Двигатели с воздушным охлаждением полагаются на циркуляцию воздуха непосредственно над ребрами рассеивания тепла или горячими участками двигателя для их охлаждения и поддержания рабочей температуры двигателя. Конструкции с воздушным охлаждением намного проще, чем их аналоги с жидкостным охлаждением, для которых требуется отдельный радиатор , резервуар для охлаждающей жидкости, трубопроводы и насосы.
Двигатели с воздушным охлаждением широко используются в тех случаях, когда основной целью является вес или простота. Их простота делает их пригодными для использования в небольших устройствах, таких как бензопилы и газонокосилки , а также в небольших генераторах и аналогичных целях. Эти качества также делают их очень подходящими для использования в авиации, где они широко используются в самолетах авиации общего назначения и в качестве вспомогательных силовых установок на более крупных самолетах. В частности, их простота делает их распространенными на мотоциклах .
Большинство современных двигателей внутреннего сгорания охлаждаются замкнутым контуром, по которому жидкая охлаждающая жидкость проходит через каналы в блоке цилиндров и головке блока цилиндров. Жидкость в этих каналах поглощает тепло, а затем поступает в теплообменник или радиатор , где охлаждающая жидкость отдает тепло в воздух (или сырую воду , в случае судовых двигателей ). Таким образом, хотя они в конечном итоге не охлаждаются жидкостью, поскольку тепло обменивается с какой-либо другой жидкостью, например воздухом, из-за контура жидкостного охлаждения они известны как жидкостно-охлаждаемые .
Напротив, тепло, выделяемое двигателем с воздушным охлаждением, выделяется непосредственно в воздух. Обычно этому способствуют металлические ребра , закрывающие внешнюю часть головки блока цилиндров, и цилиндры , которые увеличивают 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 расположенными под углом ребрами.
Во всех двигателях внутреннего сгорания большая часть выделяемого тепла, около 44%, уходит через выхлопные газы. Еще 8% или около того попадает в масло , которое необходимо охладить в масляном радиаторе . Это означает, что менее половины тепла необходимо отводить через другие системы. В двигателе с воздушным охлаждением через металлические ребра уходит только около 12% тепла. [1] Двигатели с воздушным охлаждением обычно работают более шумно, однако они обеспечивают большую простоту, что дает преимущества при обслуживании и замене деталей, а также обычно дешевле в обслуживании. [2]
Многие мотоциклы используют воздушное охлаждение ради снижения веса и сложности. Лишь немногие современные автомобили имеют двигатели с воздушным охлаждением (например, Tatra 815 ), но исторически это было обычным явлением для многих крупносерийных автомобилей. Ориентация цилиндров двигателя обычно встречается либо в одноцилиндровом, либо в соединенном в группы по два цилиндра, а цилиндры обычно ориентированы горизонтально, как в плоском двигателе , тогда как используются вертикальные рядные четырехцилиндровые двигатели . Примеры прошлых дорожных транспортных средств с воздушным охлаждением, примерно в хронологическом порядке, включают:
В 1920-е и 30-е годы в авиационной промышленности шли большие дебаты о преимуществах конструкций с воздушным охлаждением по сравнению с жидкостным. В начале этого периода жидкостью, используемой для охлаждения, была вода при атмосферном давлении. Количество тепла, уносимого жидкостью, зависит от ее мощности и разницы температур на входе и выходе. Поскольку температура кипения воды снижается при более низком давлении, и воду нельзя было эффективно перекачивать в виде пара, радиаторы должны были иметь достаточную охлаждающую мощность, чтобы компенсировать потерю охлаждающей мощности при наборе высоты самолета. Получившиеся радиаторы были довольно большими и вызывали значительное аэродинамическое сопротивление . [4]
В результате обе конструкции были примерно равны по тяговой мощности, но конструкции с воздушным охлаждением почти всегда были легче и проще. В 1921 году ВМС США , во многом благодаря усилиям командующего Брюса Лейтона, решили, что простота конструкции с воздушным охлаждением приведет к уменьшению объема работ по техническому обслуживанию, что имело первостепенное значение, учитывая ограниченную рабочую зону авианосцев . Усилия Лейтона привели к тому, что ВМС подписали контракт на разработку двигателей с воздушным охлаждением в компаниях Pratt & Whitney и Wright Aeronautical . [4]
Большинство других групп, особенно в Европе, где летно-технические характеристики самолетов быстро улучшались, больше интересовались проблемой лобового сопротивления. В то время как конструкции с воздушным охлаждением были распространены на легких и учебно-тренировочных 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 решена введением в 1929 году капота NACA , который значительно снизил сопротивление двигателей с воздушным охлаждением, несмотря на их большую лобовую площадь, и сопротивление, связанное с охлаждением, на тот момент было в основном равномерным. [4]
В конце 1920-х — в 1930-х годах ряд европейских компаний внедрили системы охлаждения, которые поддерживали воду под давлением, что позволяло ей достигать гораздо более высоких температур без кипения, отводя больше тепла и тем самым уменьшая требуемый объем воды и размер радиатора. на целых 30%. Они также могли бы полностью отказаться от радиатора, используя испарительное охлаждение , позволяя ему превращаться в пар и пропускать пар через трубы, расположенные прямо под обшивкой крыльев и фюзеляжа, где быстро движущийся наружный воздух конденсирует 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 ряду причин. [5]
В 1929 году Кертисс начал эксперименты по замене воды этиленгликолем 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 оказались 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 первоначально он использовался только в США, а вскоре после этого его переняла Allison Engines . Лишь в середине 1930-х годов компания Rolls-Royce приняла его на вооружение, поскольку поставки улучшились, переведя все свои двигатели на гликоль. Благодаря гораздо меньшим радиаторам и меньшему количеству жидкости в системе вес и сопротивление этих конструкций были значительно ниже современных конструкций с воздушным охлаждением. В расчете на вес эти конструкции с жидкостным охлаждением обеспечивали производительность на 30 % выше. [6]
В конце и послевоенное время область высоких характеристик быстро перешла к реактивным двигателям . Это лишило основной рынок двигателей с жидкостным охлаждением последних моделей. Те роли, которые остались с поршневыми двигателями, были в основном более медленными конструкциями и гражданскими самолетами. В этих целях простота и сокращение потребностей в обслуживании гораздо важнее сопротивления, и с конца войны почти все поршневые авиационные двигатели, за некоторыми исключениями, имели воздушное охлаждение. [6]
По состоянию на 2020 год [обновлять]большая часть двигателей производства Lycoming и Continental используется крупными производителями лёгких самолётов Cirrus , Cessna и так далее. Другими производителями двигателей, использующими технологию двигателей с воздушным охлаждением, 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, производства Deutz AG и Lister Petter, имеют воздушное охлаждение. Пожалуй, единственный большой грузовой двигатель с воздушным охлаждением стандарта Евро-5 (V8 мощностью 320 кВт и крутящим моментом 2100 Н·м) производит компания Tatra .
Стационарные или портативные двигатели были коммерчески представлены в начале 1900-х годов. Первое коммерческое производство было произведено компанией New Way Motor Company из Лансинга, штат Мичиган, США. Компания производила одноцилиндровые и двухцилиндровые двигатели воздушного охлаждения как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением цилиндров. После их первоначальной продукции, которая экспортировалась по всему миру, другие компании воспользовались преимуществами этого метода охлаждения, особенно в небольших портативных двигателях. Область применения включает косилки, генераторы, подвесные моторы, насосные агрегаты, пилорамы, вспомогательные электростанции и многое другое.