Введение

Система, использующая воздух или жидкость для отвода отработанного тепла от двигателя внутреннего сгорания. Охлаждение двигателя внутреннего сгорания осуществляется либо воздухом, либо жидкостью для отвода отработанного тепла. Для небольших или специальных двигателей охлаждение воздухом из атмосферы обеспечивает легкость и относительную простоту системы. Водные суда могут использовать воду непосредственно из окружающей среды для охлаждения двигателей. В двигателях с водяным охлаждением, применяемых в авиации и наземном транспорте, отработанное тепло передается из замкнутого контура воды, прокачиваемой через двигатель, в окружающую атмосферу с помощью радиатора. Вода обладает большей теплоемкостью, чем воздух, и поэтому способна быстрее отводить тепло от двигателя, однако радиатор и насосная система увеличивают вес, сложность и стоимость. Двигатели большей мощности генерируют больше отработанного тепла, но способны перемещать больший вес, поэтому обычно охлаждаются водой. Радиальные двигатели обеспечивают прямой обдув каждого цилиндра воздухом, что дает им преимущество в воздушном охлаждении по сравнению с рядными, оппозитными и V-образными двигателями. Роторные двигатели имеют аналогичную конструкцию, но цилиндры также постоянно вращаются, создавая воздушный поток даже при неподвижном транспортном средстве. В авиационной конструкции приоритет отдается меньшему весу и системам воздушного охлаждения. Роторные двигатели были популярны в авиации 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 самолеты с двигателями внутреннего сгорания по-прежнему в основном используют воздушное охлаждение. Современные автомобили обычно отдают предпочтение мощности, а не весу, и, как правило, оснащаются двигателями с водяным охлаждением. Современные мотоциклы легче автомобилей, и оба метода охлаждения широко распространены. Некоторые спортивные мотоциклы охлаждались как воздухом, так и маслом (распыляемым под головками поршней).

Обзор

Тепловые двигатели генерируют механическую мощность, извлекая энергию из тепловых потоков, подобно тому, как водяное колесо извлекает механическую мощность из потока массы, падающей с определенной высоты. Двигатели неэффективны, поэтому количество тепловой энергии, поступающей в двигатель, превышает количество энергии, выходящей в виде механической работы; разница составляет отходящее тепло, которое необходимо отводить. Двигатели внутреннего сгорания отводят отходящее тепло через охлажденный впускаемый воздух, горячие выхлопные газы и систему охлаждения двигателя. Двигатели с более высоким КПД преобразуют большую часть энергии в механическое движение и меньшую – в отходящее тепло. Определенное количество отходящего тепла необходимо: оно обеспечивает прохождение тепла через двигатель, подобно тому, как водяное колесо работает только при наличии определенной скорости потока (энергии) в отработанной воде, чтобы унести ее и освободить место для новой. Таким образом, для работы все тепловые двигатели нуждаются в охлаждении. Охлаждение также необходимо, поскольку высокие температуры повреждают материалы двигателя и смазочные материалы, и это становится особенно важным в жарком климате. Двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо при температуре, превышающей температуру плавления материалов двигателя, и достаточно высокой, чтобы воспламенить смазочные материалы. Система охлаждения двигателя отводит энергию достаточно быстро, чтобы поддерживать температуру на безопасном уровне и обеспечить его работоспособность. Некоторые высокоэффективные двигатели работают без явной системы охлаждения, полагаясь лишь на случайные теплопотери – такая конструкция называется адиабатической. Такие двигатели могут достигать высокой эффективности, но при этом снижается мощность, рабочий цикл, увеличивается вес двигателя, ухудшается долговечность и повышаются выбросы.

Основные принципы

Большинство двигателей внутреннего сгорания охлаждаются жидкостью с использованием воздуха (газообразной жидкости) или жидкого охлаждающего агента, проходящего через теплообменник (радиатор), охлаждаемый воздухом. Морские двигатели и некоторые стационарные двигатели имеют прямой доступ к большому объему воды подходящей температуры. Вода может использоваться непосредственно для охлаждения двигателя, но часто содержит осадок, который может засорять каналы охлаждающей жидкости, или химические вещества, такие как соль, которые могут химически повредить двигатель. Поэтому охлаждающая жидкость двигателя может циркулировать через теплообменник, охлаждаемый водой. Большинство двигателей с жидкостным охлаждением используют смесь воды и химических веществ, таких как антифриз и ингибиторы коррозии. Отраслевой термин для антифризной смеси – «моторный охлаждающий агент». Некоторые антифризы вообще не содержат воду, вместо этого используя жидкость с другими свойствами, например, пропиленгликоль или комбинацию пропиленгликоля и этиленгликоля. Большинство двигателей с воздушным охлаждением используют некоторое жидкостное охлаждение маслом для поддержания допустимых температур как для критически важных деталей двигателя, так и для самого масла. Большинство двигателей с жидкостным охлаждением используют некоторое воздушное охлаждение, при этом впускной воздух охлаждает камеру сгорания. Исключением является двигатель Ванкеля, где некоторые части камеры сгорания никогда не охлаждаются впускным потоком, что требует дополнительных усилий для обеспечения надежной работы. К системе охлаждения предъявляется множество требований. Одно из ключевых требований – обеспечить эффективное охлаждение всего двигателя, поскольку выход из строя происходит, если перегреется хотя бы одна деталь. Поэтому крайне важно, чтобы система охлаждения поддерживала все детали на достаточно низкой температуре. Двигатели с жидкостным охлаждением могут изменять размеры каналов в блоке цилиндров, чтобы адаптировать поток охлаждающей жидкости к потребностям каждой зоны. Участки с высокими пиковыми температурами (узкие области вокруг камеры сгорания) или высоким тепловым потоком (вокруг выпускных каналов) могут требовать интенсивного охлаждения. Это снижает вероятность образования горячих точек, которых сложнее избежать при воздушном охлаждении. Двигатели с воздушным охлаждением также могут изменять эффективность охлаждения, используя более часто расположенные ребра в этой области, но это может усложнить и удорожить их производство. Непосредственно основной системой охлаждения охлаждаются только неподвижные части двигателя, такие как блок и головка блока. Движущиеся части, такие как поршни, а в меньшей степени коленчатый вал и шатуны, должны полагаться на смазочное масло в качестве охлаждающей жидкости или на ограниченную теплопроводность в блок и, следовательно, в основную охлаждающую жидкость. Высокопроизводительные двигатели часто имеют дополнительное масло, помимо количества, необходимого для смазки, которое распыляется вверх на дно поршня 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 оснащены циркуляционным насосом. Первые двигатели полагались исключительно на термосифонное охлаждение, при котором горячая охлаждающая жидкость покидала верхнюю часть блока двигателя и поступала 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. Теплопередача посредством теплопроводности пропорциональна разнице температур между материалами. Если температура металла двигателя составляет 250 °C, а температура воздуха – 20 °C, то разница температур для охлаждения составляет 230 °C. Двигатель с воздушным охлаждением использует всю эту разницу. В отличие от этого, двигатель с жидкостным охлаждением может отводить тепло от двигателя к жидкости, нагревая жидкость до 135 °C (стандартная температура кипения воды 100 °C может быть превышена, поскольку система охлаждения находится под давлением и использует смесь с антифризом), которая затем охлаждается воздухом 20 °C. На каждом этапе двигатель с жидкостным охлаждением имеет вдвое меньшую разницу температур и, следовательно, на первый взгляд, требует вдвое большей площади 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 поглотить около 55 % тепла при одинаковом повышении температуры (это называется удельной теплоемкостью). Плотность масла составляет около 90 % плотности воды, поэтому определенный объем масла может поглотить только около 50 % энергии того же объема воды. Теплопроводность воды примерно в четыре раза выше, чем у 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 мощность двигателя. Сравнивая воздух и воду, воздух имеет значительно более низкую теплоемкость на грамм и на объем (4000) и менее чем в десять раз меньшую теплопроводность, но также и гораздо более низкую 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 предыдущих абзацев, воздушное охлаждение требует в десять раз большей площади поверхности, следовательно, ребер, и воздух требует в 2000 раз более высокой скорости потока, а значит, вентилятор рециркуляции воздуха требует в десять раз больше мощности, чем циркуляционный водяной насос. Отвод тепла от цилиндра на большую площадь поверхности для воздушного охлаждения может вызвать проблемы, включая трудности при изготовлении форм, необходимых для эффективной теплопередачи, и пространство, необходимое для свободного потока большого объема воздуха. Вода кипит примерно при той же температуре, которая желательна для охлаждения двигателя. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что она поглощает большое количество энергии с очень небольшим повышением температуры (это называется теплотой парообразования), что хорошо для поддержания низкой температуры, особенно при прохождении одного потока охлаждающей жидкости над несколькими горячими объектами и достижении равномерной температуры. В отличие от этого, при прохождении воздуха над несколькими горячими объектами последовательно воздух нагревается 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 паровые пузырьки. Пар может возвращаться в воду при смешивании с другой охлаждающей жидкостью, поэтому датчик температуры двигателя может показывать приемлемую температуру, даже если локальные температуры достаточно высоки, чтобы вызвать повреждения. Двигателю нужны разные температуры. Впуск, включая компрессор турбонаддува, и впускные трубы и впускные клапаны должны быть максимально холодными. Противоточный теплообменник с принудительным воздушным охлаждением справляется с этой задачей. Стенки цилиндров не должны нагревать воздух перед сжатием, но и не должны охлаждать газ при сгорании. Компромиссом является температура стенки 90 °C. Вязкость масла оптимизирована именно для этой температуры. Любое охлаждение выхлопных газов и турбины турбонаддува снижает мощность, доступную для турбины, поэтому выхлопная система часто изолируется между двигателем и турбонаддувом, 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, используемые в дальних морских или железнодорожных перевозках, могут работать при постоянной нагрузке, дорожные транспортные средства часто испытывают широко варьирующиеся и быстро меняющиеся нагрузки. Поэтому система охлаждения спроектирована таким образом, чтобы изменять охлаждение, чтобы двигатель не был слишком горячим и не слишком холодным. Регулирование системы охлаждения включает регулируемые дефлекторы в воздушном потоке (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 обладают определенной теплоемкостью, которая сглаживает повышение температуры при коротких рывках. Некоторые системы управления двигателем отключают двигатель или ограничивают его до половины дроссельной заслонки при перегреве. Современные электронные системы управления двигателем регулируют охлаждение на основе положения дроссельной заслонки, чтобы предвидеть повышение температуры, и ограничивают выходную мощность двигателя, чтобы компенсировать конечную мощность охлаждения. Наконец, другие соображения могут доминировать при проектировании системы охлаждения. Например, воздух является относительно плохим охлаждающим агентом, но системы воздушного охлаждения просты, а частота отказов обычно возрастает в квадрате от количества точек отказа.

Трудности с обобщением

Трудно делать обобщения о двигателях с воздушным и жидкостным охлаждением. Дизельные двигатели с воздушным охлаждением выбирают из-за их надежности даже в экстремальных температурах, поскольку воздушное охлаждение проще и эффективнее справляется с перепадами температур зимой и летом, чем системы водяного охлаждения, и часто используются в ситуациях, когда двигатель работает без присмотра в течение многих месяцев. Кроме того, обычно желательно минимизировать количество ступеней теплопередачи для максимизации разницы температур на каждой ступени. Однако двухтактные двигатели Detroit Diesel обычно используют масло, охлаждаемое водой, а вода, в свою очередь, охлаждается воздухом. Охлаждающая жидкость, используемая во многих двигателях с жидкостным охлаждением, требует периодической замены и может замерзать при обычных температурах, что приводит к необратимым повреждениям двигателя при расширении. Двигатели с воздушным охлаждением не требуют обслуживания охлаждающей жидкости и не повреждаются от замерзания – два часто упоминаемых преимущества. Однако охлаждающая жидкость на основе пропиленгликоля остается жидкой при температуре до -55 °C, что ниже, чем температура, с которой сталкиваются многие двигатели; незначительно сжимается при кристаллизации, предотвращая повреждения; и имеет срок службы более 10 000 часов, что практически соответствует сроку службы многих двигателей. Как правило, сложнее добиться низких выбросов или низкого уровня шума от двигателя с воздушным охлаждением – еще две причины, по которым большинство дорожных транспортных средств используют двигатели с жидкостным охлаждением. Также часто бывает сложно создавать крупные двигатели с воздушным охлаждением, поэтому почти все двигатели с воздушным охлаждением имеют мощность менее 500 кВт (670 л.с.), в то время как крупные двигатели с жидкостным охлаждением превышают 80 МВт (107 000 л.с.) (например, 14-цилиндровый дизель Wärtsilä Sulzer RTA96 C).

Воздушное охлаждение

Автомобили и грузовики с прямым воздушным охлаждением (без использования промежуточной жидкости) строились на протяжении длительного периода, начиная с самых первых моделей и заканчивая небольшими, как правило, незаметными техническими изменениями. До Второй мировой войны автомобили и грузовики с водяным охлаждением регулярно перегревались при подъеме в гору, выбрасывая столбы кипящей охлаждающей жидкости. Это считалось нормальным явлением, и в то время большинство известных горных дорог располагали автомастерскими для обслуживания перегретых двигателей. ACS (Auto Club Suisse) сохраняет исторические памятники той эпохи на перевале Сустен, где до сих пор сохранились две станции для доливки охлаждающей жидкости. Там есть инструкции на чугунной табличке и сферическая лейка для полива, висящая рядом с водопроводным краном. Сферическое дно было сделано для того, чтобы ее нельзя было поставить на землю и она не мешала в хозяйстве, однако, как видно на фотографии, ее все равно украли. В этот период европейские компании, такие как Magirus Deutz, производили дизельные грузовики с воздушным охлаждением, Porsche – сельскохозяйственные тракторы с воздушным охлаждением, а Volkswagen прославился легковыми автомобилями с воздушным охлаждением. В Соединенных Штатах компания Franklin строила двигатели с воздушным охлаждением. На протяжении многих лет воздушное охлаждение было предпочтительным для военной техники, поскольку системы жидкостного охлаждения более уязвимы к повреждениям от осколков. Чешская компания Tatra известна своими крупнообъемными двигателями V8 с воздушным охлаждением; инженер Tatra Юлиус Маккерле опубликовал книгу, посвященную этой теме. Двигатели с воздушным охлаждением лучше адаптированы к экстремально низким и высоким температурам окружающей среды: можно увидеть, как двигатели с воздушным охлаждением запускаются и работают в морозные условия, в то время как двигатели с водяным охлаждением замерзают, и продолжают работать, когда двигатели с водяным охлаждением начинают выбрасывать струи пара. Двигатели с воздушным охлаждением могут иметь преимущество с термодинамической точки зрения благодаря более высокой рабочей температуре. Наиболее серьезной проблемой, с которой сталкиваются авиационные двигатели с воздушным охлаждением, является так называемое «термическое удара», когда самолет входит в пике после набора высоты или горизонтального полета с открытой дроссельной заслонкой, при этом двигатель работает без нагрузки, а самолет, снижаясь, генерирует меньше тепла, и увеличивается поток воздуха, охлаждающий двигатель. Это может привести к катастрофическому отказу двигателя, поскольку различные части двигателя имеют разную температуру и, следовательно, разное тепловое расширение. В таких условиях двигатель может заклинить, а любое резкое изменение или дисбаланс между теплом, производимым двигателем, и теплом, отводимым системой охлаждения, может привести к повышенному износу двигателя, также из-за различий в тепловом расширении его частей. Двигатели с жидкостным охлаждением имеют более стабильную и равномерную рабочую температуру.

Охлаждение жидкостью

Сегодня большинство автомобильных и крупных двигателей внутреннего сгорания охлаждаются жидкостью. Жидкостное охлаждение также применяется в морском транспорте (судах, ). Для судов в основном используется сама морская вода в качестве охлаждающей жидкости. В некоторых случаях также используются химические теплоносители (в замкнутых системах) или они смешиваются с морской водой для охлаждения.

Переход от воздушного охлаждения

Переход от воздушного охлаждения к жидкостному охлаждению произошел в начале Второй мировой войны, когда американской армии потребовались надежные транспортные средства. Проблема закипания двигателей была выявлена, исследована и найдено решение. Предыдущие радиаторы и блоки двигателей были спроектированы правильно и успешно прошли испытания на прочность, но использовали водяные насосы с протекающим сальником, смазанным графитом ("веревочным" уплотнением) на валу насоса. Эта конструкция была унаследована от паровых двигателей, где потеря воды считается допустимой, поскольку паровые двигатели и так расходуют большие объемы воды. Поскольку сальниковое уплотнение протекало в основном при работающем насосе и нагретом двигателе, потеря воды испарялась незаметно, оставляя в лучшем случае небольшой ржавый след после остановки и остывания двигателя, не выдавая значительной утечки. Автомобильные радиаторы (или теплообменники) имеют выходное отверстие для подачи охлажденной воды в двигатель, а двигатель – выходное отверстие для подачи нагретой воды в верхнюю часть радиатора. Циркуляции воды способствует роторный насос, эффективность которого невелика из-за необходимости работы в широком диапазоне оборотов, что ограничивает воздействие крыльчатки как насоса. Во время работы протекающего насоса уровень охлаждающей жидкости снижался до такой степени, что насос больше не мог подавать воду в верхнюю часть радиатора, циркуляция прекращалась, и вода в двигателе закипала. Однако, поскольку потеря воды приводила к перегреву и дальнейшей потере воды из-за закипания, первоначальная утечка оставалась незамеченной. После выявления проблемы с насосом автомобили и грузовики, построенные для военных нужд (гражданские автомобили в то время не производились), оснащались водяными насосами с угольным уплотнением, которые не протекали и исключали образование "гейзеров". Тем временем, воздушное охлаждение продолжало развиваться, памятуя о проблеме закипания двигателей, хотя перегрев больше не был распространенной проблемой. Двигатели с воздушным охлаждением стали популярными в Европе. После войны Volkswagen рекламировал свои автомобили в США как "незакипающие", хотя новые автомобили с жидкостным охлаждением больше не закипали, но продажи были успешными. Однако, с ростом осведомленности о качестве воздуха в 1960-х годах и принятием законов, регулирующих выбросы выхлопных газов, свинцовый бензин был заменен на неэтилированный, а более обедненные топливные смеси стали нормой. Компания Subaru выбрала жидкостное охлаждение для своего двигателя серии EA (оппозитный) при его представлении в 1966 году.

Двигатели с низким оттоком тепла

Специальный класс экспериментальных прототипов поршневых двигателей внутреннего сгорания разрабатывался на протяжении нескольких десятилетий с целью повышения эффективности за счет уменьшения тепловых потерь. Эти двигатели известны под разными названиями: адиабатические двигатели (в связи с более точным приближением к адиабатическому расширению), двигатели с низким отводом тепла или высокотемпературные двигатели. Как правило, это дизельные двигатели, детали камеры сгорания которых покрыты керамическими теплоизоляционными покрытиями. В некоторых конструкциях используются титановые поршни и другие титановые детали благодаря низкой теплопроводности и малому весу титана. Некоторые конструкции позволяют полностью отказаться от системы охлаждения и связанных с ней паразитных потерь. Разработка смазочных материалов, способных выдерживать более высокие температуры, является серьезным препятствием для коммерческого внедрения.