Для охлаждения двигателя внутреннего сгорания используется воздух или жидкость для отвода отработанного тепла от двигателя внутреннего сгорания . Для двигателей небольшого или специального назначения охлаждение воздухом из атмосферы обеспечивает легкую и относительно простую систему. Водные суда могут использовать воду непосредственно из окружающей среды для охлаждения своих двигателей. В двигателях с водяным охлаждением самолетов и наземных транспортных средств отходящее тепло передается из замкнутого контура воды, прокачиваемой через двигатель, в окружающую атмосферу с помощью радиатора .
Вода имеет более высокую теплоемкость , чем воздух, и поэтому может быстрее отводить тепло от двигателя, но радиатор и насосная система увеличивают вес, сложность и стоимость. Двигатели большей мощности выделяют больше отходящего тепла, но могут перемещать больший вес, а это означает, что они обычно имеют водяное охлаждение. Радиальные двигатели позволяют воздуху обтекать каждый цилиндр напрямую, что дает им преимущество в воздушном охлаждении перед прямыми двигателями , плоскими двигателями и V-образными двигателями . Роторные двигатели имеют аналогичную конфигурацию, но цилиндры также постоянно вращаются, создавая поток воздуха, даже когда автомобиль неподвижен.
При проектировании самолетов в большей степени предпочтение отдается 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 их в значительной степени не заменили газотурбинные двигатели. Современные винтовые самолеты с двигателями внутреннего сгорания по-прежнему в основном имеют воздушное охлаждение. Современные автомобили обычно предпочитают мощность, а не вес, 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 энергию, извлекая энергию из тепловых потоков, подобно тому, как водяное колесо извлекает механическую энергию из потока массы, падающей на расстояние. Двигатели неэффективны, поэтому в двигатель поступает больше тепловой энергии, чем выделяется в виде механической энергии; разница заключается в отходящем тепле , которое необходимо отводить. Двигатели внутреннего сгорания отводят отработанное тепло за счет холодного всасываемого воздуха, горячих выхлопных газов и непосредственного охлаждения двигателя.
Двигатели с более высоким КПД имеют больше энергии, выделяемой на механическое движение, и меньше — на отходящее тепло. Некоторое количество отработанного тепла необходимо: оно проводит тепло через двигатель, подобно тому, как водяное колесо работает только в том случае, если в сточных водах есть некоторая скорость на выходе (энергия), которая уносит их и освобождает место для большего количества воды. Таким образом, для работы всех тепловых двигателей необходимо охлаждение.
Охлаждение также необходимо, поскольку высокие температуры повреждают материалы и смазочные материалы двигателя и становятся еще более важными в жарком климате. [2] Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо, температура которого превышает температуру плавления материалов двигателя, и достаточно горячее, чтобы воспламенить смазочные материалы. Охлаждение двигателя отнимает энергию достаточно быстро, чтобы поддерживать низкую температуру и обеспечить выживаемость двигателя. [3]
Некоторые высокоэффективные двигатели работают без непосредственного охлаждения и лишь с побочной потерей тепла. Такая конструкция называется адиабатической . Такие двигатели могут достигать высокой эффективности, но при этом снижать выходную мощность, рабочий цикл, вес двигателя, долговечность и выбросы. [ нужна цитата ]
Большинство двигателей внутреннего сгорания имеют жидкостное охлаждение 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. Воду можно использовать непосредственно для охлаждения двигателя, но она часто содержит осадок, который может засорить каналы охлаждающей жидкости, или химические вещества, такие как соль, которые могут химически повредить двигатель. Таким образом, охлаждающая жидкость двигателя может протекать через теплообменник, охлаждаемый водной массой.
В большинстве двигателей с жидкостным охлаждением используется смесь воды и химикатов, таких как антифриз и ингибиторы ржавчины. Промышленный термин для обозначения смеси антифриза — «охлаждающая жидкость двигателя». В некоторых антифризах вода вообще не используется, вместо этого используется жидкость с другими свойствами, например пропиленгликоль или комбинация пропиленгликоля и этиленгликоля . В большинстве двигателей с воздушным охлаждением используется жидкостное масляное охлаждение для поддержания приемлемой температуры как критически важных частей двигателя, так и самого масла. В большинстве двигателей с жидкостным охлаждением используется некоторое воздушное охлаждение, при этом воздух в такте впуска охлаждает камеру сгорания. Исключением является двигатель Ванкеля , в котором некоторые части камеры сгорания никогда не охлаждаются за счет впуска, 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 часть. Поэтому крайне важно, чтобы система охлаждения поддерживала все детали при достаточно низких температурах. Двигатели с жидкостным охлаждением могут изменять размер каналов в блоке цилиндров, чтобы поток охлаждающей жидкости можно было адаптировать к потребностям каждой зоны. В местах с высокими пиковыми температурами (узкие островки вокруг камеры сгорания) или с высоким тепловым потоком (вокруг выхлопных отверстий) может потребоваться усиленное охлаждение. Это уменьшает возникновение горячих точек, которых труднее избежать при воздушном охлаждении. Двигатели с воздушным охлаждением также могут варьировать свою охлаждающую способность за счет использования более близко расположенных охлаждающих ребер в этой области, но это может затруднить их производство и сделать его 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 использовать смазочное масло в качестве охлаждающей жидкости или иметь очень ограниченную проводимость в блок и, следовательно, в основную охлаждающую жидкость. В высокопроизводительных двигателях часто используется дополнительное количество масла, превышающее количество, необходимое для смазки, которое распыляется вверх на нижнюю часть поршня только для дополнительного охлаждения. Мотоциклы с воздушным охлаждением часто в значительной степени полагаются на масляное охлаждение в дополнение к воздушному охлаждению цилиндров цилиндров.
Двигатели с жидкостным охлаждением обычно имеют циркуляционный насос. Первые двигатели использовали только термосифонное охлаждение, при котором горячая охлаждающая жидкость покидала верхнюю часть блока цилиндров и попадала в радиатор, где охлаждалась, прежде чем вернуться в нижнюю часть двигателя. Циркуляция осуществлялась только за счет конвекции.
Другие требования включают стоимость, вес, надежность и долговечность самой системы охлаждения.
Кондуктивная теплопередача пропорциональна разнице температур между материалами. Если температура металла двигателя 250 °С, а температура воздуха 20 °С, то разница температур охлаждения составляет 230 °С. Двигатель с воздушным охлаждением использует всю эту разницу. Напротив, двигатель с жидкостным охлаждением может передавать тепло от двигателя к жидкости, нагревая жидкость до 135 °C (стандартная температура кипения воды в 100 °C может быть превышена, поскольку система охлаждения находится под давлением и использует смесь с антифриз), который затем охлаждается воздухом температурой 20 °C. На каждом этапе двигатель с жидкостным охлаждением имеет половину разницы температур, 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 сравнения воды и масла в качестве охлаждающих жидкостей: один грамм масла может поглотить около 55% тепла при том же повышении температуры (так называемая удельная теплоемкость ). Плотность нефти составляет около 90% от плотности воды, поэтому данный объем нефти может поглотить только около 50% энергии того же объема воды. Теплопроводность воды примерно в четыре раза выше теплопроводности масла, что может способствовать теплопередаче. Вязкость масла может быть в десять раз выше, чем у воды, что увеличивает энергию, необходимую для перекачки масла для охлаждения, и снижает полезную выходную мощность двигателя.
По сравнению с воздухом и водой, воздух имеет значительно меньшую теплоемкость на грамм и объем (4000) и менее чем в десятую часть проводимости, но также 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 расчеты из двух параграфов выше, для воздушного охлаждения требуется в десять раз больше площади поверхности, следовательно, и ребер, а для воздуха требуется скорость потока, в 2000 раз превышающая скорость, и, следовательно, вентилятор рециркуляционного воздуха требует в десять раз большей мощности, чем насос рециркуляции воды.
Перемещение тепла из цилиндра на большую площадь 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 необходима для охлаждения двигателя. Преимущество этого метода заключается в том, что он поглощает большое количество энергии при очень небольшом повышении температуры (так называемое теплота парообразования ), что хорошо для сохранения 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 недостаточно охлажден. Однако когда вода закипает, она становится изолятором, что приводит к внезапной потере охлаждения и образованию пузырьков пара. Пар может вернуться в воду при смешивании с другой охлаждающей жидкостью, поэтому указатель температуры двигателя может показывать приемлемую температуру, даже если местные температуры достаточно высоки, чтобы нанести ущерб.
Двигателю нужны разные температуры. Впускное отверстие, включая компрессор турбины, а также впускные патрубки и впускные клапаны, должно быть как можно более холодным. Противоточный теплообменник с принудительным охлаждением воздухом справляется со своей задачей. 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 выхлопных газов и турбины турбокомпрессора уменьшает количество мощности, доступной турбине, поэтому выхлопную систему часто изолируют между двигателем и турбокомпрессором, чтобы выхлопные газы оставались как можно более горячими.
Температура охлаждающего воздуха может варьироваться от значительно ниже нуля до 50 °C. Кроме того, в то время как двигатели на дальнемагистральных судах или железнодорожных перевозках могут работать с постоянной нагрузкой, дорожные транспортные средства часто испытывают сильно меняющуюся и быстро меняющуюся нагрузку. Таким образом, система охлаждения предназначена для изменения охлаждения, чтобы двигатель не был ни слишком горячим, ни слишком холодным. Регулирование системы охлаждения включает в себя регулируемые перегородки в потоке воздуха (иногда называемые «жалюзи» и обычно управляемые пневматическим «заслонками»); 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, когда она слишком холодная. Кроме того, двигатель, охлаждающая жидкость и теплообменник обладают некоторой теплоемкостью, которая сглаживает повышение температуры при коротких спринтах. Некоторые средства управления двигателем отключают двигатель или ограничивают его работу наполовину, если он перегревается. Современные электронные средства управления двигателем регулируют охлаждение в зависимости от положения дроссельной заслонки, чтобы предвидеть повышение температуры, и ограничивают выходную мощность двигателя, чтобы компенсировать ограниченное охлаждение.
Наконец, при проектировании системы охлаждения могут доминировать и другие проблемы. Например, воздух является относительно плохим хладагентом, но системы воздушного охлаждения просты, и частота отказов обычно возрастает пропорционально квадрату количества точек отказа. Кроме того, мощность охлаждения лишь незначительно снижается из-за небольших утечек охлаждающей жидкости. Там, где надежность имеет первостепенное значение, например, в самолетах, хорошим компромиссом может быть отказ от эффективности, долговечности (интервал между ремонтами двигателей) и бесшумности ради достижения несколько более высокой надежности; последствия поломки авиадвигателя настолько серьезны, что даже незначительное повышение надежности стоит того, чтобы ради его достижения отказаться от других хороших свойств.
Обычно используются двигатели с воздушным и жидкостным охлаждением . Каждый принцип имеет преимущества и недостатки, и в конкретных приложениях один из них может иметь преимущество перед другим. Например, в большинстве легковых и грузовых автомобилей используются двигатели жидкостного охлаждения, тогда как во многих двигателях небольших самолетов и недорогих двигателей используется воздушное охлаждение.
Трудно делать обобщения относительно двигателей воздушного и жидкостного охлаждения. Дизельные двигатели с воздушным охлаждением выбираются из соображений надежности даже в сильную жару, поскольку воздушное охлаждение проще и эффективнее справляется с экстремальными температурами в разгар зимы и в разгар лета, чем системы водяного охлаждения, и часто используются. в ситуациях, когда двигатель работает без присмотра в течение нескольких месяцев. [4]
Аналогично, обычно желательно минимизировать количество стадий теплопередачи, чтобы максимизировать разницу температур на каждой стадии. Однако в двухтактных двигателях Detroit Diesel обычно используется масло, охлаждаемое водой, а вода, в свою очередь, охлаждается воздухом. [5]
Охлаждающую жидкость , используемую во многих двигателях с жидкостным охлаждением, необходимо периодически заменять, и она может замерзнуть при обычных температурах, что приведет к необратимому повреждению двигателя при ее 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 является жидкой до −55 ° C, что ниже, чем во многих двигателях; слегка сжимается при кристаллизации, что позволяет избежать повреждений; и имеет срок службы более 10 000 часов, что практически соответствует сроку службы многих двигателей.
Обычно труднее добиться низкого уровня выбросов или низкого шума от двигателя с воздушным охлаждением - 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 мощность больших двигателей с жидкостным охлаждением превышает 80 МВт (107 000 л.с.) ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 14). двухцилиндровый дизель).
Легковые и грузовые автомобили, использующие прямое воздушное охлаждение (без промежуточной жидкости), строились в течение длительного периода с самого начала и заканчивая небольшим и вообще непризнанным техническим изменением. До Второй мировой войны легковые и грузовые автомобили с водяным охлаждением регулярно перегревались при подъеме по горным дорогам, создавая гейзеры кипящей охлаждающей воды. Это считалось нормальным, и в то время на большинстве известных горных дорог были авторемонтные мастерские, которые занимались перегревом двигателей.
ACS (Auto Club Suisse) хранит исторические памятники той эпохи на перевале Сустен , где сохранились две станции заправки радиаторов. У них есть инструкции на литой металлической табличке и лейке со сферическим дном, висящей рядом с водопроводным краном. Сферическое дно предназначалось для того, чтобы предотвратить его бесполезное использование в доме, несмотря на то, что, как показано на рисунке, оно было украдено.
В тот период европейские фирмы, такие как Magirus-Deutz, производили дизельные грузовики с воздушным охлаждением, Porsche производили сельскохозяйственные тракторы с воздушным охлаждением [6] , а Volkswagen прославился своими легковыми автомобилями с воздушным охлаждением. В США Франклин производил двигатели воздушного охлаждения.
В течение многих лет воздушное охлаждение было предпочтительным для военного применения, поскольку системы жидкостного охлаждения более уязвимы к повреждениям осколками .
Чешская компания Tatra известна своими автомобильными двигателями V8 с воздушным охлаждением большого объема ; Инженер Tatra Юлиус Маккерле опубликовал об этом книгу. Двигатели с воздушным охлаждением лучше адаптированы к чрезвычайно холодным и жарким погодным температурам окружающей среды: вы можете видеть, как двигатели с воздушным охлаждением запускаются и работают в условиях замерзания, которые блокируют двигатели с водяным охлаждением и продолжают работать, когда двигатели с водяным охлаждением начинают производить паровые струи. Двигатели с воздушным охлаждением, возможно, имеют преимущество с термодинамической точки зрения из-за более высокой рабочей температуры. Наихудшей проблемой, возникающей в авиационных двигателях с воздушным охлаждением, было так называемое « ударное охлаждение », когда самолет входил в пикирование после набора высоты или в горизонтальном полете с открытой дроссельной заслонкой, при этом двигатель не находился под нагрузкой, а самолет пикировал, выделяя меньше тепла. и поток воздуха, охлаждающего двигатель, увеличивается, может произойти катастрофический отказ двигателя, поскольку разные части двигателя имеют разную температуру и, следовательно, разное тепловое расширение. В таких условиях двигатель может заклинить, и любое внезапное изменение или дисбаланс в соотношении между теплом, выделяемым двигателем, и теплом, рассеиваемым при охлаждении, может привести к повышенному износу двигателя, как следствие также разницы в тепловом расширении между частями двигателя. , двигатели с жидкостным охлаждением, имеющие более стабильную и равномерную рабочую температуру.
Сегодня большинство автомобильных и более крупных двигателей внутреннего сгорания имеют жидкостное охлаждение. [7] [8] [9]
.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 и т. д.). На судах для охлаждения в основном используется сама морская вода. В некоторых случаях также используются химические охлаждающие жидкости (в закрытых системах) или смешиваются с охлаждением морской водой. [10] [11]
Смена воздушного охлаждения на жидкостное произошло в начале Второй мировой войны, когда военным США понадобились надежные машины. Тему кипящих двигателей рассмотрели, исследовали и нашли решение. Предыдущие радиаторы и блоки двигателя были правильно спроектированы и выдержали испытания на долговечность, но в них использовались водяные насосы с негерметичным «веревочным» уплотнением ( сальником ) с графитовой смазкой на валу насоса. Уплотнение было унаследовано от паровых двигателей, в которых допускается потеря воды, поскольку паровые машины уже расходуют большие объемы воды. Поскольку уплотнение насоса протекало в основном, когда насос работал и двигатель был горячим, потеря воды испарялась незаметно, оставляя в лучшем случае небольшой ржавый след, когда двигатель останавливался и охлаждался, тем самым не выявляя значительных потерь воды. Автомобильные радиаторы (или теплообменники ) имеют выпускное отверстие, по которому охлажденная вода подается в двигатель, а двигатель имеет выпускное отверстие, по которому нагретая вода подается в верхнюю часть радиатора. Циркуляции воды способствует роторный насос, который оказывает лишь незначительное влияние, поскольку ему приходится работать в таком широком диапазоне скоростей, что его крыльчатка оказывает лишь минимальное воздействие в качестве насоса. Во время работы из-за протекающего уплотнения насоса охлаждающая вода сливалась до уровня, при котором насос больше не мог возвращать воду в верхнюю часть радиатора, поэтому циркуляция воды прекратилась, и вода в двигателе закипела. Однако, поскольку потеря воды привела к перегреву и дальнейшей потере воды из-за выкипания, первоначальная потеря воды была скрыта.
После устранения проблемы с насосом легковые и грузовые автомобили, построенные для военных нужд (в то время гражданских автомобилей не производилось), были оснащены водяными насосами с углеродным уплотнением, которые не протекали и не вызывали гейзеров. Между тем, воздушное охлаждение развивалось в память о кипящих двигателях, хотя выкипание больше не было распространенной проблемой. Двигатели с воздушным охлаждением стали популярны по всей Европе. После войны Volkswagen рекламировался в США как не выкипающий, хотя новые автомобили с водяным охлаждением больше не выкипали, но автомобили хорошо продавались. Но когда в 1960-е годы возросло понимание качества воздуха и были приняты законы, регулирующие выбросы выхлопных газов, неэтилированный газ заменил этилированный газ, а более обедненные топливные смеси стали нормой. Subaru выбрала жидкостное охлаждение для своего (плоского) двигателя серии EA , когда он был представлен в 1966 году .
Особый класс экспериментальных прототипов поршневых двигателей внутреннего сгорания разрабатывался в течение нескольких десятилетий с целью повышения эффективности за счет снижения тепловых потерь. [12] Двигатели по-разному называют адиабатическими двигателями из-за лучшего приближения к адиабатическому расширению, двигателям с низким отводом тепла или высокотемпературным двигателям. [13] Обычно это дизельные двигатели, детали камеры сгорания которых покрыты керамическим термобарьерным покрытием. [14] Некоторые используют титановые поршни и другие титановые детали из-за их низкой теплопроводности [15] и массы. Некоторые конструкции способны вообще исключить использование системы охлаждения и связанные с ней паразитные потери. [16] Разработка смазочных материалов, способных выдерживать более высокие температуры, стала основным препятствием на пути коммерциализации. [17]
