Jak to działa i jaki jest prawidłowy sposób diagnozowania?

Sprzęgło wiskotyczne wentylatora, zwane również sprzęgłem wiskotycznym, jest zazwyczaj jednym z najmniej zrozumiałych elementów w układzie chłodzenia silnika, w związku z czym jest również jedną z najczęściej błędnie diagnozowanych części w całym pojeździe. Jednak przy właściwym zrozumieniu jego działania i przy użyciu odpowiedniego sprzętu, nie jest to wcale takie trudne. W tym artykule postaramy się zatem zdemistyfikować ten temat i mamy nadzieję, że pomożemy Ci zrozumieć, czy dana część rzeczywiście jest uszkodzona, czy też nie.

Zacznijmy więc od tego, jaki jest pełny zakres funkcji, które ta część musi spełniać i jak właściwie działa? Celem sprzęgła wentylatora jest sterowanie wentylatorem silnika, nie tylko po to, aby umożliwić mu dostarczanie powietrza chłodzącego do wymienników ciepła z przodu pojazdu, ale także po to, aby robił to tylko wtedy, gdy jest to konieczne, i aby dostarczał tylko niezbędną ilość powietrza, gdy to robi. Dwa ostatnie punkty są ważne, ponieważ często są pomijane lub niezrozumiane jako część podstawowej funkcji sprzęgła wentylatora. Powodem, dla którego jest to ważne, jest to, że wentylator silnika będzie pobierał moc z silnika w bezpośrednim związku z prędkością, z jaką się obraca, a jeśli obciążenie chłodnicze różnych systemów jest niskie, wymagana jest tylko niewielka ilość powietrza. Prędkość wentylatora powinna być zatem odpowiednio niska, aby nie pobierać nadmiaru powietrza, tym samym niepotrzebnie okradając silnik z mocy, a w konsekwencji marnując paliwo i pieniądze. Chodzi więc o to, że sprzęgło wentylatora jest tam nie tylko po to, aby napędzać wentylator silnika, ale aby robić to wydajnie.

A więc, jak to właściwie robi?
W skrócie, wiskotyczne sprzęgło wentylatora składa się z dwóch połówek połączonych ze sobą i zdolnych do obracania się w sposób pół-niezależny od siebie. Strona wejściowa jest połączona z silnikiem bezpośrednio lub za pomocą paska i dlatego obraca się w stałym stosunku do silnika. Strona wyjściowa jest zamontowana na łożysku, które z kolei jest zamontowane na wale wejściowym, aby umożliwić obracanie się z prędkością inną niż prędkość strony wejściowej. Na wale wejściowym znajduje się uszczelnienie, które uszczelnia zespół. Strony wejściowa i wyjściowa mają system dopasowanych koncentrycznych rowków, a uszczelniona przestrzeń między nimi jest wypełniona pewną ilością oleju silikonowego, która zmienia się w zależności od ilości napędu wymaganej od sprzęgła wentylatora. Ilość oleju w rowkowanej przestrzeni między dwiema połówkami jest kontrolowana przez zawór połączony z elementem termicznym znajdującym się z przodu sprzęgła wentylatora. Olej jest uwalniany ze zbiornika magazynującego wbudowanego w zespół, gdy wymagana jest większa ilość oleju, i jest pompowany z powrotem do tego zbiornika, gdy w przestrzeni roboczej wymagana jest mniejsza ilość oleju. Gdy element termiczny nagrzewa się w odpowiedzi na gorętsze powietrze wynikające ze wzrostu obciążenia cieplnego, zawór pozwoli na przepływ większej ilości oleju do rowkowanej przestrzeni między dwiema połówkami. Zwiększa to siły ścinania lepkiego (tarcie) między stroną wejściową i wyjściową, a tym samym powoduje wzrost prędkości strony wyjściowej. Wentylator zasysa zatem więcej powietrza chłodzącego przez wymienniki ciepła, co równoważy zdolność chłodzenia powietrza z obciążeniem cieplnym układu.

Teraz, gdy mamy podstawowy zarys działania systemu, konieczne jest zrozumienie charakterystyki systemu prawidłowo działającego wiskotycznego sprzęgła wentylatora, abyśmy mogli interpretować charakterystyki systemu, które są niezgodne z normą, a tym samym odróżnić sprawne sprzęgło wentylatora od uszkodzonego.

W prawidłowo działającym systemie zauważymy, że po uruchomieniu silnika sprzęgło wentylatora będzie załączone w dokładnie takim samym stopniu, jak wtedy, gdy silnik został ostatnio wyłączony. Oznacza to, że nawet jeśli silnik jest lodowato zimny po uruchomieniu, wentylator będzie w pełni załączony, jeśli silnik pracował przy pełnym obciążeniu cieplnym, gdy został ostatnio wyłączony. Dzieje się tak dlatego, że objętość oleju w rowkowanej przestrzeni między stroną wejściową i wyjściową jest nadal taka sama jak wtedy, gdy silnik został wyłączony i sprzęgło przestało się obracać. Kiedy silnik jest ponownie uruchamiany (gdy jest zimny), olej w komorze roboczej (rowkowana przestrzeń między połówkami wejściową i wyjściową) zacznie krążyć z powrotem do zbiornika magazynującego, zmniejszając w ten sposób siłę napędową przenoszoną przez sprzęgło wentylatora z powrotem do punktu, w którym wentylator jest całkowicie rozłączony. W tym momencie wentylator będzie się obracał tylko z bardzo małym momentem napędowym wynikającym z sił tarcia w łożysku. W miarę nagrzewania się silnika, powietrze przechodzące przez wymienniki ciepła również się nagrzeje, w odpowiedzi na co element termiczny z przodu sprzęgła zacznie stopniowo otwierać zawór kontrolujący przepływ oleju. Spowoduje to stopniowe zwiększanie momentu napędowego układu w równowadze z obciążeniem cieplnym układu, aż do momentu, w którym zostanie ponownie w pełni załączony.

Niewielkie odchylenie od powyższego wzorca będzie widoczne podczas zimnego rozruchu ze względu na wpływ lepkości oleju, która jest wyższa w niskich temperaturach niż w temperaturze roboczej. Efektem tego jest to, że gdy olej jest zimny, stopień załączenia wentylatora będzie wyższy dla danej ilości oleju w komorze roboczej niż wtedy, gdy olej jest ciepły, a pewien stopień załączenia wentylatora będzie zatem zawsze obecny podczas zimnego rozruchu, ale spadnie stosunkowo szybko w miarę nagrzewania się oleju (z powodu tarcia wewnętrznego), a sprzęgło wentylatora powróci do prawidłowego (niskiego) poziomu załączenia w odpowiedzi na niskie obciążenie cieplne w tych warunkach.

Mając to na uwadze, można teraz określić, czy sprzęgło wentylatora jest uszkodzone, czy nie. Zasadniczo istnieją dwa sposoby, w jakie sprzęgło wentylatora może ulec awarii. Pierwszym i bardziej oczywistym jest to, że część nie przenosi już wymaganego momentu obrotowego niezbędnego do zapewnienia prawidłowego chłodzenia. Drugim jest to, że część ulega „zablokowaniu” i nie zmienia już momentu obrotowego w odpowiedzi na zmiany obciążenia cieplnego. Pierwszy tryb awarii staje się widoczny w podwyższonych temperaturach układu chłodzenia, a drugi tryb staje się widoczny w nadmiernym hałasie z wentylatora ze względu na fakt, że w ogóle się nie rozłącza. Ponadto drugi tryb awarii powinien być również widoczny w zwiększonym zużyciu paliwa.

To prowadzi nas do następnego pytania: „Jak to przetestować?” Prawidłowym sposobem testowania wiskotycznego sprzęgła wentylatora jest określenie stopnia poślizgu dozwolonego przez system w różnych punktach pracy, przez które przechodzi system podczas rozgrzewania. Wzorzec, który powinien być widoczny, jest taki, że na zimnym silniku sprzęgło będzie załączone na poziomie zgodnym z temperaturą silnika w momencie wyłączenia i powinno się ponownie rozłączyć w ciągu trzech do pięciu minut po uruchomieniu. To ustawienie powinno się następnie utrzymać, aż otworzy się termostat i zacznie krążyć płyn chłodzący silnika. Dopiero w tym momencie powietrze zasysane przez wymienniki ciepła z przodu wentylatora zacznie się nagrzewać i dopiero od tego momentu sprzęgło wentylatora powinno zacząć się ponownie załączać. Do czasu, gdy temperatura płynu chłodzącego wchodzącego do chłodnicy osiągnie pełną temperaturę roboczą, sprzęgło wentylatora powinno być w pełni załączone. W tym momencie zmierzony poślizg w sprzęgle wentylatora nie powinien przekraczać 5%.

Prawidłowym sposobem określenia poślizgu jest pomiar prędkości wentylatora w stosunku do prędkości silnika i podzielenie pierwszego przez drugie. Wszystko poniżej 95% stawałoby się coraz bardziej problematyczne, ponieważ sprawny system powinien być w stanie utrzymać ten poziom wydajności. Pomiar ten najlepiej wykonać za pomocą tachometru na podczerwień z małymi kawałkami taśmy odblaskowej na wale wejściowym do sprzęgła wentylatora, a także w odpowiednim miejscu na piaście wentylatora między podstawą dwóch sąsiednich łopatek. Jednocześnie temperaturę płynu chłodzącego silnika należy mierzyć za pomocą termometru na podczerwień, aby upewnić się, że temperatura jest rzeczywiście w temperaturze roboczej podczas pomiaru poślizgu. Należy w tym momencie wspomnieć, że nie jest możliwe (nie wspominając o wręcz niebezpiecznym) określenie, jak duży poślizg występuje, próbując przytrzymać łopatkę wentylatora ręką, a następnie uruchomić silnik, po prostu dlatego, że nie można odróżnić poślizgu 5% od poślizgu 10% lub nawet 15% w tej kwestii. Aby umieścić to w kontekście, system z 10% lub 15% poślizgiem w sprzęgle wentylatora może już mieć poważne problemy z chłodzeniem.