Охлаждение двигателя внутреннего сгорания использует воздух или жидкость для удаления отработанного тепла из двигателя внутреннего сгорания . Для небольших или специальных двигателей охлаждение с использованием воздуха из атмосферы делает систему легкой и относительно простой. Водные суда могут использовать воду непосредственно из окружающей среды для охлаждения своих двигателей. Для двигателей с водяным охлаждением на самолетах и наземных транспортных средствах отработанное тепло передается из замкнутого контура воды, прокачиваемой через двигатель, в окружающую атмосферу с помощью радиатора .
Вода имеет более высокую теплоемкость , чем воздух, и, таким образом, может быстрее отводить тепло от двигателя, но радиатор и насосная система добавляют вес, сложность и стоимость. Двигатели большей мощности генерируют больше отработанного тепла, но могут перемещать больший вес, то есть они, как правило, охлаждаются водой. Радиальные двигатели позволяют воздуху течь вокруг каждого цилиндра напрямую, что дает им преимущество для воздушного охлаждения по сравнению с прямыми двигателями , плоскими двигателями и V-образными двигателями . Роторные двигатели имеют похожую конфигурацию, но цилиндры также постоянно вращаются, создавая поток воздуха, даже когда транспортное средство неподвижно.
Конструкция самолета больше склоняется к конструкциям с меньшим весом и воздушным охлаждением. Роторные двигатели были популярны на самолетах до конца Первой мировой войны , но имели серьезные проблемы со стабильностью и эффективностью. Радиальные двигатели были популярны до конца Второй мировой войны , пока газотурбинные двигатели в значительной степени не заменили их. Современные винтовые самолеты с двигателями внутреннего сгорания по-прежнему в значительной степени охлаждаются воздухом. Современные автомобили, как правило, отдают предпочтение мощности, а не весу, и обычно имеют двигатели с водяным охлаждением. Современные мотоциклы легче автомобилей, и оба метода охлаждения распространены. [1] Некоторые спортивные мотоциклы охлаждались как воздухом, так и маслом ( распыляемым под головками поршней ).
Тепловые двигатели генерируют механическую мощность, извлекая энергию из тепловых потоков, подобно тому, как водяное колесо извлекает механическую мощность из потока массы, падающей через расстояние. Двигатели неэффективны, поэтому в двигатель поступает больше тепловой энергии, чем выходит в виде механической мощности; разница — это отработанное тепло , которое необходимо удалять. Двигатели внутреннего сгорания удаляют отработанное тепло через холодный всасываемый воздух, горячие выхлопные газы и явное охлаждение двигателя.
Двигатели с более высокой эффективностью имеют больше энергии, которая уходит в виде механического движения и меньше в виде отработанного тепла. Некоторое количество отработанного тепла необходимо: оно проводит тепло через двигатель, подобно тому, как водяное колесо работает только при наличии некоторой выходной скорости (энергии) в отработанной воде, чтобы унести ее и освободить место для большего количества воды. Таким образом, все тепловые двигатели нуждаются в охлаждении для работы.
Охлаждение также необходимо, поскольку высокие температуры повреждают материалы двигателя и смазочные материалы и становятся еще более важными в жарком климате. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо, температура которого выше температуры плавления материалов двигателя, и достаточно горячее, чтобы поджечь смазочные материалы. Охлаждение двигателя отводит энергию достаточно быстро, чтобы поддерживать низкие температуры, чтобы двигатель мог выжить. [2]
Некоторые высокоэффективные двигатели работают без явного охлаждения и только с побочными потерями тепла, конструкция называется адиабатической . Такие двигатели могут достигать высокой эффективности, но при этом снижают выходную мощность, рабочий цикл, вес двигателя, долговечность и выбросы. [ необходима цитата ]
Большинство двигателей внутреннего сгорания охлаждаются жидкостью с использованием либо воздуха (газообразной жидкости), либо жидкого хладагента, проходящего через теплообменник ( радиатор ) , охлаждаемый воздухом. Судовые двигатели и некоторые стационарные двигатели имеют свободный доступ к большому объему воды подходящей температуры. Вода может использоваться непосредственно для охлаждения двигателя, но часто имеет осадок, который может засорить каналы охлаждающей жидкости, или химикаты, такие как соль, которые могут химически повредить двигатель. Таким образом, охлаждающая жидкость двигателя может проходить через теплообменник, который охлаждается массой воды.
Большинство двигателей с жидкостным охлаждением используют смесь воды и химикатов, таких как антифриз , ингибиторы ржавчины и другие добавки. Эти смеси антифриза, также известные как «охлаждающая жидкость двигателя», обычно представляют собой жидкости на основе гликоля, которые содержат смесь этиленгликоля , добавок и воды. Распространенные типы охлаждающих жидкостей включают жидкости с технологией неорганических кислот (IAT), технологией органических кислот (OAT) и гибридной технологией органических кислот (HOAT). Некоторые антифризы вообще не используют воду, вместо этого полагаясь на жидкости с другими свойствами, такие как пропиленгликоль или комбинация пропиленгликоля и этиленгликоля. В то время как двигатели с воздушным охлаждением в основном полагаются на воздух для регулирования температуры, многие также используют масляное охлаждение, чтобы поддерживать оптимальную температуру как для компонентов двигателя, так и для самого масла. Большинство двигателей с жидкостным охлаждением используют некоторое воздушное охлаждение, при этом такт впуска воздуха охлаждает камеру сгорания. Исключением является двигатель Ванкеля , где некоторые части камеры сгорания никогда не охлаждаются впуском, что требует дополнительных усилий для успешной работы.
К системе охлаждения предъявляется множество требований. Одним из ключевых требований является адекватное обслуживание всего двигателя, поскольку весь двигатель выходит из строя, если перегревается хотя бы одна его часть. Поэтому крайне важно, чтобы система охлаждения поддерживала все части при достаточно низких температурах. Двигатели с жидкостным охлаждением способны изменять размер своих каналов через блок двигателя, чтобы поток охлаждающей жидкости можно было адаптировать к потребностям каждой области. Места с высокими пиковыми температурами (узкие островки вокруг камеры сгорания) или высоким тепловым потоком (вокруг выпускных отверстий) могут потребовать обильного охлаждения. Это снижает возникновение горячих точек, которых сложнее избежать при воздушном охлаждении. Двигатели с воздушным охлаждением также могут изменять свою охлаждающую способность , используя более близко расположенные охлаждающие ребра в этой области, но это может сделать их производство сложным и дорогим.
Только неподвижные части двигателя, такие как блок и головка, охлаждаются непосредственно основной системой охлаждения. Движущиеся части, такие как поршни и в меньшей степени коленчатый вал и шатуны , должны полагаться на смазочное масло в качестве охлаждающей жидкости или на очень ограниченное количество проводимости в блок и оттуда в основную охлаждающую жидкость. Высокопроизводительные двигатели часто имеют дополнительное масло, сверх количества, необходимого для смазки, распыляемое вверх на дно поршня только для дополнительного охлаждения. Мотоциклы с воздушным охлаждением часто в значительной степени полагаются на масляное охлаждение в дополнение к воздушному охлаждению цилиндров.
Двигатели с жидкостным охлаждением обычно имеют циркуляционный насос. Первые двигатели полагались только на термосифонное охлаждение, где горячая охлаждающая жидкость покидала верхнюю часть блока двигателя и проходила в радиатор, где она охлаждалась перед возвращением в нижнюю часть двигателя. Циркуляция обеспечивалась только конвекцией.
К другим требованиям относятся стоимость, вес, надежность и долговечность самой системы охлаждения.
Конвективная теплопередача пропорциональна разнице температур между материалами. Если температура металла двигателя составляет 250 °C, а воздуха — 20 °C, то для охлаждения требуется разница температур в 230 °C. Двигатель с воздушным охлаждением использует всю эту разницу. Напротив, двигатель с жидкостным охлаждением может отдавать тепло от двигателя жидкости, нагревая ее до 135 °C (стандартная точка кипения воды 100 °C может быть превышена, поскольку система охлаждения находится под давлением и использует смесь с антифризом), которая затем охлаждается воздухом с температурой 20 °C. На каждом этапе двигатель с жидкостным охлаждением имеет половину разницы температур и поэтому на первый взгляд кажется, что ему требуется вдвое большая площадь охлаждения.
Однако свойства охлаждающей жидкости (воды, масла или воздуха) также влияют на охлаждение. В качестве примера, сравнивающего воду и масло как охлаждающие жидкости, один грамм масла может поглотить около 55% тепла при том же повышении температуры (называется удельной теплоемкостью ). Плотность масла составляет около 90% плотности воды, поэтому заданный объем масла может поглотить только около 50% энергии того же объема воды. Теплопроводность воды примерно в четыре раза больше, чем у масла, что может способствовать теплопередаче. Вязкость масла может быть в десять раз больше, чем у воды, что увеличивает энергию, необходимую для перекачивания масла для охлаждения, и снижает чистую выходную мощность двигателя.
Если сравнивать воздух и воду, воздух имеет значительно меньшую теплоемкость на грамм и на объем (4000) и менее одной десятой проводимости, но также и гораздо меньшую вязкость (примерно в 200 раз ниже: 17,4 × 10−6 Па ·с для воздуха против 8,94 × 10−4 Па ·с для воды). Продолжая расчет из двух абзацев выше, для воздушного охлаждения требуется в десять раз большая площадь поверхности, следовательно, ребра, а для воздуха требуется в 2000 раз большая скорость потока, и, таким образом, для рециркуляционного воздушного вентилятора требуется в десять раз большая мощность, чем для рециркуляционного водяного насоса.
Перемещение тепла от цилиндра к большой площади поверхности для воздушного охлаждения может представлять проблемы, включая трудности с изготовлением форм, необходимых для хорошей теплопередачи, и пространства, необходимого для свободного потока большого объема воздуха. Вода кипит примерно при той же температуре, которая требуется для охлаждения двигателя. Это имеет преимущество в том, что она поглощает большое количество энергии с очень небольшим повышением температуры (называемой теплотой испарения ), что хорошо для поддержания прохлады, особенно для пропускания одного потока охлаждающей жидкости через несколько горячих объектов и достижения равномерной температуры. Напротив, прохождение воздуха через несколько горячих объектов последовательно нагревает воздух на каждом этапе, поэтому первый может быть переохлажден, а последний недоохлажден. Однако после закипания вода становится изолятором, что приводит к внезапной потере охлаждения там, где образуются пузырьки пара. Пар может возвращаться в воду, смешиваясь с другой охлаждающей жидкостью, поэтому указатель температуры двигателя может показывать приемлемую температуру, даже если локальные температуры достаточно высоки, чтобы нанести ущерб.
Двигателю нужны разные температуры. Впуск, включая компрессор турбонагнетателя, а также впускные трубы и впускные клапаны должны быть максимально холодными. Противоточный теплообменник с принудительным охлаждением воздуха выполняет эту работу. Стенки цилиндров не должны нагревать воздух перед сжатием, но и не охлаждать газ при сгорании. Компромиссом является температура стенки 90 °C. Вязкость масла оптимизирована именно для этой температуры. Любое охлаждение выхлопа и турбины турбонагнетателя снижает количество мощности, доступной турбине, поэтому выхлопная система часто изолируется между двигателем и турбонагнетателем, чтобы выхлопные газы оставались максимально горячими.
Температура охлаждающего воздуха может варьироваться от значительно ниже нуля до 50 °C. Кроме того, в то время как двигатели на дальних морских или железнодорожных перевозках могут работать при постоянной нагрузке, дорожные транспортные средства часто сталкиваются с сильно меняющейся и быстро меняющейся нагрузкой. Таким образом, система охлаждения спроектирована так, чтобы изменять охлаждение, чтобы двигатель не был ни слишком горячим, ни слишком холодным. Регулирование системы охлаждения включает регулируемые перегородки в потоке воздуха (иногда называемые «жалюзи» и обычно управляемые пневматическим «жалюзистатом»); вентилятор, который работает либо независимо от двигателя, например, электрический вентилятор, либо имеет регулируемую муфту; и термостатический клапан или термостат , который может блокировать поток охлаждающей жидкости при слишком низкой температуре. Кроме того, двигатель, охлаждающая жидкость и теплообменник имеют некоторую теплоемкость, которая сглаживает повышение температуры на коротких спринтах. Некоторые элементы управления двигателем выключают двигатель или ограничивают его до половины дроссельной заслонки, если он перегревается. Современные электронные элементы управления двигателем регулируют охлаждение на основе дроссельной заслонки, чтобы предвидеть повышение температуры, и ограничивают выходную мощность двигателя, чтобы компенсировать конечное охлаждение.
Наконец, другие проблемы могут доминировать над конструкцией системы охлаждения. Например, воздух является относительно плохим охладителем, но системы воздушного охлаждения просты, и частота отказов обычно растет как квадрат числа точек отказа. Кроме того, охлаждающая способность лишь немного снижается из-за небольших утечек воздушного охладителя. Там, где надежность имеет первостепенное значение, как в самолетах, может быть хорошим компромиссом отказаться от эффективности, долговечности (интервал между переборками двигателя) и бесшумности, чтобы достичь немного более высокой надежности; последствия поломки двигателя самолета настолько серьезны, что даже небольшое повышение надежности стоит отказа от других хороших свойств ради ее достижения.
Обычно используются двигатели с воздушным и жидкостным охлаждением . Каждый принцип имеет свои преимущества и недостатки, и конкретные приложения могут предпочесть один из них другому. Например, большинство автомобилей и грузовиков используют двигатели с жидкостным охлаждением, в то время как многие небольшие самолеты и недорогие двигатели охлаждаются воздухом.
Трудно делать обобщения о двигателях с воздушным и жидкостным охлаждением. Дизельные двигатели с воздушным охлаждением выбираются из-за надежности даже в экстремальной жаре, поскольку воздушное охлаждение было бы проще и эффективнее в борьбе с экстремальными температурами в разгар зимы и разгар лета, чем системы водяного охлаждения, и часто используются в ситуациях, когда двигатель работает без присмотра в течение месяцев. [3]
Аналогично, обычно желательно минимизировать количество стадий теплопередачи, чтобы максимизировать разницу температур на каждой стадии. Однако двухтактные двигатели Detroit Diesel обычно используют масло, охлаждаемое водой, а вода в свою очередь охлаждается воздухом. [4]
Охлаждающая жидкость, используемая во многих двигателях с жидкостным охлаждением, должна периодически обновляться и может замерзать при обычных температурах, что приводит к постоянному повреждению двигателя при его расширении. Двигатели с воздушным охлаждением не требуют обслуживания охлаждающей жидкости и не страдают от замерзания, два часто упоминаемых преимущества двигателей с воздушным охлаждением. Однако охлаждающая жидкость на основе пропиленгликоля остается жидкой до −55 °C, что холоднее, чем та, которая встречается во многих двигателях; слегка сжимается при кристаллизации, что позволяет избежать повреждений; и имеет срок службы более 10 000 часов, что по сути является сроком службы многих двигателей.
Обычно сложнее добиться низких выбросов или низкого уровня шума от двигателя с воздушным охлаждением, и это еще две причины, по которым большинство дорожных транспортных средств используют двигатели с жидкостным охлаждением. Также часто бывает сложно построить большие двигатели с воздушным охлаждением, поэтому почти все двигатели с воздушным охлаждением имеют мощность менее 500 кВт (670 л. с. ), тогда как большие двигатели с жидкостным охлаждением превышают 80 МВт (107000 л. с.) ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 14-цилиндровый дизель).
Автомобили и грузовики с прямым воздушным охлаждением (без промежуточной жидкости) строились в течение длительного периода с самого начала и заканчивая небольшим и в целом непризнанным техническим изменением. До Второй мировой войны автомобили и грузовики с водяным охлаждением регулярно перегревались при подъеме по горным дорогам, создавая гейзеры кипящей охлаждающей воды. Это считалось нормой, и в то время на большинстве известных горных дорог имелись авторемонтные мастерские, которые помогали устранять перегрев двигателей.
ACS (Auto Club Suisse) поддерживает исторические памятники той эпохи на перевале Зустен , где сохранились две станции заправки радиаторов. На них есть инструкции на литой металлической табличке и лейка со сферическим дном, висящая рядом с водопроводным краном. Сферическое дно предназначалось для того, чтобы ее нельзя было поставить на землю, и, таким образом, она была бесполезна в доме, несмотря на это, ее украли, как показано на фотографии.
В этот период европейские фирмы, такие как Magirus-Deutz , строили дизельные грузовики с воздушным охлаждением, Porsche строили сельскохозяйственные тракторы с воздушным охлаждением [5] , а Volkswagen прославился своими легковыми автомобилями с воздушным охлаждением. В Соединенных Штатах Franklin строил двигатели с воздушным охлаждением.
В течение многих лет воздушное охлаждение было предпочтительным для военных целей, поскольку системы жидкостного охлаждения более уязвимы к повреждениям осколками .
Базирующаяся в Чешской Республике компания Tatra известна своими большими по объему двигателями V8 с воздушным охлаждением для автомобилей; инженер Tatra Юлиус Макерле опубликовал книгу о них. Двигатели с воздушным охлаждением лучше приспособлены к экстремально холодным и жарким погодным условиям: вы можете видеть, как двигатели с воздушным охлаждением запускаются и работают в условиях замерзания, а двигатели с водяным охлаждением заклинивают и продолжают работать, когда двигатели с водяным охлаждением начинают вырабатывать паровые струи. Двигатели с воздушным охлаждением, возможно, имеют преимущество с точки зрения термодинамики из-за более высокой рабочей температуры. Самой серьезной проблемой, с которой сталкиваются двигатели с воздушным охлаждением для самолетов, является так называемое « шоковое охлаждение », когда самолет входит в пикирование после набора высоты или горизонтального полета с открытым дросселем, при этом двигатель работает без нагрузки, в то время как самолет пикирует, выделяя меньше тепла, а поток воздуха, охлаждающего двигатель, увеличивается, что может привести к катастрофическому отказу двигателя, поскольку разные части двигателя имеют разную температуру и, следовательно, разное тепловое расширение. В таких условиях двигатель может заклинить, а любое внезапное изменение или дисбаланс в соотношении между теплом, вырабатываемым двигателем, и теплом, рассеиваемым при охлаждении, может привести к повышенному износу двигателя, а также вследствие разницы в тепловом расширении частей двигателя, при этом двигатели с жидкостным охлаждением имеют более стабильные и равномерные рабочие температуры.
Сегодня большинство автомобильных и более крупных двигателей внутреннего сгорания имеют жидкостное охлаждение. [6] [7] [8]
.svg/1280px-Open_IC_engine_cooling_system_(ship).svg.png)
.svg/1280px-Semiclosed_IC_engine_cooling_system_(ship).svg.png)
Жидкостное охлаждение также используется в морских транспортных средствах (судах, ...). Для судов в качестве охлаждения в основном используется сама морская вода. В некоторых случаях также используются химические охлаждающие жидкости (в закрытых системах) или они смешиваются с охлаждением морской водой. [9] [10]
Изменение воздушного охлаждения на жидкостное произошло в начале Второй мировой войны, когда армия США нуждалась в надежных транспортных средствах. Тема кипения двигателей была рассмотрена, исследована и решение найдено. Предыдущие радиаторы и блоки двигателей были правильно спроектированы и выдержали испытания на прочность, но использовали водяные насосы с протекающим графитовым смазанным «канатным» уплотнением ( сальник ) на валу насоса. Уплотнение было унаследовано от паровых двигателей, где допустима потеря воды, поскольку паровые двигатели и так расходуют большие объемы воды. Поскольку уплотнение насоса протекало в основном при работе насоса и двигателе, потеря воды испарялась незаметно, оставляя в лучшем случае небольшой ржавый след, когда двигатель останавливался и охлаждался, тем самым не выявляя значительной потери воды. Автомобильные радиаторы (или теплообменники ) имеют выход, который подает охлажденную воду в двигатель, а двигатель имеет выход, который подает нагретую воду в верхнюю часть радиатора. Циркуляция воды обеспечивается роторным насосом, который имеет лишь незначительный эффект, работая в таком широком диапазоне скоростей, что его рабочее колесо имеет лишь минимальный эффект как насос. Во время работы протекающее уплотнение насоса сливало охлаждающую воду до уровня, на котором насос больше не мог возвращать воду в верхнюю часть радиатора, поэтому циркуляция воды прекращалась, и вода в двигателе закипала. Однако, поскольку потеря воды приводила к перегреву и дальнейшей потере воды из-за выкипания, первоначальная потеря воды была скрыта.
После локализации проблемы с насосом, автомобили и грузовики, построенные для военных нужд (гражданские автомобили в то время не производились), были оснащены водяными насосами с углеродным уплотнением, которые не протекали и больше не вызывали гейзеров. Между тем, воздушное охлаждение развивалось в память о кипящих двигателях, хотя кипение больше не было распространенной проблемой. Двигатели с воздушным охлаждением стали популярными по всей Европе. После войны Volkswagen рекламировался в США как не кипящий, хотя новые автомобили с водяным охлаждением больше не кипели, но автомобили хорошо продавались. Но по мере того, как в 1960-х годах росла осведомленность о качестве воздуха и были приняты законы, регулирующие выбросы выхлопных газов, неэтилированный бензин заменил этилированный, и более обедненные топливные смеси стали нормой. Subaru выбрала жидкостное охлаждение для своего двигателя серии EA (плоского) когда он был представлен в 1966 году. [ необходима цитата ]
Специальный класс экспериментальных прототипов поршневых двигателей внутреннего сгорания разрабатывался в течение нескольких десятилетий с целью повышения эффективности за счет снижения потерь тепла. [11] Двигатели по-разному называются адиабатическими двигателями из-за лучшего приближения к адиабатическому расширению, двигателями с низким отводом тепла или высокотемпературными двигателями. [12] Они, как правило, представляют собой дизельные двигатели с деталями камеры сгорания, покрытыми керамическими теплозащитными покрытиями. [13] Некоторые используют титановые поршни и другие титановые детали из-за его низкой теплопроводности [14] и массы. Некоторые конструкции способны полностью исключить использование системы охлаждения и связанные с ними паразитные потери. [15] Разработка смазочных материалов, способных выдерживать более высокие температуры, стала основным препятствием для коммерциализации. [16]
