Система охлаждения - Классификация систем охлаждения

Средняя температура газов в цилиндрах работающего двигателя составляет около 1000°С. Газы в процессе работы нагревают стенки цилиндра, поршня головки блока. Если двигатель не охлаждать, то сгорит пленка масла между трущимися деталями, в результате чего повысится износ деталей, могут возникнуть заклинивание поршней из-за их расширения и другие неисправности.

Значительный отвод тепла от двигателя (переохлаждение) приводит к снижению его мощности и экономичности вследствие ухудшения процесса смесеобразования. При этом увеличиваются потери на трение, так как свойства масла ухудшаются. Пониженный тепловой режим двигателя вызывает неполное сгорание тяжелых фракций топлива и масла, отчего на стенках камеры сгорания, поршня, тарелках клапанов образуется большой слой нагара. Происходит залегание поршневых колец в канавках поршня, возможно зависание клапанов. Таким образом, избыточный отвод тепла нежелателен так же, как и перегрев. Для нормальной работы двигателя температура воды должна составлять 80-95°С. Система охлаждения служит для отвода тепла от нагретых деталей и поддержания нормального температурного режима работающего двигателя. Отвод лишнего тепла в двигателях внутреннего сгорания достигается их искусственным охлаждением с помощью жидкости (жидкостное охлаждение) или окружающего воздуха (воздушное охлаждение).

Двигатели с жидкостным охлаждением (рис. а) получили наибольшее распространение. В качестве охлаждающей жидкости применяют воду или жидкость с низкой температурой замерзания - антифриз. В жидкостную систему охлаждения входят водяная рубашка 6 охлаждения блока и головки цилиндров, радиатор 2, водяной насос 9 и вентилятор 3, а также вспомогательные устройства: водораспределительный канал 8, термостат 4, соединительные шланги, краники слива и указатель 5 температуры жидкости (термометр).

При работе пускового двигателя до начала проворачивания коленчатого вала основного двигателя происходит термосифонная циркуляция воды. Под действием разности температур вода циркулирует из водяной рубашки цилиндра пускового двигателя в его головку, а затем направляется в водяную рубашку головки блока основного двигателя. Отдав тепло головке блока цилиндров, вода по соединительному патрубку поступает опять в рубашку цилиндров пускового двигателя.

Схемы систем охлаждения.

а - жидкостного, б - воздушного

1 - шторка радиатора, 2 - радиатор, 3 - вентилятор, 4 - термостат, 5 - термометр,

6 - водяная рубашка основного двигателя, 7 - водяная рубашка пускового двигателя,

8 - водораспределительный канал, 9 - водяной насос, 10 - сливной краник,

11 - воздухораспределительный кожух, 12-регулятор подачи масла, 13 - золотник,

14 - головка цилиндра, 15 - маслопровод, 16 - шкив привода вентилятора,

17 – гидродинамическая муфта, 18 – направляющий аппарат вентилятора.

Во время работы основного двигателя принудительная циркуляция воды в системе охлаждения создается центробежным водяным насосом. Центробежный водяной насос 9 забирает воду из нижнего бака радиатора и нагнетает под давлением в водяную рубашку 6 двигателя, где она охлаждает стенки цилиндров. Из водяной рубашки блока вода направляется через отверстия и каналы в водяную рубашку головки цилиндров. Каналы направляют потоки воды к перемычкам клапанных гнезд, подверженным наибольшему нагреву, и к латунным стаканчикам форсунок, предотвращая перегрев и закоксовывание их распылителей. В холодном двигателе вода направляется термостатом из водяной рубашки к водяному насосу (по малому кругу), минуя радиатор, а в прогретом - в верхний бак радиатора (по большому кругу). Проходя из верхнего бака радиатора 2 в нижний по многочисленным трубкам, вода охлаждается. Воду охлаждает поток воздуха, создаваемый вентилятором 3 и поступающий между трубками. Из нижнего бака радиатора вода вновь нагнетается насосом в водяную рубашку двигателя.

Благодаря высокой скорости движения разность температур воды, выходящей из рубашки охлаждения и входящей в нее, небольшая (4-7°С), что создает благоприятные условия для равномерного охлаждения двигателя.

На современных двигателях применяется закрытая система охлаждения. Она характеризуется тем, что радиатор герметически закрыт, только при повышенном или пониженном давлении он сообщается с атмосферой. Для этого на радиаторе установлен паровоздушный клапан. В закрытой системе охлаждения уменьшается потеря жидкости в результате испарения. В такой системе можно поддерживать более высокую температуру воды, что создает благоприятные условия для работы двигателя.

В двигателях с воздушным охлаждением (рис. б) отвод тепла от деталей происходит в результате принудительного обдува цилиндров и их головок воздухом. Принудительное движение воздуха сообщается роторным вентилятором, состоящим из ротора 19 с большим числом лопастей и неподвижного направляющего аппарата 18. Вращаясь с большой частотой, ротор нагнетает воздух под воздухораспределительный кожух 11.

На двигателе воздушного охлаждения введено автоматическое регулирование теплового режима изменением частоты вращения ротора вентилятора. С этой целью между шкивом 16 привода вентилятора и ротором установлена гидродинамическая муфта 17 переменного наполнения маслом, а в головке цилиндра - регулятор 12 подачи масла. Гидромуфта 17 имеет два колеса с лопатками: ведущее - насосное (переднее по ходу двигателя) и ведомое - турбинное. Последнее жестко связано с ротором 19 и не имеет механической связи с насосным колесом.

Действует автоматическое устройство следующим образом. Когда двигатель не прогрет и температура головки цилиндра недостаточна, золотник 13 не пропускает масло из смазочной системы в гидромуфту, в результате чего турбинное колесо с вентилятором не вращается. Двигатель быстро прогревается. При достижении нужной температуры прогрева чувствительный датчик регулятора 12 перемещает золотник 13 и открывает доступ масла в гидромуфту. Масло, попавшее внутрь муфты, захватывается лопатками ведущего колеса и отбрасывается на лопатки ведомого. Это заставляет ведомое колесо вращаться вместе с ротором вентилятора.

В кожухе гидромуфты расположены отверстия (диаметром 1,5 мм), через которые масло непрерывно сливается в картер двигателя. Чем выше температура двигателя, тем большим количеством масла заполнена гидромуфта и тем с большей частотой вращается ротор вентилятора. При снижении температуры до определенного значения золотник ограничивает поступление масла в муфту и вентилятор замедляет вращение.

Материалы: http://tezcar.ru/u-dvig-s_ohl.html

Работа двигателя внутреннего сгорания сопровождается выделением большого количества теплоты. Температура газов в момент вспышки достигает 2000 °С, а средняя температура газов в течение рабочего цикла составляет 800… 600 °С. Только 25…40% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания, используется эффективно. Большая же часть теплоты теряется с отработавшими газами (до 40%) и отводится системой охлаждения (25…35%).

В результате контакта горячих газов с цилиндрами, камерами сгорания, поршнями, клапанами и другими деталями температура этих деталей повышается. Чрезмерный нагрев деталей двигателя приводит к уменьшению зазоров в подвижных соединениях, ухудшению смазки деталей и смазочных свойств масла, а также к нарушению процессов смесеобразования и сгорания (преждевременное воспламенение рабочей смеси, детонация и т. п.). Поэтому для обеспечения нормальной работы двигателя при различных скоростях и нагрузках его температурный режим должен быть вполне определенным и постоянным.

Переохлаждение двигателя или его работа при недостаточном прогреве также отрицательно сказывается на смесеобразовании и сгорании (дополнительные потери теплоты на прогрев двигателя или отвод в систему охлаждения, плохое испарение, конденсация топлива, неоднородная рабочая смесь, смыв масла топливом), а следовательно, снижает эффективность работы двигателя.

Детали двигателя охлаждают путем отвода теплоты в атмосферу. В качестве теплоносителей в системах охлаждения двигателей используют жидкость или воздух. В зависимости от рода применяемого теплоносителя системы охлаждения подразделяют на жидкостные (водяные) и воздушные.

Жидкостные системы охлаждения могут быть с термосифонной и принудительной циркуляцией жидкости.

В термосифонной системе охлаждения жидкость циркулирует за счет разницы в плотности холодной и горячей жидкости. Термосифонная система охлаждения проста, но малоэффективна вследствие медленной циркуляции жидкости. Она применяется для охлаждения преимущественно пусковых двигателей.

Принудительная циркуляция жидкости осуществляется при помощи центробежного насоса. Вследствие интенсивной циркуляции жидкости отвод теплоты от деталей ускоряется.

Если полость жидкостной системы охлаждения свободно сообщается с атмосферой, то такая система охлаждения называется открытой. Она применяется редко, так как требует большого расхода интенсивно испаряющейся жидкости.

Преимущественное применение нашли закрытые системы охлаждения, сообщающиеся с атмосферой периодически через паровоздушный клапан. Эти системы охлаждения отличаются малым расходом воды, простотой обслуживания и меньшим образованием накипи.

Система водяного охлаждения современных двигателей состоит из следующих элементов: водяной рубашки, образуемой полостями блока и головки цилиндров, радиатора, водяного насоса, вентилятора, термостата, водораспределительной трубы, шлангов.

Нагретая в водяной рубашке двигателя вода под напором водяного насоса проходит через открытый клапан термостата и верхний соединительный шланг в радиатор. Протекая по трубкам радиатора, которые подвергаются обдуву потоком воздуха, всасываемым вентилятором, вода охлаждается. Из нижнего бачка радиатора охлажденная вода подсасывается через нижний шланг к насосу и направляется далее по водораспределительной трубе к наиболее нагревающимся частям двигателя.

При перегреве двигателя, когда давление в системе охлаждения повышается вследствие парообразования, часть пара отводится в атмосферу через паровоздушный клапан и трубку. Быстрое охлаждение нагретого двигателя приводит к конденсации пара в системе охлаждения и образованию вакуума. В этом случае атмосферный воздух подсасывается в систему через трубку и клапан.

Прогрев двигателя происходит при закрытом клапане термостата. В этом случае вода в верхний шланг не поступает, а отводится по обводному трубопроводу во всасывающую камеру водяного насоса. Вода циркулирует от водяного насоса к водораспределительной трубе, попадает в водяную рубашку двигателя, затем по обводному трубопроводу снова идет к насосу 10. Радиатор 1 оказывается выключенным, вода циркулирует по малому кругу, прогрев воды интенсивный. Циркуляция воды по малому кругу замедляется по мере открытия клапана термостата 6: поток воды получает доступ в радиатор.

При нормальной работе двигателя под нагрузкой температура воды, поступающей в радиатор, составляет 85…90 °С, и температура воды на входе в водяную рубашку 70…75 °С. В радиаторе вода снижает температуру на 10… 15 °С.

Система воздушного охлаждения (рис. 1, б) состоит из вентилятора, кожуха и щитков-дефлекторов. При работе двигателя вентилятор засасывает атмосферный воздух через сетку и направляет его при помощи кожуха к ребристым поверхностям цилиндров и их головок. Поток воздуха обдувает цилиндры и головки и выходит через окна между дефлекторами. Чем больше открыты окна, тем меньше сопротивление потоку воздуха и интенсивнее обдув цилиндров и их головок. Под кожухом устанавливают масляный радиатор, который также охлаждается потоком воздуха.

По сравнению с водой воздух как теплоноситель имеет более низкие теплопроводность и теплоемкость. Поэтому в двигателях с воздушным охлаждением наиболее нагревающиеся детали (цилиндры, головки цилиндров) имеют увеличенную поверхность контакта с теплоносителем за счет оребрения, а вентилятор повышенной подачи обеспечивает интенсивный обдув двигателя.

Система воздушного охлаждения удобнее в эксплуатации, позволяет снизить массу и габариты двигателя, однако отличается повышенной шумностью и значительными затратами мощности на привод вентилятора (от 5 до 10% мощности двигателя).

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Остались вопросы по теме:

"Принципы работы и классификация систем охлаждения"

© 2007-2017 Строй-Техника.Ру - информационная система по строительной технике.

Материалы: http://stroy-technics.ru/article/printsipy-raboty-i-klassifikatsiya-sistem-okhlazhdeniya

Классификация систем охлаждения

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Система охлаждения двигателя служит для поддержания нормального теплового режима работы двигателей путем интенсивного отвода тепла от горячих деталей двигателя и передачи этого тепла окружающей среде.

Отводимое тепло состоит из части выделяющегося в цилиндрах двигателя тепла, не превращающейся в работу и не уносимой с выхлопными газами, и из тепла работы трения, возникающего при движении деталей двигателя.

Большая часть тепла отводится в окружающую среду системой охлаждения, меньшая часть – системой смазки и непосредственно от наружных поверхностей двигателя.

Принудительный отвод тепла необходим потому, что при высоких температурах газов в цилиндрах двигателя (во время процесса горения 1800–2400 °С, средняя температура газов за рабочий цикл при полной нагрузке 600–1000 °С) естественная отдача тепла в окружающую среду оказывается недостаточной.

Нарушение правильного отвода тепла вызывает ухудшение смазки трущихся поверхностей, выгорание масла и перегрев деталей двигателя. Последнее приводит к резкому падению прочности материала деталей и даже их обгоранию (например, выпускных клапанов). При сильном перегреве двигателя нормальные зазоры между его деталями нарушаются, что обычно приводит к повышенному износу, заеданию и даже поломке. Перегрев двигателя вреден и потому, что вызывает уменьшение коэффициента наполнения, а в бензиновых двигателях, кроме того, – детонационное сгорание и самовоспламенение рабочей смеси.

Чрезмерное охлаждение двигателя также нежелательно, так как оно влечет за собой конденсацию частиц топлива на стенках цилиндров, ухудшение смесеобразования и воспламеняемости рабочей смеси, уменьшение скорости ее сгорания и, как следствие, уменьшение мощности и экономичности двигателя.

В автомобильных и тракторных двигателях, в зависимости от рабочего тела, применяют системы жидкостного и воздушного охлаждения. Наибольшее распространение получило жидкостное охлаждение.

При жидкостном охлаждении циркулирующая в системе охлаждения двигателя жидкость воспринимает тепло от стенок цилиндров и камер сгорания и передает затем это тепло при помощи радиатора окружающей среде.

По принципу отвода тепла в окружающую среду системы охлаждения могут быть замкнутыми и незамкнутыми (проточными).

Жидкостные системы охлаждения автотракторных двигателей имеют замкнутую систему охлаждения, т. е. постоянное количество жидкости циркулирует в системе. В проточной системе охлаждения нагретая жидкость после прохождения через нее выбрасывается в окружающую среду, а новая забирается для подачи в двигатель. Применение таких систем ограничивается судовыми и стационарными двигателями.

Воздушные системы охлаждения являются незамкнутыми. Охлаждающий воздух после прохождения через систему охлаждения выводится в окружающую среду.

Классификация систем охлаждения приведена на рис. 3.1.

По способу осуществления циркуляции жидкости системы охлаждения могут быть:

• принудительными, в которых циркуляция обеспечивается специальным насосом, расположенным на двигателе (или в силовой установке), или давлением, под которым жидкость подводится в силовую установку из внешней среды;
• термосифонными, в которых циркуляция жидкости происходит за счет разницы гравитационных сил, возникающих в результате различной плотности жидкости, нагретой около поверхностей деталей двигателя и охлаждаемой в охладителе;
• комбинированными, в которых наиболее нагретые детали (головки блоков цилиндров, поршни) охлаждаются принудительно, а блоки цилиндров – по термосифонному принципу.

Рис. 3.1. Классификация систем охлаждения

Системы жидкостного охлаждения могут быть открытыми и закрытыми.

Открытые системы – системы, сообщающиеся с окружающей средой при помощи пароотводной трубки.

В большинстве автомобильных и тракторных двигателей в настоящее время применяют закрытые системы охлаждения, т. е. системы, разобщенные от окружающей среды установленным в пробке радиатора паровоздушным клапаном.

Давление и соответственно допустимая температура охлаждающей жидкости (100–105 °С) в этих системах выше, чем в открытых системах (90–95 °С), вследствие чего разность между температурами жидкости и просасываемого через радиатор воздуха и теплоотдача радиатора увеличиваются. Это позволяет уменьшить размеры радиатора и затрату мощности на привод вентилятора и водяного насоса. В закрытых системах почти отсутствует испарение воды через пароотводный патрубок и закипание ее при работе двигателя в высокогорных условиях.

На рис. 3.2 показана схема жидкостной системы охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.

Рубашка охлаждения блока цилиндров 2 и головки блока 3, радиатор и патрубки через заливную горловину заполнены охлаждающей жидкостью. Жидкость омывает стенки цилиндров и камер сгорания работающего двигателя и, нагреваясь, охлаждает их. Центробежный насос 1 нагнетает жидкость в рубашку блока цилиндров, из которой нагретая жидкость поступает в рубашку головки блока и затем по верхнему патрубку вытесняется в радиатор. Охлажденная в радиаторе жидкость по нижнему патрубку возвращается к насосу.

Рис. 3.2. Схема жидкостной системы охлаждения

Циркуляция жидкости в зависимости от теплового состояния двигателя изменяется с помощью термостата 4. При температуре охлаждающей жидкости ниже 70–75 °С основной клапан термостата закрыт. В этом случае жидкость не поступает в радиатор 5, а циркулирует по малому контуру через патрубок 6, что способствует быстрому прогреву двигателя до оптимального теплового режима. При нагревании термочувствительного элемента термостата до 70–75 °С основной клапан термостата начинает открываться и пропускать воду в радиатор, где она охлаждается. Полностью термостат открывается при 83–90 °С. С этого момента вода циркулирует по радиаторному, т. е. большому, контуру. Температурный режим двигателя регулируется также с помощью поворотных жалюзей, путем изменения воздушного потока, создаваемого вентилятором 7 и проходящего через радиатор.

В последние годы наиболее эффективным и рациональным способом автоматического регулирования температурного режима двигателя является изменение производительности самого вентилятора.

Материалы: http://studopedia.ru/2_66562_zhidkostnaya-sistema-ohlazhdeniya.html