Системы охлаждения двигателя Общие сведения

При работе двигателя горячие газы, омывая внутреннюю поверхность головки и стенок цилиндра, днище поршня, головки клапанов и электроды свечей, отдают им тепло и сильно нагревают их. Кроме того, все трущиеся детали двигателя нагреваются вследствие превращения работы трения в тепло. Если не принимать специальных мер для охлаждения двигателя, то температура указанных деталей повысится до такой величины, при которой работа двигателя станет невозможной, так как при большой температуре (800—1000°абс.) механическая прочность деталей понижается и они могут разрушиться. Даже при температурах более низких, чем указанные выше, работа двигателя может оказаться невозможной вследствие заедания трущихся деталей (в первую очередь поршней в цилиндрах), вызываемого изменением рабочих зазоров из-за теплового расширения.

Кроме снижения механической прочности и возможности заедания трущихся деталей, работа двигателя при повышенных температурах вызывает также:

— уменьшение мощности двигателя вследствие уменьшения весового заряда цилиндра и увеличения мощности, затрачиваемой на трение, из-за недостаточной смазки и коксования масла;

— возможность возникновения детонации и преждевременных (самопроизвольных) вспышек.

Для обеспечения работы двигателя его необходимо непрерывно охлаждать, причем это охлаждение должно быть таким, чтобы температура деталей двигателя обеспечивала их нормальную работу.

Необходимо иметь в виду, что чрезмерное охлаждение двигателя недопустимо, так как при этом:

— ухудшаются условия испарения бензина, что нарушает устойчивую работу двигателя и вследствие обеднения смеси вызывает возможность возникновения опасных в пожарном отношении вспышек во впускных трубопроводах (при внешнем смесеобразовании);

— уменьшается мощность двигателя за счет увеличения трения, вызванного повышением вязкости масла.

Количество тепла, которое необходимо отводить от двигателя для поддержания нормальной температуры его деталей, довольно значительно и составляет на номинальном режиме работы 40 ÷ 50% от тепла, эквивалентного его эффективной мощности.

Отвод тепла от двигателя обеспечивается путем обдува внешней поверхности цилиндров и картера окружающим воздухом (двигатели воздушного охлаждения) или охлаждением цилиндров жидкостью и обдувом картера воздухом (двигатели жидкостного охлаждения). В последнем случае тепло, отведенное от цилиндров охлаждающей жидкостью, в дальнейшем также передается окружающему воздуху в радиаторе. Кроме этого, незначительная часть тепла (1÷3% от тепла, внесенного топливом) отводится от двигателя циркулирующий в системе маслом.

Воздушное охлаждение двигателя

При воздушном охлаждении теплообмен происходит непосредственно между, деталями двигателя и атмосферным воздухом. Встречный поток воздуха, омывая внешнюю поверхность цилиндров и других деталей, отнимает от них. тепло, что дает возможность поддерживать их температуру на уровне, безопасном для работы двигателя.

Для увеличения количества отводимого от головок и гильз цилиндров тепла их снабжают ребрами, увеличивая тем самым в несколько раз поверхность, омываемую воздухом.

У современных двигателей величина охлаждающей поверхности цилиндров лежит в пределах 150÷220 см²/л. с. При указанных соотношениях общая поверхность охлаждения получается очень большой и тем большей, чем больше мощность двигателя, снимаемая с одного литра рабочего объема, составляя, например, для двигателя АШ-82 ФН около 1,8 м² на один цилиндр.

Расположение охлаждающих ребер на цилиндре воздушного охлаждения показано на рис. 6.19. Около 65 ÷ 70 % всей поверхности охлаждения размещается на головке. Нижняя часть головки цилиндрами коробка выпускного клапана обычно имеют более оребренную поверхность, чем коробка в пускного клапана. Это вызвано тем, что головка цилиндра нагревается больше, чем гильза, а коробка выпускного клапана — значительно сильнее коробки впускного клапана.

Поперечное сечение (профиль) ребер делается обычно прямоугольным или трапециевидным (рис.6.20). Толщина 5 стальных ребер на стакане цилиндра находится в пределах 0,4 ÷ 0,8 мм, а алюминиевых ребер на головке цилиндра — 2 ÷ 4 мм. Высота ребра h обычно в 15 ÷ 20 раз превышает его толщину.

П ри такой конфигурации обеспечивается необходимый отвод тепла, а также достаточная механическая прочность ребер.

Эффективность и равномерность охлаждения цилиндров двигателя зависят от расположения цилиндров и от подвода охлаждающего воздуха. Наиболее эффективное и равномерное охлаждение цилиндров наблюдается в двигателях со звездообразным расположением цилиндров. В двухрядных звездообразных двигателях охлаждающий воздух к цилиндрам заднего ряда подводится через промежутки между цилиндрами переднего ряда.

Однако даже при правильном размещении ребер и рациональном расположении цилиндров не удается полностью обеспечить равномерного их охлаждения, если не принять специальных мер для подвода к ним охлаждающего воздуха.

При свободном обтекании цилиндра воздухом за ним образуется вихревая зона, ухудшающая теплоотдачу в воздух от стенок цилиндра с задней его стороны. Вместе с тем часть воздуха, протекающего между цилиндрами, вовсе не используется для отвода тепла.

Для равномерного охлаждения цилиндров и уменьшения их лобового сопротивления применяют дефлекторы. Дефлекторы изготовляются из дюралюминия или стали и устанавливаются по контуру оребренной части гильзы и головки цилиндра, образуя закрытые каналы — туннели, проходя по которым воздух омывает почти равномерно все участки цилиндра. Схема расположения дефлекторов для однорядной и двухрядной звезд приведена на рис. 6.21, а и 6.

При этом весь воздух, проходящий между цилиндрами, участвует в теплообмене, что дает возможность уменьшить общее количество охлаждающего воздуха и снизить тем самым сопротивление двигателя. Эффективность дефлекторов в системе воздушного охлаждения позволяет успешно использовать их и для охлаждения двигателей воздушного охлаждения с рядным расположением цилиндров (рис. 6.22), которые по сравнению со звездообразными двигателями имеют меньшую лобовую площадь.

При охлаждении деталей головки цилиндра труднее всего обеспечить достаточный отвод тепла от выпускного клапана, находящегося под воздействием очень высоких температур. Тепло от грибка клапана отводится к цилиндру через седло клапана, а также через направляющую втулку клапана (рис. 6.23, а).

Для лучшего отвода тепла от выпускных клапанов их делают пустотелыми и заполняют металлическим натрием (рис. 6.23,6), температура плавления которого около 90° С. При работе двигателя натрий плавится и при движении клапана непрерывно взбалтывается и переносит тепло от грибка к более холодному штоку.