1. Системы охлаждения и требования, предъявляемые к ним

Системы охлаждения в значительной мере определяют кон­струкцию и эксплуатационные качества двигателей и силовых установок в целом. По виду рабочего тела, охлаждающего го­ловки (крышки) цилиндров и цилиндры, системы охлаждения делят на жидкостные и воздушные.

При выборе жидкостной или воздушной системы охлажде­ния необходимо учитывать следующие факторы.

1. Эксплуатационные качества. Пуск двигателей с воз­душным охлаждением менее затруднен при низких температу­рах по сравнению с двигателями с жидкостным охлаждением. У двигателей с воздушным охлаждением расход топлива мень­ше, а расход масла, как правило, больше. Такие двигатели бы­стрее прогреваются, более надежны, их обслуживание проще, а номенклатура запасных частей и эксплуатационных материа­лов значительно меньше. При воздушном охлаждении уровень шума, создаваемого двигателем, более высок. В этом случае для двигателей необходимы более качественные масла и топлива.

2. Технология производства. Большое значение имеют наличие технологического оборудования и организация производ­ственного процесса на предприятии, где предполагается про­изводство двигателей. Вследствие различия форм корпусных деталей двигателей с жидкостным и воздушным охлаждением технологические процессы и оборудование, применяемое для их изготовления, различны.

3. Назначение двигателя. Двигатели различного назначения могут иметь как жидкостное, так и воздушное охлаждение. Од­нако для судовых двигателей целесообразнее жидкостное охлаждение, а для мотоциклетных и стационарных двигателей ав­томатических энергетических установок малой мощности - воз­душное.

4. Рабочий процесс двигателя. Для двигателей с принуди­тельным зажиганием целесообразнее жидкостное охлаждение как более интенсивное и лучше обеспечивающее бездетона­ционное сгорание. Для дизелей с высоким давлением наддува оно обусловливает меньшую тепловую напряженность ос­новных деталей камеры сгорания. Однако при длительной ра­боте на режимах малых нагрузок и частот вращения рацио­нальнее воздушное охлаждение.

Снижению стоимости производства двигателей воздушного охлаждения способствует в значитель­ной степени отсутствие сложных двух-, трех-, и четырехстенных литых корпусных деталей.

Использование теплоты топлива при утилизации теплоты, отведенной в си­стему охлаждения и с от­работавшими газами дви­гателей судовых и стацио­нарных установок, дости­гает 85%.

5. Первоначальная стоимость двигателя. Двигатели с жид­костным охлаждением более распространены, лучше освоено их производство, поэтому их стоимость меньше, чем стоимость двигателей с воздушным охлаждением. Однако при массовом производстве двигателей с воздушным охлаждением, особенно при производстве семейства двигателей с различным числом цилиндров, их стоимость оказывается ниже.

6. Габаритные и массовые показатели. Двигатели с воз­душным охлаждением средней и большой мощности имеют худшие массовые и габаритные показатели по сравнению с двигателями, имеющими жидкостное охлаждение. Однако в целом у силовых установок с такими двигателями, эти пока­затели, как правило, лучше, чем у установок с двигателями жидкостного охлаждения.

7. Использование теплоты охлаждающего тела, В системах жидкостного охлаждения можно достаточно просто и эффек­тивно использовать в утилизационных котлах теплоту, отводи­мую от двигателя, для получения водяного пара, для отопления помещении, подогрева тяжелого топлива, воздуха, всасы­ваемого в цилиндры дизелей на режимах малых нагрузок и частот вращения коленчатого вала. При воздушном охлажде­нии теплоту нагретого воздуха использовать очень трудно. По­этому ее используют для обогрева салонов некоторых автомо­билей, автобусов и тракторов.

8. Форсирование двигателей. Высокую степень форсирования (Ре=1,6 МПа) можно обеспечить только при жидкостном ох­лаждении двигателя, более интенсивном и лучше обеспечиваю­щем необходимое температурное состояние его деталей.

Любая из выбранных систем должна удовлетворять слож­ному комплексу требований: быть надежной в работе; возмож­но меньше увеличивать массу и габаритные размеры двигателя и силовой установки; обеспечивать гибкое регулирование про­цесса теплоотвода от деталей, допускающее лишь небольшие изменения температур во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателей; быть простой в изготов­лении и эксплуатации.

Охлаждение двигателя забортной водой целесообразно только в простейших судовых установках с нефорсированными двигателями малой мощности. Охлаждение проточной водой применяют только в стационарных двигателях малой мощ­ности при небольшой продолжительности использования их в течение суток; устройство градирен для охлаждения воды, на­оборот, целесообразно в случае длительной работы двигателей большой мощности при значительных нагрузках.

Наиболее широко применяют замкнутые системы охлажде­ния с циркуляцией относительно небольшого количества жид­кости, охлаждаемой в охладителях. При применении в таких системах жидкости с высокой температурой кипения или низ­кой температурой застывания необходимо иметь в виду их ог­неопасность, ядовитость и относительно высокую стоимость, поэтому использовать их следует в особых случаях (недопусти­мость повышенных давлений для осуществления высокотемпе­ратурного охлаждения водой, необходимость постоянной го­товности двигателя к пуску, невозможность частых сливов воды и заполнения системы).

При выборе схемы воздушного охлаждения необходимо иметь в виду, что при нагнетании воздуха в двигатель затраты мощности на привод вентилятора меньше, чем при отсосе на­гретого воздуха, хотя в последнем случае двигатель охлаждает­ся более равномерно.

Основные параметры системы

Исходной величиной для расчета элементов системы ох­лаждения является количество теплоты, которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду. На основании данных испытаний двигателей жидкостного охлаждения раз­личных типов удельное количество теплоты q_oxл [в кДж /(кВт·ч)] имеет следующие значения.

Двигатели с принудительным зажиганием . . 2840-5700

Дизели:

быстроходные.......................................... 2270-3700

тихоходные.............................................. 1890-3130

Меньшие значения относятся к более быстроходным двига­телям с большими мощностями и с меньшей интенсивностью охлаждения, а также к двигателям с наддувом; большие - к двухтактным двигателям небольшой мощности. Эти величины от общего количества теплоты, введенной в двигатель с топли­вом, составляют соответственно 18-35, 13,2-19,2 и 10-18,2%. При воздушном охлаждении их значения уменьшаются на 15-18%.

Количество теплоты Q, передаваемое от газов охлаждающе­му телу в единицу времени,

(167)

где и - средние за время теплообмена коэффициенты те­плоотдачи соответственно от газов нагреваемой стенке и от стенки охлаждающему телу; F_r и F_охл - средние площади со­ответственно нагреваемой и охлаждаемой поверхностей; Т_г и Тохл ^_ средние температуры соответственно газов и охлаждаю­щего тела; и - соответственно средний коэффициент тепло­проводности и толщина стенки.

Из уравнения (167) видно, что количество передаваемой че­рез стенку теплоты зависит от рабочего процесса двигателя (влияние и Т_г), размеров цилиндров двигателей (влияние F_r, F_охл, ), материала стенок и интенсивности охлаждения (влия­ние , Т_охл и ). Если материалы деталей камеры сгорания, цилиндропоршневой группы и масла могут выдерживать высокие температуры, то необходимо для повышения топливной экономичности двигателей снижать теплоотвод в охлаждающую сре­ду повышением температуры охлаждающего тела и уменьше­нием площади, воспринимающей теплоту, охлаждаемых по­верхностей и коэффициента теплоотдачи. Это достигается выбором охлаждающего тела, величин и направления скоро­стей его относительно охлаждаемых поверхностей. Наоборот, при выборе менее жаро- и теплостойких материалов или форсирования рабочих процессов необходимо увеличивать теплоотвод, воздействуя на перечисленные выше параметры в обрат­ном направлении.

Удельное количество теплоты q_охл, отводимой в охлаждаю­щую среду, зависит от размеров цилиндров и отношения S/D, влияющих на относительные площади воспринимающих тепло­ту и охлаждаемых поверхностей (f_0XJl = F_0XJl/V_h) (рис 242), степени наддува, определяющей количество выделяющейся теплоты, приходящейся на единицу площади, воспринимающей теплоту (рис. 243). С увеличением частоты вращения q_охл

уменьшается вследствие сокращения времени нагревания сте­нок газами (если при этом не увеличивается период догорания и не возрастает средняя температура газов). При использова­нии высокотемпературного охлаждения снижается на 20-25% суммарный отвод теплоты (рис. 244) в охлаждающую среду и масло (хотя при этом, как правило, увеличивается отвод теплоты в масло) и до 50%-в охлаждающую среду, что очень важно для уменьшения размеров агрегатов систем охлаждения и охладителей.

Экономичность дизелей при этом повышается до 15% и вследствие некоторого улучшения рабочего процесса и увели­чения nм.

Эффективность теплоотвода в охлаждающую среду от сте­нок тем больше, чем меньше вязкость среды и чем выше ее плотность, теплопроводность и теплоемкость. Поэтому темпе­ратура деталей двигателей при охлаждении этиленгликолевыми жидкостями на 10-50°С выше, чем при водяном охлаждении.

При воздушном охлаждении интенсивность отвода теплоты от стенок снижается еще больше. Так, при неподвижных отно­сительно стенок воды и воздуха и при одинаковых ΔT коэффи­циенты теплоотдачи различаются в 30 раз, при движении со скоростью 1-3 м/с воды и 50 м/с воздуха они отличаются в 13-15 раз. При кипении воды интенсивность теплоотдачи превышает интенсивность теплоотдачи в воздух примерно в 40 раз. Поэтому для обеспечения допустимых температур деталей двигателей воздушного охлаждения отношение площадей поверхностей, воспринимающих теплоту от газов и отдающих ее охлаждающему воздуху, увеличивают до 14 раз путем оребрения наружных поверхностей.

Если масло охлаждается рабочим телом системы охлаждения, то величину q_охл необходимо увеличить на 1-4,5%, а при охлаждении маслом поршней - на 5-12,0%. При охлаждении наддувочного воздуха q_охл возрастает на 2-7,5%; при охлажде­нии корпусов турбокомпрессоров-на 2-5%.

Общее количество теплоты (в кДж/ч), отводимое в охлаж­дающую жидкость, можно определить из уравнения (167) или по формуле

(168)

Если данных о значениях и , входящих в выражение (167), или значениях q_охл нет, то для проектируемых четырех­тактных двигателей жидкостного охлаждения можно использо­вать уравнение

где с = 0,41-0,47; i-число цилиндров; D-диаметр цилиндров, см; т = 0,6 - 0,7; n и α - соответственно частота вращения ко­ленчатого вала и суммарный коэффициент избытка воздуха на режиме номинальной мощности.

При воздушном охлаждении значение Q можно оценить по уравнению

(168)

в котором коэффициент В для бензиновых двигателей и дизе­лей выбирают в пределах 0,28-0,33 и 0,25-0,3. С учетом теп­лоты, отводимой от масляного охладителя и картера, значение Q увеличивается на 4-10%.

Для конструирования систем охлаждения важное значение имеет величина подогрева ΔT охлаждающей среды. При малых значениях А Т детали охлаждаются более равномерно, что важ­но для обеспечения малых градиентов температур в деталях. Однако при малых подогревах для обеспечения необходимого теплоотвода увеличивается расход охлаждающего тела, вслед­ствие чего возрастают затраты мощности на привод насосов, вентиляторов, а также масса и размеры охладителей.

Вода может иметь температуру в пределах -2 ÷ -30°С; температура ее подогрева в двигателях во избежание выпаде­ния растворенных солей на охлаждаемых поверхностях не дол­жна превышать 40-50°С. Для обеспечения постоянной вели­чины ΔT к поступающей в двигатель воде добавляют

выходящую из двигателя нагретую воду в количествах, обеспе­чивающих температуру на входе в двигатель в пределах

20-27°С, a ΔT в пределах 15-40°С. В циркуляционных закрытых

системах форсированных и быстроходных двигателей величину

ΔT выбирают в пределах 5-10°С.

При более высокой температуре жидкости на выходе из двигателя не только снижается расход топлива, но и умень­шается коррозионный износ цилиндров, поэтому в циркуля­ционных системах ее повышают до 75-95°С.

При масляном охлаждении поршней, наличии специально подобранных зазоров между поршнем и цилиндром, использо­вании теплозащитных покрытий и масел с присадками темпе­ратуру жидкости можно повысить до 100°С и более.

В случае применения воды при высокотемпературном ох­лаждении систему охлаждения делают замкнутой и давление в ней повышают до 0,12-0,35 МПа. Ориентировочно зависи­мость температуры кипения воды от давления определяется формулой

где р - абсолютное давление в системе, МПа.

Температура окружающего воздуха может быть в пределах - 73÷ +57°С. Работу двигателей воздушного охлаждения в столь широком диапазоне температур обеспечить трудно, по­этому в расчетах температуру воздуха на входе в вентиляторы выбирают в пределах 40-55°С, а подогрев ΔT в пределах 20-80°С.

Для обеспечения работоспособности головок цилиндров, свечей, форсунок, а также масла интенсивность воздушного ох­лаждения должна обеспечить следующие температуры (в °С):

головки цилиндров:

из легких сплавов.............. 150-200

из чугунов.......................... 160-427

цилиндра...................................... 130-180

Ориентировочно коэффициент теплоотдачи [ в кВт/(м²·К)]

от ребер цилиндров можно оценить по эмпирическому уравне­нию (опыты Стантона)

где - средняя арифметическая температур наружной стенки цилиндра и воздушного потока; - средняя скорость воздуш­ного потока, м/с; -плотность воздуха в потоке, кг/м³; D₀-наружный диаметр цилиндра, мм.

Значения α лежат в пределах 0,175-0,233 кВт/(м²К).

Поверхности охлаждения и циркуляция охлаждающего тела

В двигателях с жидкостным охлаждением охлаждающее те­ло циркулирует в рубашке, минимальная толщина слоя жид­кости в которой определяется технологическими соображения­ми и составляет для быстроходных двигателей не менее 3-5 мм. С помощью распределительных каналов, направляю­щих козырьков и отверстий, а также путем изменения площади сечений проходов для воды движение жидкости организуют так, чтобы в первую очередь охлаждались наиболее нагретые поверхности, осуществлялось равномерное охлаждение без за­стойных зон и движение жидкости снизу вверх для удаления паров жидкости и воздуха. Однако, как правило, жидкость вво­дят в рубашку цилиндров, а затем направляют в рубашку го­ловки блока. Средние скорости течения жидкости в заруба-шечных пространствах составляют 0,3-1,5 м/с.

В быстроходных двигателях охлаждающую жидкость в рубашку вводят около камер сгорания с тем, чтобы менее нагре­ваемая часть цилиндров охлаждалась вследствие конвекции - это позволяет уменьшить потери на трение поршней. Для регу­лирования охлаждения двигателей в зависимости от нагрузки и температуры окружающего воздуха предусматривают не­сколько кругов циркуляции охлаждающей жидкости: при уменьшении нагрузки прекращается циркуляция жидкости в ру­башке цилиндров, а затем и через охладитель.

Элементы системы соединяют между собой стальными тру­бами и уплотняют резиновыми и паронитовыми прокладками. Для устранения нарушений плотности и поломок в результате механических и тепловых деформаций и вибрации в соединения вводят один или несколько упругих элементов из дюритовых труб.

Ниже приведены удельные значения количества воды, прокачиваемой через различные системы охлаждения [в кг/(кВт·ч)]

Проточные................................. 34-41

Циркуляционные с охладителями:

водо-водяными.................. 68-140

водовоздушными.......,....... 105-245

Удельные количества других жидкостей, прокачиваемых че­рез систему охлаждения, меняются обратно пропорционально их теплоемкостям. Сечения трубопроводов выбирают по рас­четным скоростям в линиях (1-3 м/с во впускных и 2-6 м/с во вспомогательных).

Удельная вместимость систем охлаждения составляет 0,16-2,1 л/кВт и более.

Удельные массы и габаритные размеры двигателей воздуш­ного охлаждения будут тем меньше, чем большей будет те­плоотдача с единицы массы ребер. Теоретически наиболее це­лесообразно использовать ребра с вогнутыми параболическими поверхностями и с толщиной у концов, равной нулю. Из со­ображений обеспечения необходимой прочности ребер и техно-

логичности от этой формы отступают и изготовляют ребра, форма которых показана в табл. 4. Наибольшее распространение получили ребра трапециевидной, треугольной с углом 3-5° и прямоугольной формы с

симметричными закруглениями кон­цов и оснований.

Ребра цилиндров отливают из чугуна (вместе с цилиндром), алюминиевых сплавов (в виде рубашки, напрессовываемой на стальной или чугунный цилиндр, а в двигателях с малыми D - вместе с цилиндром, зеркало которого хромируют), прота­чивают на стальных и редко-чугунных цилиндрах, заваль-цовывают из стальных, латунных или дюралевых лент в пред­варительно проточенные на поверхности стальных цилиндров круговые или винтовые канавки, напрессовывают круговые штампованные из стальной, дюралевой или латунной ленты на стальные и чугунные цилиндры, напаивают на стальные ци­линдры (отдельные ребра или ребра из спиральной ленты).

На головках цилиндров ребра имеют форму, усложненную впускными и выпускными каналами, приливами для располо­жения клапанов, свечей зажигания, форсунок. Их изготовляют

Рис.245. Схемы для расчета охлаждающих ребер

вместе с головкой, отливая из чугунов или штампуя из легких сплавов и сталей. При высокой степени форсирования двигате­лей ребра фрезеруют в стальных головках.

Размеры ребер приведены в табл. 5 (обозначения см. на рис. 245). Расстояние между цилиндрами L определяют по уравнению L = D₀ + 2h + Δp, Δp - расстояние между концами ребер, Δp не превышает обычно 2-3 мм.

Размер, мм	Чугуны		Легкие сплавы		Стали		Латуни
	Цилиндр	Головка цилиндра	Цилиндр	Головка цилиндра		Цилиндр		Головка цилиндра
Длина, h	10-30	15-50	15-35	15-75		10-33		10-40
Шаг, s	5-12	6-15	3-8	3-12		2-8		4-10
Средняя ширина межреберного канала	4-8	4-8	2-6	2-8		2-6		3-6
Толщина ребра: у ребра у основания	2-8 2-3,5	3-8 2-3,5	3-8 1-3	3-8 1-3		0,8-6,0 0,5-2		0,8-4,0 0,5-2,0

Для увеличения равномерности и интенсивности охлажде­ния вокруг цилиндров и головок устанавливают специальные щитки-дефлекторы, направляющие воздух в пространство ме­жду ребрами. Дефлектирование позволяет резко сократить расход воздуха на охлаждение и, следовательно, улучшить топлив­ную экономичность двигателей.

Для увеличения коэффициента теплоотдачи ребра накло­няют к воздушному п у току под углом до 30°.

Площадь поверхности охлаждения цилиндров и головок составляет 390-780 см² на 1 кВт, при этом на долю головок двигателей с принудительным зажиганием должно приходиться не менее 60-75% общей площади ребер; в дизелях площадь ребер головок равна 40-67%.

10Скорость воздуха в межреберных пространствах выбирают в пределах 10-30 м/с; в форсированных двигателях она может достигать 60 м/с.

Удельный расход воздуха на охлаждение двигателя коле­блется в пределах 54-175 кг/(кВт·ч) в зависимости от кон­струкции оребрения, дефлекторов, допустимой температуры стенок цилиндров и головок и параметров рабочего процесса (большие значения относятся к двигателям с меньшими разме- дров дизелей 45-60%. рами цилиндров.)