Двигатели с воздушным охлаждением используют циркуляцию воздуха непосредственно над ребрами рассеивания тепла или горячими участками двигателя для их охлаждения с целью поддержания рабочей температуры двигателя. Конструкции с воздушным охлаждением намного проще, чем их аналоги с жидкостным охлаждением, которым требуется отдельный радиатор , резервуар для охлаждающей жидкости, трубопроводы и насосы.
Двигатели с воздушным охлаждением широко используются в приложениях, где вес или простота являются основной целью. Их простота делает их подходящими для использования в небольших приложениях, таких как бензопилы и газонокосилки , а также в небольших генераторах и подобных ролях. Эти качества также делают их весьма подходящими для использования в авиации, где они широко используются в самолетах гражданской авиации и в качестве вспомогательных силовых установок на более крупных самолетах. Их простота, в частности, также делает их распространенными на мотоциклах .
Большинство современных двигателей внутреннего сгорания охлаждаются замкнутым контуром, транспортирующим жидкий хладагент по каналам в блоке двигателя и головке цилиндров. Жидкость в этих каналах поглощает тепло, а затем течет в теплообменник или радиатор , где хладагент отдает тепло в воздух (или сырую воду в случае судовых двигателей ). Таким образом, хотя они в конечном итоге не охлаждаются жидкостью, так как тепло обменивается с какой-то другой жидкостью, например, воздухом, из-за контура жидкостного хладагента они известны как охлаждаемые жидкостью .
Напротив, тепло, вырабатываемое двигателем с воздушным охлаждением, выбрасывается непосредственно в воздух. Обычно это достигается с помощью металлических ребер, покрывающих внешнюю часть головки блока цилиндров и цилиндров , что увеличивает площадь поверхности, на которую может воздействовать воздух. Воздух может подаваться принудительно с помощью вентилятора и кожуха для достижения эффективного охлаждения большими объемами воздуха или просто естественным потоком воздуха с хорошо спроектированными и наклонными ребрами.
Во всех двигателях внутреннего сгорания большой процент вырабатываемого тепла, около 44%, уходит через выхлопные газы. Еще около 8% попадает в масло , которое само должно охлаждаться в масляном радиаторе . Это означает, что менее половины тепла должно отводиться через другие системы. В двигателе с воздушным охлаждением только около 12% тепла выходит через металлические ребра. [1] Двигатели с воздушным охлаждением обычно работают более шумно, однако они более просты, что дает преимущества при обслуживании и замене деталей, и обычно их дешевле обслуживать. [2]
Многие мотоциклы используют воздушное охлаждение ради снижения веса и сложности. Немногие современные автомобили имеют двигатели с воздушным охлаждением (например, Tatra 815 ), но исторически это было обычным для многих транспортных средств большого объема. Ориентация цилиндров двигателя обычно встречается либо в одноцилиндровом, либо в паре в группах по два, и цилиндры обычно ориентированы горизонтально, как плоский двигатель , в то время как использовались вертикальные рядные четырехцилиндровые двигатели . Примеры прошлых дорожных транспортных средств с воздушным охлаждением, в примерно хронологическом порядке, включают:
В 1920-е и 1930-е годы в авиационной промышленности шли жаркие дебаты о преимуществах конструкций с воздушным и жидкостным охлаждением. В начале этого периода жидкостью, используемой для охлаждения, была вода при давлении окружающей среды. Количество тепла, уносимое жидкостью, зависит от ее емкости и разницы во входной и выходной температурах. Поскольку точка кипения воды снижается при более низком давлении, и вода не могла эффективно перекачиваться в виде пара, радиаторы должны были иметь достаточную охлаждающую способность, чтобы компенсировать потерю охлаждающей способности при подъеме самолета. В результате радиаторы были довольно большими и вызывали значительное аэродинамическое сопротивление . [4]
Это сделало две конструкции примерно равными по соотношению мощности к лобовому сопротивлению, но конструкции с воздушным охлаждением были почти всегда легче и проще. В 1921 году ВМС США , во многом благодаря усилиям командующего Брюса Г. Лейтона, решили, что простота конструкции с воздушным охлаждением приведет к меньшей нагрузке на техническое обслуживание, что было первостепенно, учитывая ограниченную рабочую зону авианосцев . Усилия Лейтона привели к тому, что ВМС одобрили разработку двигателя с воздушным охлаждением в Pratt & Whitney и Wright Aeronautical . [4]
Большинство других групп, особенно в Европе, где летные характеристики самолетов быстро улучшались, были больше обеспокоены проблемой сопротивления. В то время как конструкции с воздушным охлаждением были распространены на легких самолетах и учебных самолетах, а также на некоторых транспортных самолетах и бомбардировщиках , конструкции с жидкостным охлаждением оставались гораздо более распространенными для истребителей и высокопроизводительных бомбардировщиков. Проблема сопротивления была остановлена введением в 1929 году капота NACA , который значительно уменьшил сопротивление двигателей с воздушным охлаждением, несмотря на их большую лобовую площадь, и сопротивление, связанное с охлаждением, на тот момент было в значительной степени равномерным. [4]
В конце 1920-х и 1930-х годах ряд европейских компаний представили систему охлаждения, которая поддерживала воду под давлением, что позволяло ей достигать гораздо более высоких температур без кипения, отводя больше тепла и, таким образом, уменьшая объем необходимой воды и размер радиатора на целых 30%. Они также могли полностью исключить радиатор, используя испарительное охлаждение , позволяя ему превращаться в пар и пропуская пар через трубки, расположенные прямо под обшивкой крыльев и фюзеляжа, где быстро движущийся наружный воздух конденсировал его обратно в воду. Хотя эта концепция использовалась на ряде рекордных самолетов в конце 1930-х годов, она всегда оказывалась непрактичной для серийных самолетов по целому ряду причин. [5]
В 1929 году Curtiss начал эксперименты по замене воды на этиленгликоль в двигателе Curtiss D-12 . Гликоль мог работать при температуре до 250 °C и уменьшал размер радиатора на 50% по сравнению с конструкциями с водяным охлаждением. Эксперименты были чрезвычайно успешными, и к 1932 году компания перевела все будущие конструкции на эту охлаждающую жидкость. В то время Union Carbide владела монополией на промышленный процесс производства гликоля, поэтому изначально он использовался только в США, а вскоре его переняла Allison Engines . Только в середине 1930-х годов Rolls-Royce приняла его, поскольку поставки улучшились, переведя все свои двигатели на гликоль. С гораздо меньшими радиаторами и меньшим количеством жидкости в системе вес и сопротивление этих конструкций были значительно ниже современных конструкций с воздушным охлаждением. По весу эти конструкции с жидкостным охлаждением обеспечивали на 30% лучшую производительность. [6]
В конце и послевоенную эпоху высокопроизводительная область быстро перешла к реактивным двигателям . Это отняло основной рынок у поздних моделей двигателей с жидкостным охлаждением. Те роли, которые остались за поршневыми двигателями, в основном были в более медленных конструкциях и гражданских самолетах. В этих ролях простота и сокращение потребностей в обслуживании гораздо важнее сопротивления, и с конца войны почти все поршневые авиационные двигатели были с воздушным охлаждением, за редкими исключениями. [6]
По состоянию на 2020 год [обновлять]большинство двигателей, производимых Lycoming и Continental, используются крупными производителями легких самолетов Cirrus , Cessna и т. д. Другими производителями двигателей, использующими технологию воздушного охлаждения, являются ULPower и Jabiru , более активные на рынке легких спортивных самолетов ( LSA ) и сверхлегких самолетов . Rotax использует комбинацию цилиндров с воздушным охлаждением и головок цилиндров с жидкостным охлаждением.
Некоторые небольшие дизельные двигатели, например, производимые Deutz AG и Lister Petter, имеют воздушное охлаждение. Вероятно, единственный большой двигатель воздушного охлаждения для грузовиков Euro 5 (V8 мощностью 320 кВт и крутящим моментом 2100 Н·м) производится Tatra . BOMAG, часть группы FAYAT, также использует рядный 6-цилиндровый двигатель с воздушным охлаждением во многих своих строительных машинах.
Стационарные или переносные двигатели были введены в коммерческую эксплуатацию в начале 1900-х годов. Первое коммерческое производство было начато компанией New Way Motor Company из Лансинга, штат Мичиган, США. Компания производила двигатели с воздушным охлаждением в одно- и двухцилиндровом исполнении как в горизонтальном, так и в вертикальном цилиндровом формате. После их первоначального производства, которое экспортировалось по всему миру, другие компании переняли преимущества этого метода охлаждения, особенно в небольших переносных двигателях. Области применения включают газонокосилки, генераторы, подвесные моторы, насосные установки, пилорамы и вспомогательные электростанции и многое другое.