Охлаждение двигателя внутреннего сгорания - Internal combustion engine cooling
Для охлаждения двигателя внутреннего сгорания используется воздух или жидкость для отвода отработанного тепла из двигателя внутреннего сгорания . Для небольших двигателей или двигателей специального назначения охлаждение атмосферным воздухом делает систему легкой и относительно простой. Гидроциклы могут использовать воду непосредственно из окружающей среды для охлаждения двигателей. В двигателях 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 увеличивают вес, сложность и стоимость. Двигатели большей мощности выделяют больше тепла, но могут перемещать больший вес, что означает, что они, как правило, имеют водяное охлаждение. Радиальные двигатели позволяют воздуху обтекать каждый цилиндр напрямую, что дает им преимущество для воздушного охлаждения по сравнению с прямыми двигателями , плоскими двигателями и V-образными двигателями . Роторные двигатели имеют аналогичную конфигурацию, но цилиндры также постоянно вращаются, создавая воздушный поток, даже когда автомобиль неподвижен.
Конструкция самолета в большей степени отдает предпочтение конструкции с меньшим весом и воздушным охлаждением. Роторные двигатели были популярны на самолетах до конца Первой мировой войны , но у них были серьезные проблемы со стабильностью и эффективностью. Радиальные двигатели были популярны до конца Второй мировой войны , пока их не заменили газотурбинные двигатели. Современные винтовые самолеты с двигателями внутреннего сгорания все еще имеют воздушное охлаждение. Современные автомобили обычно предпочитают мощность над весом и обычно имеют двигатели с водяным охлаждением. Современные мотоциклы легче автомобилей, и распространены оба метода охлаждения. Некоторые спортивные мотоциклы охлаждались как воздухом, так и маслом ( распыляемым под головки поршней ).
Обзор
Тепловые двигатели вырабатывают механическую энергию, извлекая энергию из тепловых потоков, подобно тому, как водяное колесо извлекает механическую энергию из потока массы, падающего на расстояние. Двигатели неэффективны, поэтому в двигатель поступает больше тепловой энергии, чем выходит в виде механической энергии; разница заключается в отходящем тепле, которое необходимо удалить. Двигатели внутреннего сгорания отводят отработанное тепло за счет холодного всасываемого воздуха, горячих выхлопных газов и явного охлаждения двигателя.
У двигателей с более высоким КПД больше энергии остается в виде механического движения и меньше в виде отработанного тепла. Некоторое количество отработанного тепла имеет важное значение: оно направляет тепло через двигатель, подобно тому, как водяное колесо работает, только если в сточной воде есть некоторая выходная скорость (энергия), которая уносит ее и освобождает место для большего количества воды. Таким образом, все тепловые двигатели для работы нуждаются в охлаждении.
Охлаждение также необходимо, потому что высокие температуры повреждают материалы двигателя и смазочные материалы и становятся еще более важными в жарком климате. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо более горячим, чем температура плавления материалов двигателя, и достаточно горячим, чтобы поджечь смазочные материалы. Охлаждение двигателя отводит энергию достаточно быстро, чтобы поддерживать низкие температуры, чтобы двигатель мог выжить.
Некоторые высокоэффективные двигатели работают без явного охлаждения и только со случайными потерями тепла, конструкция называется адиабатической . Такие двигатели могут достигать высокого КПД, но при этом снижается выходная мощность, рабочий цикл, вес двигателя, долговечность и выбросы.
Основные принципы
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 при подходящей температуре. Воду можно использовать непосредственно для охлаждения двигателя, но часто она 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 проходить через теплообменник, охлаждаемый массой воды.
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». Некоторые антифризы вообще не используют воду, вместо этого используются жидкости с другими свойствами, такие как пропиленгликоль или комбинация пропиленгликоля и этиленгликоля . В большинстве двигателей с воздушным охлаждением используется жидкостное масляное охлаждение для поддержания приемлемых температур как критических деталей двигателя, так и самого масла. В большинстве двигателей с жидкостным охлаждением используется некоторое воздушное охлаждение, при этом на впуске воздух охлаждает камеру сгорания. Исключение составляют двигатели Ванкеля , в которых некоторые части камеры сгорания никогда не охлаждаются за счет впуска, что требует дополнительных усилий для успешной работы.
К системе охлаждения предъявляется много требований. Одним из ключевых требований является надлежащее обслуживание всего двигателя, поскольку весь двигатель выходит из строя, если перегревается хотя бы одна его часть. Следовательно, жизненно важно, чтобы система охлаждения поддерживала все части при достаточно низких температурах. Двигатели с жидкостным охлаждением могут изменять размер своих проходов через блок цилиндров, так что поток охлаждающей жидкости может быть адаптирован к потребностям каждой области. В местах с высокими пиковыми температурами (узкие островки вокруг камеры сгорания) или с высоким тепловым потоком (вокруг выхлопных отверстий) может потребоваться обильное охлаждение. Это уменьшает возникновение горячих точек, которых труднее избежать с помощью воздушного охлаждения. Двигатели с воздушным охлаждением также могут варьировать свою охлаждающую способность за счет использования более близко расположенных охлаждающих ребер в этой области, но это может сделать их производство сложным и дорогостоящим.
Только неподвижные части двигателя, такие как блок и головка, охлаждаются непосредственно основной системой охлаждающей жидкости. 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 ограниченную теплопроводность в блок и, следовательно, в основную охлаждающую жидкость. В высокоэффективных двигателях часто используется дополнительное масло сверх количества, необходимого 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.
Двигатели с жидкостным охлаждением обычно имеют циркуляционный насос. Первые двигатели полагались только на термосифонное охлаждение, когда горячая охлаждающая жидкость покидала верхнюю часть блока цилиндров и проходила в радиатор, где она охлаждалась, прежде чем вернуться в нижнюю часть двигателя. Циркуляция обеспечивалась только конвекцией.
Другие требования включают стоимость, вес, надежность и долговечность самой системы охлаждения.
Кондуктивная теплопередача пропорциональна разнице температур между материалами. Если температура металла двигателя 250 ° C, а температура воздуха 20 ° C, то разница температур для охлаждения составляет 230 ° C. Все это отличие используется в двигателе с воздушным охлаждением. Напротив, двигатель с жидкостным охлаждением может отдавать тепло от двигателя к жидкости, нагревая жидкость до 135 ° C (стандартная точка кипения воды 100 ° C может быть превышена, поскольку система охлаждения находится под давлением и использует смесь с антифриз), который затем охлаждают воздухом с 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. Например, сравнивая воду и масло в качестве охлаждающих жидкостей, один грамм масла может поглощать около 55% тепла при одинаковом повышении температуры (так называемая удельная теплоемкость ). Плотность масла составляет около 90% от плотности воды, поэтому данный объем масла может поглотить только около 50% энергии того же объема воды. Теплопроводность воды составляет примерно в четыре раза больше нефти, которые могут помочь теплопередаче. Вязкость масла может быть в десять раз больше, чем у воды, что увеличивает энергию, необходимую для перекачивания масла для охлаждения, и снижает полезную выходную мощность двигателя.
Сравнивая воздух и воду, воздух имеет значительно более низкую теплоемкость на грамм и на единицу объема (4000) и менее одной десятой проводимости, но также гораздо более низкую вязкость (примерно в 200 раз ниже: 17,4 × 10 -6 Па · с для воздуха по сравнению с 8,94). × 10 -4 Па · с для воды). Продолжая расчет из двух абзацев выше, для воздушного охлаждения требуется в десять раз больше площади поверхности, поэтому ребрам и воздуху требуется в 2000 раз больше скорости потока, и, таким образом, для вентилятора рециркуляции воздуха требуется в десять раз больше мощности, чем для насоса рециркуляции воды.
Перемещение тепла от цилиндра к большой площади поверхности для воздушного охлаждения может вызвать проблемы, такие как трудности при изготовлении форм, необходимых для хорошей теплопередачи, и пространства, необходимого для свободного прохождения большого объема воздуха. Вода кипит примерно при той же температуре, что и для охлаждения двигателя. Это имеет то преимущество, что он поглощает большое количество энергии при очень небольшом повышении температуры (так называемое тепло испарения ), что хорошо для охлаждения вещей, особенно для пропускания одного потока охлаждающей жидкости над несколькими горячими объектами и достижения однородной температуры. Напротив, пропускание воздуха над несколькими горячими объектами последовательно нагревает воздух на каждом этапе, поэтому первый может быть переохлажден, а последний - недостаточно. Однако, как только вода закипает, она становится изолятором, что приводит к внезапной потере охлаждения, когда образуются пузырьки пара. Пар может вернуться в воду при смешивании с другой охлаждающей жидкостью, поэтому датчик температуры двигателя может указывать на приемлемую температуру, даже если местные температуры достаточно высоки, чтобы причинить ущерб.
Двигателю нужна разная температура. Впускной канал, включая компрессор турбонагнетателя, а также впускные трубы и впускные клапаны, должны быть как можно более холодными. Противоточный теплообменник с принудительным охлаждением воздуха выполняет свою работу. Стенки цилиндров не должны нагревать воздух перед сжатием, но также не должны охлаждать газ при сгорании. Компромисс - температура стенок 90 ° C. Вязкость масла оптимизирована именно для этой температуры. Любое охлаждение выхлопных газов и турбины турбокомпрессора снижает количество энергии, доступной турбине, поэтому выхлопная система часто изолирована между двигателем и турбокомпрессором, чтобы выхлопные газы оставались максимально горячими.
Температура охлаждающего воздуха может варьироваться от значительно ниже точки замерзания до 50 ° C. Кроме того, в то время как двигатели в судах дальнего следования или железнодорожном сообщении могут работать при постоянной нагрузке, дорожные транспортные средства часто испытывают сильно изменяющуюся и быстро меняющуюся нагрузку. Таким образом, система охлаждения предназначена для изменения охлаждения, поэтому двигатель не будет ни слишком горячим, ни слишком холодным. Регулировка системы охлаждения включает регулируемые перегородки в воздушном потоке (иногда называемые «заслонками» и обычно управляемые пневматическим «заслонкой»); вентилятор, который работает либо независимо от двигателя, например электрический вентилятор, либо с регулируемой муфтой; термостатический клапан или термостат , который может блокировать поток охлаждающей жидкости , когда слишком остыть. Кроме того, двигатель, охлаждающая жидкость и теплообменник обладают некоторой теплоемкостью, которая сглаживает повышение температуры во время коротких спринтов. Некоторые органы управления двигателем отключают двигатель или ограничивают его до половины, если он перегревается. Современные электронные средства управления двигателем регулируют охлаждение на основе дроссельной заслонки, чтобы предвидеть повышение температуры, и ограничивают выходную мощность двигателя, чтобы компенсировать конечное охлаждение.
Наконец, при проектировании системы охлаждения могут преобладать другие проблемы. Например, воздух - относительно плохой хладагент, но системы воздушного охлаждения просты, и частота отказов обычно возрастает как квадрат количества точек отказа. Кроме того, охлаждающая способность 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 двигателя) и бесшумности для достижения немного более высокой надежности; Последствия поломки авиационного двигателя настолько серьезны, что даже небольшое повышение надежности стоит того, чтобы добиться этого, отказавшись от других хороших свойств.
Обычно используются двигатели с воздушным и жидкостным охлаждением . У каждого принципа есть свои преимущества и недостатки, и в конкретных приложениях один может иметь преимущество перед другим. Например, в большинстве легковых и грузовых автомобилей используются двигатели с жидкостным охлаждением, в то время как многие небольшие самолеты и недорогие двигатели имеют воздушное охлаждение.
Трудности обобщения
О двигателях с воздушным и жидкостным охлаждением делать обобщения сложно. Дизельные двигатели с воздушным охлаждением выбираются из-за надежности даже в сильную жару, потому что воздушное охлаждение было бы проще и эффективнее справляться 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.
Точно так же 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.
Охлаждающая жидкость используется во многих двигателях жидкостного охлаждения должна периодически обновляться, и может замерзнуть при обычных температурах , таким образом , вызывая повреждение постоянного двигателя , когда он расширяется. 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 холоднее, 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 уровня шума от двигателя с воздушным охлаждением. Это еще две причины, по которым в большинстве дорожных транспортных средств используются 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).
Воздушное охлаждение
Легковые и грузовые автомобили, использующие прямое воздушное охлаждение (без промежуточной жидкости), строились в течение длительного периода с самого начала и заканчивая небольшими и, как правило, непризнанными техническими изменениями. Перед Второй мировой войной легковые и грузовые автомобили с водяным охлаждением обычно перегревались при подъеме по горным дорогам, создавая гейзеры кипящей охлаждающей воды. Это считалось нормальным, и в то время на большинстве известных горных дорог были автомастерские, которые занимались перегревом двигателей.
ACS (Auto Club Suisse) сохраняет исторические памятники той эпохи на перевале Susten Pass, где сохранились две станции заправки радиаторов. У них есть инструкции на литой металлической пластине и сферической нижней лейке, висящей рядом с водопроводным краном. Сферическое дно было предназначено для предотвращения его опускания и, следовательно, от использования в доме, несмотря на то, что оно было украдено, как показано на рисунке.
В этот период европейские фирмы, такие как Magirus-Deutz, производили дизельные грузовики с воздушным охлаждением, Porsche - сельскохозяйственные тракторы с воздушным охлаждением , а Volkswagen прославился своими легковыми автомобилями с воздушным охлаждением. В Соединенных Штатах Франклин построил двигатели с воздушным охлаждением.
В течение многих лет воздушное охлаждение использовалось в военных целях, так как системы жидкостного охлаждения более уязвимы для поражения осколками .
Чехия базовой компании Tatra известна своими большие смещения V8 автомобильных двигатели с воздушным охлаждением; Инженер Tatra Юлиус Маккерле опубликовал об этом книгу. Двигатели с воздушным охлаждением лучше приспособлены к экстремально холодным и жарким температурам окружающей среды: вы можете увидеть, 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 могут иметь преимущество с термодинамической точки зрения из-за более высокой рабочей температуры. Наихудшей проблемой, встречающейся в авиационных двигателях с воздушным охлаждением, было так называемое « шоковое охлаждение », когда самолет входил в пикирование после набора высоты или горизонтального полета с открытой дроссельной заслонкой, с двигателем без нагрузки, в то время как самолет пикировал, выделяя меньше тепла. и поток воздуха, который охлаждает двигатель, увеличивается, катастрофический отказ двигателя может привести к тому, что разные части двигателя будут иметь разные температуры и, следовательно, разные тепловые расширения. В таких условиях двигатель может заклинивать, 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 стабильные и однородные рабочие температуры.
Жидкостное охлаждение
Сегодня большинство автомобильных и более крупных двигателей внутреннего сгорания имеют жидкостное охлаждение.
.svg)
.svg)
Жидкостное охлаждение также используется в морских транспортных средствах (судах, ...). На судах для охлаждения в основном используется сама морская вода. В некоторых случаях также используются химические охлаждающие жидкости (в закрытых системах) или они смешиваются с охлаждающей морской водой.
Переход с воздушного охлаждения
Замена воздушного охлаждения жидкостным произошла в начале Второй мировой войны, когда американским военным потребовались надежные машины. Тема кипящих двигателей была рассмотрена, исследована и найдено решение. Предыдущие радиаторы и блоки двигателя были правильно спроектированы и выдержали испытания на долговечность, но использовались водяные насосы с негерметичным «канатным» уплотнением ( сальником ) с графитовой смазкой на валу насоса. Уплотнение унаследовано от паровых машин, где потеря воды допустима, поскольку паровые машины уже расходуют большие объемы воды. Поскольку уплотнение насоса протекало в основном при работающем насосе и горячем двигателе, потери воды испарялись незаметно, оставляя в лучшем случае небольшой ржавый след при остановке и охлаждении двигателя, тем самым не обнаруживая значительных потерь воды. Автомобильные радиаторы (или теплообменники ) имеют выпускное отверстие, через которое охлажденная вода подается в двигатель, а двигатель имеет выпускное отверстие, через которое нагретая вода поступает 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 влияние в качестве насоса. Во время работы протекающее уплотнение насоса сливало охлаждающую воду 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 автомобили и грузовики, построенные для военных действий (в то время не было построено никаких гражданских автомобилей), были оснащены водяными насосами с углеродным уплотнением, которые не протекали и не вызывали больше гейзеров. Между тем, воздушное охлаждение продвинулось вперед в памяти о закипающих двигателях ... хотя выкипание больше не было обычной проблемой. Двигатели с воздушным охлаждением стали популярными по всей Европе. После войны Volkswagen рекламировал в США, что он не выкипает, хотя новые автомобили с водяным охлаждением больше не выкипали, но эти автомобили хорошо продавались. Но по мере роста осведомленности о качестве воздуха в 1960-х годах и принятия законов, регулирующих выбросы выхлопных газов, неэтилированный газ заменил этилированный, и более бедные топливные смеси стали нормой. Subaru выбрала жидкостное охлаждение для своего (плоского) двигателя серии EA, когда он был представлен в 1966 году.
Двигатели с низким тепловыделением
Специальный класс экспериментальных прототипов поршневых двигателей внутреннего сгорания разрабатывался в течение нескольких десятилетий с целью повышения эффективности за счет снижения потерь тепла. Эти двигатели по-разному называются адиабатическими двигателями из-за лучшего приближения к адиабатическому расширению, двигателями с низким тепловыделением или высокотемпературными двигателями. Как правило, это дизельные двигатели, детали камеры сгорания которых покрыты керамическим термобарьерным покрытием. В некоторых используются титановые поршни и другие титановые детали из-за их низкой теплопроводности и массы. Некоторые конструкции могут полностью исключить использование системы охлаждения и связанные с ней паразитные потери. Разработка смазочных материалов, способных выдерживать более высокие температуры, стала серьезным препятствием для коммерциализации.
Смотрите также
использованная литература
Источники
- Biermann, Arnold E .; Эллерброк, Герман Х., младший (1939). Конструкция ребер цилиндров воздушного охлаждения (PDF) . NACA . Отчет №. 726.
- П. В. Ламарк: «Конструкция ребер охлаждения для моторных двигателей». Отчет Комитета автомобильных исследований, Журнал Института автомобильных инженеров , выпуск за март 1943 года, а также в «The Institution of Automobile Engineers Proceedings, XXXVII, Session 1942-43, стр. 99-134 и 309-312.
- «Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением», Джулиус Маккерле, штат Мэн; Charles Griffin & Company Ltd., Лондон, 1972 год.
- engineeringtoolbox.com о физических свойствах воздуха, масла и воды