнительно к подогревательному элементу и соединительным кабелям содержит четыре функциональных блока-модуля: зарядное устройство, блок управления (таймер), обогреватель салона и розетку обогревателя (рис. 3.3). Соответственно полная конфигурация системы одновременно с подогревом двигателя заряжает аккумулятор автомобиля и обогревает его салон.
      Рис. 3.3. Полная система подогрева: состав (от компании DЕFА).
 
      Блок управления предназначен для автоматического управления режимами работы согласно его программе. Комбинируя блоки, можно получить 9 различных конфигураций систем с различными функциями и возможностями, подходящими для любых автомашин мирового автопарка (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Функции и состав комплектов подогрева

Подогревательные элементы

      Компания DEFA предлагает самые разнообразные модели подогревателей двигателя, в зависимости от того, имеет ли автомобиль жидкостную или воздушную систему охлаждения. Также тип подогревателя зависит и от объема жидкостной системы охлаждения. Чем больше ее объем, тем большей мощности может потребоваться подогреватель. Ассортимент включает подогреватели, предназначенные как для легковых автомобилей, так и для грузовиков, тракторов и стационарных двигателей. Существует 9 конструктивных серий подогревателей, которые различаются друг от друга принципом работы и способом установки (рис. 3.4). В каждой конструктивной серии имеется несколько подогревателей данного типа, спроектированных с учетом индивидуальных особенностей конструкции конкретного двигателя и отличающихся размерами. Конструктивно подогреватель представляет отрезок трубы или литой камеры прямоугольного сечения, в который встроен электронагревательный элемент. Внутри элемента находится спираль накаливания, помещенная в металлическую трубку. Несмотря на большое разнообразие подогревателей, их выбор для конкретного автомобиля упрощен благодаря использованию каталога или поисковой системы сайта компании DEFA.
      Рис. 3.4. Подогреватели компании DEFA (фото изготовителя).
 
      Познакомимся с особенностями применения подогревателей разных серий. Номера серий образуются из младших цифр номера подогревателя. Так, например, подогреватель с фабричным номером 411219 относится к 200-й серии, а подогреватель 411315 – к 300-й серии. Все подогреватели можно разделить на пять следующих групп. Наиболее многочисленной является группа подогревателей, устанавливаемая в технологические отверстия системы охлаждения, расположенные в блоке цилиндров. Технологические отверстия первоначально закрыты заглушкой, вместо которой и устанавливается подогреватель. В эту первую группу входят подогреватели серии 000, 100, 200 и 300. Подогреватели 000 и 100-й серии запрессовываются в технологические отверстия, для чего они выполнены слегка коническими. Подогреватели 200-й серии имеют резьбу и ввинчиваются в резьбовое отверстие заглушки. Подогреватели 300-й серии снабжены креплениями в виде раздвижной скобки или Т-образного захвата, которые фиксируют их положение в заглушке. В цилиндрической проточке торца подогревателя расположено уплотнительное резиновое кольцо, обеспечивающее герметизацию подогревателя в заглушке.
      Вторая группа подогревателей (шланговых), состоящая из 400-й и 700-й серий, оснащена патрубками, на которые надеваются шланги, подключаемые к системе охлаждения автомобиля. Подогреватели 700-й серии мощностью 700-2000 Вт оборудованы термостатом с температурой 80, 60 или 40 °C.
      В третью группу входят подогреватели 500-й и 600-й серии, закрепляемые штатными деталями автомобиля (крышками или фланцами) или специальными установочными кронштейнами.
      К четвертой группе относятся подогреватели 600-й серии, предназначенные для подогрева масла и устанавливаемые непосредственно внутрь масляного картера в специальные отверстия. Масляные подогреватели имеют меньшую мощность подогрева (250 Вт) для сохранения присадок масла. Масляные подогреватели предназначены прежде всего для прогрева масла в картере, и поэтому прогрев всего двигателя с помощью подогрева масла может казаться менее эффективным, чем другие виды подогрева. Однако у подогрева масла имеется одно положительное свойство: при прокрутке стартера подогретое масло быстро и легко доходит до трущихся поверхностей, что способствует сохранению ресурса двигателя.
      К последней группе подогревателей мы отнесли контактные подогреватели 800-й серии, которые можно разделить на две подгруппы: одни устанавливаются непосредственно на оребренную рубашку двигателя, другие – с наружной стороны масляного картера, и, по существу, являются подогревателями масла. Для получения наилучшего теплового контакта используется специальная теплопроводящая паста, наносимая на контактную поверхность подогревателя.

Особенности применения

      Большинство подогревателей устанавливаются так, чтобы нагревательный элемент подогревателя находился непосредственно в рубашке охлаждения и обеспечивал нагрев всей охлаждающей жидкости в результате теплообмена и термосифонной циркуляции в системе охлаждения. Наиболее эффективным типом подогревателя, как по степени нагрева, так и по простоте монтажа, являются подогреватели, устанавливаемые вместо технологической заглушки. Простота установки, расположение элемента в глубине рубашки обеспечивают высокую надежность при эксплуатации. Подключение подогревателя с помощью шлангов более трудоемко и часто требует специальных переходников для подключения к системе охлаждения.
      При установке шланговых подогревателей необходимо выполнять ряд правил, указанных ниже. Контактные подогреватели (на блок или картер) являются очень распространенными на последних моделях автомобилей и используются на всех моторах, на которых отсутствуют заглушки или шланги для подключения. Для многих автомобилей контактные подогреватели разработаны при непосредственном участии автомобильных заводов и, по их заключению, являются достаточно эффективном средством для обеспечения легкого пуска зимой, при отсутствии возможности установки других подогревателей.
      Оптимальное время подогрева зависит от наружной температуры и, конечно, мощности подогревателя. Примерно после 3 часов работы подогревателя при наружной температуре -15-20 °C достигается тепловое равновесие. После чего температура двигателя больше не повышается, а удерживается на достигнутом уровне. Часть тепловой энергии, выделяемой в процессе работы подогревателя, расходуется на поддержание установившейся температуры. Другая ее часть рассеивается в окружающее пространство. В результате подогреватель двигателя может находиться в подключенном состоянии в течение длительного времени без какой-либо угрозы перегрева.
      Из испытаний двигателя автомобиля Peugeot 2D 307 с подогревателем DEFA 579 (рис. 3.5), проведенных компанией DEFA в центре Test Centre Tiilila Oy (Финляндия), видно, что температура головки блока двигателя повысилась до 27 °C. А сам блок цилиндров прогрелся почти до 15 °C. Этого вполне достаточно для легкого старта. Также несколько повысилась и температура масла, которая на конце масляного щупа составила -10 °C. Эффективность подогрева двигателя можно характеризовать превышением температуры нагретого двигателя над температурой окружающей среды. Эта величина в данном испытании составила 47 °C.
      Рис. 3.5. График нагрева двигателя автомобиля Peugeot 2D 307, подогреватель DEFA 579, температура воздуха -20 °C, ? – головка блока; ?– левая сторона; ? – правая сторона блока цилиндров (от компании DEFA).
 
      В испытаниях измерялось и потребление топлива. Сравнивалось потребление для двигателя с подогревом и без. Отличие в расходе топлива проявляется, пока двигатель полностью не будет прогрет, что эквивалентно пробегу в 1–2 км. У двигателя с предпусковым подогревом экономия в расходе топлива на данном участке пути достигала 36 %. Интересно отметить и сокращение времени прогрева двигателя в 60 % для достижения им температуры 40 °C. На прогрев двигателя без подогревателя потребовалось 500 секунд, а с подогревателем – 300. Уменьшение вредных выбросов и степени износа двигателя при подогреве рассмотрено в главе 1.
      При эксплуатации надо иметь в виду, что спираль накаливания может перегореть по следующим причинам:
      • недостаточное количество охлаждающей жидкости в системе охлаждения;
      • нагревательный элемент частично расположен в воздухе (воздушном кармане);
      • недостаточная прокачка системы охлаждения, которая привела к образованию воздушных пробок;
      • загрязненная охлаждающая жидкость. На активной части нагревательного элемента образуется накипь, нарушающая нормальный теплообмен подогревателя с охлаждающей жидкостью.

Электронный блок управления

      Блок управления (таймер) обеспечивает подачу напряжения сети на подогреватель в запрограммированное время (по заданной программе), после чего и начинается процесс подогрева. Дополнительно таймер показывает текущее время, температуру окружающей среды и напряжение аккумулятора. При малой освещенности можно включить подсветку экрана блока и его кнопок. Управление блоком производится четырьмя кнопками передней панели. В блоке управления предусмотрены автоматический и четыре ручных режима работы.
      Пользователю системы будет, несомненно, интересен автоматический режим управления, в котором водитель устанавливает лишь время выезда, а продолжительность подогрева двигателя блок определяет сам. Под временем выезда понимается установленныйводителем момент времени, когда он собирается выезжать на автомобиле и желает, чтобы двигатель был полностью прогрет. Естественно, что двигатель может быть запущен как раньше, так и позже установленного расчетного момента времени. По умолчанию в блоке предусмотрено два значения времени выезда 08:00 и 16:00, которые при необходимости легко изменяются. Можно спросить, а как блок управления определяет нужную продолжительность подогрева двигателя? Для этого он использует значение температуры окружающей среды, измеряемое датчиком температуры. Поясним примером используемый алгоритм. Допустим, что водитель установил время пуска двигателя в 08:00 при наружной температуре -15 °C. Тогда блок рассчитает необходимое время подогрева в 2 ч 15 мин. Чтобы двигатель был прогрет к установленному времени пуска 08:00, блок подаст напряжение на подогреватель в 05:45, что и определит указанную длительность подогрева. При наружной температуре 0 °C время подогрева составит 1 ч 15 мин (75 мин), а подогреватель будет подключен к сети в 06:45. При температуре, равной или ниже -15 °C, длительность подогрева будет постоянна и равна уже 3 часам. Такой сложный, но изящный алгоритм позволяет пользователю всегда иметь прогретый двигатель и салон (при условии установки обогревателя салона) к назначенному времени поездки при минимальных затратах электроэнергии. Впрочем, надо отметить, что нужное реальное время подогрева может отличаться от расчетного. Если условия подогрева в автоматическом режиме не устраивают пользователя, то он может использовать ручные режимы.
      Ручные режимы управления подогревом. В них водитель устанавливает фиксированное время подогрева двигателя в 1, 2 или 3 часа, которое отсчитывается опять-таки от момента выезда. Причем время подогрева уже не зависит от температуры окружающего воздуха. Так, если выбран режим подогрева длительностью в 2 часа и время выезда 08:00, то напряжение на подогреватель будет подключено в 06:00. Среди ручных режимов имеется режим On , когда напряжение на подогреватель подается сразу в момент его установки, а выключение подогрева производится при отключении этого режима.
      Отметим еще одну оригинальную и полезную функцию блока управления в виде автоматического предупреждения о возможности появления льда на дороге (датчик гололеда). Если автомобиль въезжает в зону, где температура находится в пределах от +2 °C до -2 °C, дисплей и подсветка кнопок начинают мигать в течение 6 с, предупреждая водителя об опасности гололеда на дороге.
      Блок управления устанавливается, как правило, на торпеде или на солнцезащитном козырьке. При отсутствии в системе зарядного устройства, если оно не нужно пользователю, таймер напрямую соединяется с блоком реле.