Воздушное и жидкостное охлаждение двигателей: принципы и сравнение.

Введение

Тип двигателя

Двигатели с воздушным охлаждением полагаются на циркуляцию воздуха непосредственно над теплоотводящими ребрами или горячими частями двигателя для их охлаждения, чтобы поддерживать двигатель в пределах рабочих температур. Конструкции с воздушным охлаждением значительно проще, чем их жидкостные аналоги, которым требуется отдельный радиатор, расширительный бачок для охлаждающей жидкости, трубопроводы и насосы. Двигатели с воздушным охлаждением широко используются в приложениях, где приоритетом являются вес или простота. Их простота делает их подходящими для использования в небольших устройствах, таких как бензопилы и газонокосилки, а также в небольших генераторах и подобных областях. Эти качества также делают их весьма подходящими для авиации, где они широко применяются в самолетах общего назначения и в качестве вспомогательных силовых установок на больших самолетах. В частности, их простота также делает их распространенными на мотоциклах.

Введение

Большинство современных двигателей внутреннего сгорания охлаждаются замкнутым контуром, по которому циркулирует жидкая охлаждающая жидкость через каналы в блоке цилиндров и головке блока цилиндров. Жидкость в этих каналах поглощает тепло, а затем поступает в теплообменник или радиатор, где охлаждающая жидкость отдает тепло воздуху (или сырой воде, в случае морских двигателей). Таким образом, хотя они и не охлаждаются жидкостью напрямую, поскольку тепло передается другой среде, такой как воздух, благодаря системе жидкостного охлаждения их называют жидкостными. В отличие от этого, тепло, выделяемое двигателем с воздушным охлаждением, рассеивается непосредственно в воздух. Обычно это обеспечивается металлическими ребрами, покрывающими внешнюю поверхность головки блока цилиндров и цилиндров, что увеличивает площадь поверхности, контактирующую с воздухом. Воздух может принудительно подаваться с помощью вентилятора и кожуха для эффективного охлаждения большими объемами воздуха, либо охлаждение происходит за счет естественного потока воздуха с хорошо спроектированными и расположенными под углом ребрами. Во всех двигателях внутреннего сгорания значительная часть генерируемого тепла, около 44%, отводится через выхлопную систему. Еще примерно 8% попадает в масло, которое также необходимо охлаждать в масляном радиаторе. Это означает, что менее половины тепла необходимо отводить другими системами. В двигателе с воздушным охлаждением только около 12% тепла рассеивается через металлические ребра. Двигатели с воздушным охлаждением обычно работают громче, однако они отличаются большей простотой конструкции, что облегчает обслуживание и замену деталей и обычно снижает стоимость эксплуатации.

Авиация

В 1920-х и 1930-х годах в авиационной промышленности велись оживленные дебаты о преимуществах двигателей с воздушным и жидкостным охлаждением. В начале этого периода в качестве охлаждающей жидкости использовалась вода при атмосферном давлении. Количество тепла, отводимого жидкостью, зависит от ее теплоемкости и разницы между температурой на входе и выходе. Поскольку температура кипения воды снижается с уменьшением давления, а подача воды в виде пара была неэффективной, радиаторы должны были обеспечивать достаточную мощность охлаждения, чтобы компенсировать снижение эффективности по мере набора высоты. В результате радиаторы получались довольно большими и создавали значительное аэродинамическое сопротивление. Это уравнивало возможности обеих конструкций с точки зрения соотношения мощности к сопротивлению, но двигатели с воздушным охлаждением почти всегда были легче и проще. В 1921 году ВМС США, во многом благодаря усилиям командира Брюса Г. Лейтона, решили, что простота конструкции с воздушным охлаждением приведет к снижению трудозатрат на техническое обслуживание, что было первостепенно важно, учитывая ограниченное пространство на авианосцах. Благодаря усилиям Лейтона ВМС профинансировали разработку двигателей с воздушным охлаждением на предприятиях Pratt & Whitney и Wright Aeronautical. Большинство других организаций, особенно в Европе, где быстро улучшались летные характеристики самолетов, больше беспокоились о проблеме сопротивления. Двигатели с воздушным охлаждением были распространены на легких самолетах и учебных машинах, а также на некоторых транспортных самолетах и бомбардировщиках, в то время как жидкостные системы охлаждения оставались более распространенными для истребителей и высокоскоростных бомбардировщиков. В 1929 году с появлением кольцевого обтекателя NACA проблема сопротивления была частично решена, поскольку он значительно снизил сопротивление двигателей с воздушным охлаждением, несмотря на их большую лобовую площадь, и сопротивление, связанное с охлаждением, в значительной степени уравнялось. В конце 1920-х и в 1930-х годах ряд европейских компаний разработали системы охлаждения, в которых вода поддерживалась под давлением, что позволяло ей нагреваться до гораздо более высоких температур без закипания, отводить больше тепла и, следовательно, уменьшать объем необходимой воды и размер радиатора на 30%. Они также могли полностью отказаться от радиатора, используя испарительное охлаждение, превращая воду в пар и направляя его через трубы, расположенные непосредственно под обшивкой крыльев и фюзеляжа, где быстро движущийся воздух конденсировал его обратно в воду. Хотя эта концепция использовалась на ряде рекордных самолетов в конце 1930-х годов, она всегда оказывалась непрактичной для серийного производства по множеству причин. В 1929 году Curtiss начала эксперименты по замене воды этиленгликолем в двигателе Curtiss D 12. Гликоль мог работать при температуре до 250 °C и уменьшал размер радиатора на 50% по сравнению с системами водяного охлаждения. Эксперименты были чрезвычайно успешными, и к 1932 году компания перевела все будущие разработки на этот теплоноситель. В то время Union Carbide имела монополию на промышленное производство гликоля, поэтому сначала он использовался только в США, а вскоре после этого его начала использовать Allison Engines. Лишь в середине 1930-х годов Rolls Royce начал его использовать по мере улучшения поставок, переведя все свои двигатели на гликоль. Благодаря значительно меньшим радиаторам и меньшему объему жидкости в системе вес и сопротивление этих конструкций были значительно ниже, чем у современных двигателей с воздушным охлаждением. По весу эти двигатели с жидкостным охлаждением обеспечивали на 30% лучшую производительность. В конце войны и послевоенный период высокоскоростные самолеты быстро перешли на реактивные двигатели. Это лишило поздние модели двигателей с жидкостным охлаждением основного рынка. Роли, которые остались за поршневыми двигателями, в основном относились к более медленным моделям и гражданской авиации. В этих областях простота и снижение потребности в обслуживании гораздо важнее сопротивления, и с конца войны почти все поршневые авиационные двигатели были с воздушным охлаждением, за редкими исключениями. Большинство двигателей, производимых Lycoming и Continental, используются крупными производителями легких самолетов, такими как Cirrus и Cessna. Другие производители двигателей, использующие технологию воздушного охлаждения, - ULPower и Jabiru, которые более активны на рынке легких спортивных самолетов (LSA) и сверхлегких самолетов. Rotax использует комбинацию цилиндров с воздушным и жидкостным охлаждением.

During the 1920s and 30s there was a great debate in the aviation industry about the merits of air cooled vs. liquid cooled designs. At the beginning of this period, the liquid used for cooling was water at ambient pressure. The amount of heat carried away by a fluid is a function of its capacity and the difference in input and output temperatures. As the boiling point of water is reduced with lower pressure, and the water could not be efficiently pumped as steam, radiators had to have enough cooling power to account for the loss in cooling power as the aircraft climbed. The resulting radiators were quite large and caused a significant amount of aerodynamic drag. This placed the two designs roughly equal in terms of power to drag, but the air cooled designs were almost always lighter and simpler. In 1921, the US Navy, largely due to the efforts of Commander Bruce G. Leighton, decided that the simplicity of the air cooled design would result in less maintenance workload, which was paramount given the limited working area of aircraft carriers. Leighton's efforts led to the Navy underwriting air cooled engine development at Pratt & Whitney and Wright Aeronautical. Most other groups, especially in Europe where aircraft performance was rapidly improving, were more concerned with the issue of drag. While air cooled designs were common on light aircraft and trainers, as well as some transport aircraft and bombers, liquid cooled designs remained much more common for fighters and high performance bombers. The drag issue was upset by the 1929 introduction of the NACA cowl, which greatly reduced the drag of air cooled engines in spite of their larger frontal area, and the drag related to cooling was at this point largely even. In the late 1920s into the 1930s, a number of European companies introduced cooling system that kept the water under pressure allowed it to reach much higher temperatures without boiling, carrying away more heat and thus reducing the volume of water required and the size of the radiator by as much as 30%. They could also eliminate the radiator entirely using evaporative cooling, allowing it to turn to steam and running the steam through tubes located just under the skin of the wings and fuselage, where the fast moving outside air condensed it back to water. While this concept was used on a number of record setting aircraft in the late 1930s, it always proved impractical for production aircraft for a wide variety of reasons. In 1929, Curtiss began experiments replacing water with ethylene glycol in a Curtiss D 12 engine. Glycol could run up to 250 C and reduced the radiator size by 50% compared to water cooled designs. The experiments were extremely successful and by 1932 the company had switched all future designs to this coolant. At the time, Union Carbide held a monopoly on the industrial process to make glycol, so it was initially used only in the US, with Allison Engines picking it up soon after. It was not until the mid 1930s that Rolls Royce adopted it as supplies improved, converting all of their engines to glycol. With the much smaller radiators and less fluid in the system, the weight and drag of these designs was well below contemporary air cooled designs. On a weight basis, these liquid cooled designs offered as much as 30% better performance. In the late and post war era, the high performance field quickly moved to jet engines. This took away the primary market for late model liquid cooled engines. Those roles that remained with piston power were mostly slower designs and civilian aircraft. In these roles, the simplicity and reduction in servicing needs is far more important that drag, and from the end of the war on almost all piston aviation engines have been air cooled, with few exceptions. , most of the engines manufactured by Lycoming and Continental are used by major manufacturers of light aircraft Cirrus, Cessna and so on. Other engine manufactures using air cooled engine technology are ULPower and Jabiru, more active in the Light Sport Aircraft (LSA) and ultralight aircraft market. Rotax uses a combination of air cooled cylinders and liquid cooled cylinder heads.

Дизельные двигатели

Некоторые небольшие дизельные двигатели, например, производства Deutz AG и Lister Petter, охлаждаются воздухом. Вероятно, единственный крупный двигатель Euro 5 с воздушным охлаждением (V8 мощностью 320 кВт и крутящим моментом 2100 Н·м) производится компанией Tatra.

Стационарные или переносные двигатели

Стационарные или переносные двигатели начали коммерчески выпускаться в начале 1900-х годов. Первое коммерческое производство было осуществлено компанией New Way Motor Company в Лансинге, штат Мичиган, США. Компания производила двигатели с воздушным охлаждением одно- и двухцилиндрового типа как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением цилиндров. После начала их экспорта по всему миру, другие компании стали использовать преимущества этого метода охлаждения, особенно в небольших переносных двигателях. Они применялись в газонокосилках, генераторах, лодочных моторах, насосных установках, пилах и вспомогательных электростанциях, и в других областях.