Охлаждение двигателя внутреннего сгорания

редактировать

Охлаждение двигателя внутреннего сгорания использует воздух или жидкость для отвода отработанного тепла из двигателя внутреннего сгорания . Для двигателей малого или специального назначения охлаждение атмосферным воздухом делает систему легкой и относительно простой. Гидроцикл может использовать воду непосредственно из окружающей среды для охлаждения 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 увеличивают вес, сложность и стоимость. Двигатели большей мощности выделяют больше тепла, но могут перемещать больший вес, что означает, что они обычно 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 имели серьезные проблемы со стабильностью и эффективностью. Радиальные двигатели были популярны до конца Второй мировой войны, пока газотурбинные двигатели в основном не заменили их. 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 используются обе охлаждающие жидкости. Некоторые спортивные мотоциклы охлаждались как воздухом, так и маслом (, распыляемым под головки поршней ).

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Основные принципы
  • 3 Трудности обобщения
  • 4 Воздушное охлаждение
  • 5 Жидкостное охлаждение
  • 6 Переход с воздушного охлаждения
  • 7 Двигатели с низким тепловыделением
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Источники
  • 11 Внешние ссылки

Обзор

Тепловые двигатели вырабатывают механическую энергию, извлекая энергию из тепловых потоков, 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 составляет отходящее тепло, 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, так же 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 с 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 охлаждаются жидкостью с использованием либо воздух (газообразная среда), либо жидкий хладагент проходят 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 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. 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 приемлемых температур как критических деталей двигателя, так и самого масла. В большинстве двигателей с жидкостным охлаждением используется некоторое воздушное охлаждение, при этом такта впуска охлаждает камеру сгорания. Исключением являются 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 множество требований. Одним из ключевых требований является надлежащее обслуживание всего двигателя, поскольку весь двигатель выходит из строя, если перегревается хотя бы одна его часть. Поэтому 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 снижает вероятность возникновения горячих точек, которых труднее избежать с помощью воздушного охлаждения. Двигатели с воздушным охлаждением также могут варьировать 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 охлаждающей жидкости. Движущиеся части, такие как поршни и, в меньшей степени, кривошип и шатуны, должны полагаться на смазочное масло в качестве охлаждающей жидкости или на очень ограниченную проводимость в блоке и, следовательно, на основную охлаждающую жидкость. В двигателях с высокими рабочими характеристиками 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 двигателя 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 примерно в четыре раза больше, чем у масла, что может способствовать передаче тепла. 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.

По сравнению с воздухом и водой, воздух имеет значительно более низкую теплоемкость на грамм и на объем (4000) и менее одной десятой проводимости, но также гораздо более низкую вязкость (примерно в 200 раз меньше: 17,4 × 10 Па · с для воздуха по сравнению с 8,94 × 10 Па · с для воды). Продолжая вычисления из двух абзацев выше, для воздушного охлаждения требуется в десять раз больше площади поверхности, поэтому ребрам и воздуху требуется в 2000 раз скорость потока, и, таким образом, для вентилятора рециркуляции воздуха требуется в десять раз больше мощности, чем для насоса рециркуляции воды. Перенос тепла от цилиндра на большую площадь 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 с очень небольшим повышением температуры (так называемое теплотой испарения ), что хорошо для охлаждения вещей, особенно для прохождения одного потока охлаждающей жидкости над несколькими горячими объектами. и достижение однородной температуры. Напротив, прохождение воздуха над несколькими горячими объектами последовательно нагревает воздух на каждом этапе, поэтому первый может быть переохлажден, а последний - недостаточно. Однако когда вода закипает, она становится изолятором, что приводит к внезапной потере охлаждения, когда образуются пузырьки пара (подробнее см. теплопередача ). 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.

Двигатель требует разной температуры. Впускной канал, включая компрессор турбонагнетателя, а также впускные трубы и впускные клапаны, должны быть как можно более холодными. Свою работу выполняет противоточный теплообмен с принудительным охлаждением воздуха. 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 турбонагнетателя 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 нуля 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 просто «термостат», который может блокировать поток охлаждающей жидкости, когда он слишком холодный. Кроме того, двигатель, охлаждающая жидкость и теплообменник обладают некоторой теплоемкостью, которая сглаживает повышение температуры во время коротких спринтов. Некоторые органы управления двигателем выключают 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 является относительно плохим хладагентом, но системы воздушного охлаждения просты, и частота отказов обычно возрастает пропорционально квадрату 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.

Двигатели с воздушным охлаждением и с жидкостным охлаждением используются обычно. 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, тогда как во многих небольших самолетах и недорогих двигателях используется воздушное охлаждение.

Трудности обобщения

Трудно делать обобщения относительно двигателей с воздушным и жидкостным охлаждением. Дизельные двигатели с воздушным охлаждением выбираются из-за надежности даже в условиях сильной жары, потому что воздушное охлаждение будет проще и эффективнее справляться с экстремальными температурами в разгар зимы и в разгар лета, чем водяное охлаждение. системы, и часто используются в ситуациях, когда двигатель работает без присмотра в течение нескольких месяцев.

Подобным образом 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, используемая во многих жидкостях: охлаждаемые двигатели необходимо периодически заменять, так как они могут замерзнуть при обычных температурах, что приведет к необратимым повреждениям двигателя при 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 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

Цилиндр авиационного двигателя с воздушным охлаждением, Continental C85. Обратите внимание на ряды ребер на корпусе цилиндра из стали и на головке блока цилиндров из алюминия . Ребра обеспечивают дополнительную площадь поверхности для прохождения воздуха по цилиндру и поглощения тепла.

Легковые и грузовые автомобили, использующие прямое воздушное охлаждение (без промежуточной жидкости), строились в течение длительного периода времени с самого начала и до небольших и обычно нераспознанное техническое изменение. 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) поддерживает исторические памятники той эпохи на Susten Pass, где остались 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 прославилась воздушным охлаждением. -охлаждаемые легковые автомобили. В Соединенных Штатах Франклин построил двигатели с воздушным охлаждением.

В течение многих лет воздушное охлаждение использовалось в военных целях, поскольку системы жидкостного охлаждения более уязвимы для шрапнели.

Чешская Республика - компания Tatra известен своими автомобильными двигателями V8 с воздушным охлаждением большого объема; 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 струи пара. Двигатели с воздушным охлаждением могут иметь преимущество с термодинамической точки зрения из-за более высокой рабочей температуры. Наихудшей проблемой авиационных двигателей с воздушным охлаждением была так называемая «ударное охлаждение », когда самолет входил в пикирование после набора высоты или горизонтального полета с открытой дроссельной заслонкой, когда двигатель находился без нагрузки, а самолет ныряет, выделяя меньше тепла, и поток воздуха, охлаждающего 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 различий в тепловом расширении между частями двигателя. двигатели с жидкостным охлаждением, имеющие более стабильные и однородные рабочие температуры.

Жидкостное охлаждение

Типичный радиатор охлаждающей жидкости двигателя, используемый в автомобиле Охлаждающая жидкость заливается в радиатор автомобиля

Сегодня большинство автомобильных и более крупных двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.

Полностью закрытая система охлаждения двигателя внутреннего сгорания Открытая система охлаждения двигателя внутреннего сгорания Полузакрытая система охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Жидкостное охлаждение также используется в морских транспортных средствах (судах,...). На судах для охлаждения в основном используется морская вода. В некоторых случаях также используются химические охлаждающие жидкости (в закрытых системах) или они смешиваются с охлаждением морской водой.

Переход от воздушного охлаждения

Переход от воздушного охлаждения к жидкостному охлаждению произошел в начале Второй мировой войны, когда американские военные нуждались в надежных транспортных средствах. Вопрос о кипящих двигателях был изучен, исследован и найдено решение. Предыдущие радиаторы и блоки цилиндров были должным образом спроектированы и выдержали испытания на долговечность, но использовались водяные насосы с негерметичным графитовым смазываемым «тросовым» уплотнением (сальник ) 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 показывая значительных потерь воды. Автомобильные радиаторы (или теплообменники ) имеют выходное отверстие для подачи охлажденной воды в двигатель и выходное отверстие для подачи нагретой воды 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 угольным уплотнением, которые не протекали и не вызывали больше гейзеров. Между тем, воздушное охлаждение продвинулось вперед в памяти о закипающих двигателях... даже несмотря на то, что 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, а бедные топливные смеси стали нормой. Subaru выбрала жидкостное охлаждение для своего двигателя серии EA (плоский), когда он был представлен в 1966 году.

Двигатели с низким тепловыделением

Особый класс экспериментальных прототипов внутреннего сгорания Поршневые двигатели разрабатывались на протяжении нескольких десятилетий с целью повышения эффективности за счет снижения потерь тепла. Эти двигатели по-разному называют 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 этим паразитные потери. Разработка смазочных материалов, способных выдерживать более высокие температуры, стала серьезным препятствием для коммерциализации.

См. Также

Ссылки

Источники

  • Biermann, Арнольд Э.; Эллерброк, Герман Х., младший (1939). Конструкция ребер цилиндров воздушного охлаждения (pdf). NACA. Отчет №. 726.
  • П. В. Ламарк: "Конструкция ребер охлаждения для мотоциклетных 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, pp 99-134 and 309-312.
  • «Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением», Julius Mackerle, ME; Charles Griffin Company Ltd., Лондон, 1972 г.
  • engineeringtoolbox.com для физических свойств воздуха, масла и воды

Внешние ссылки

Викискладе есть материалы, посвященные Охлаждение двигателя.
Последняя правка сделана 2021-05-24 04:19:56
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте