admin | Спецтехника

Система охлаждения двигателей

Средняя температура газов в течение рабочего цикла двигателя составляет 800—900° С. Часть тепла газов передается его деталям (цилиндрам, головке цилиндров, поршням, клапанам и др.). вследствие чего температура их возрастает.

ухудшаются смазочные свойства масла и в результате этого повышаются потери на трение, увеличиваются износ деталей и расход масла;
появляется возможность преждевременного воспламенения рабочей смеси и детонации при ее сгорании (карбюраторные двигатели);
уменьшаются зазоры в подвижных сочленениях, и создается возможность заклинивания движущихся деталей.

Теплота от деталей двигателя отводится в атмосферу. Это вынужденные потери тепловой энергии, значение которых зависит от типа двигателя, его конструкции и способа охлаждения.

Охлаждение двигателя не должно быть чрезмерным, так как при этом теряется полезное тепло, топливо плохо испаряется, трудно воспламеняется, медленно горит, и поэтому мощность двигателя снижается. Кроме того, частицы топлива, конденсируясь на стенках цилиндра, смывают с них масло и, стекая в картер, разжижают его. Это ухудшает смазку двигателя.

У дизелей чрезмерное охлаждение может привести к отложению на деталях поршневой группы и клапанах смолистых веществ, к закоксовыванию поршневых колец, а у карбюраторных двигателей — к коррозионному износу вследствие конденсации паров кислот, образующихся при сгорании топлива.

Для обеспечения необходимого температурного состояния двигатель имеет ряд устройств, деталей и приборов, объединенных в систему охлаждения.

В двигателях применяется два способа охлаждения: жидкостное и воздушное. В первом случае тепло от стенок цилиндров передается жидкости, а через нее — воздуху, во втором случае тепло от стенок цилиндров передается непосредственно воздуху. У большинства двигателей в качестве охлаждающей жидкости применяется вода, которая в зимнее время заменяется антифризами. В двигателях 24Д используют всесезонную жидкость ТАСОЛ А-40.

В системе жидкостного (водяного) охлаждения вода, заполняющая водяные рубашки 9 блок-картера (рис. 1) и 8 головки цилиндров, омывает стенки цилиндров и камер сгорания и отводит от них тепло. Нагретая вода поступает в специальный охладитель (радиатор), где отдает тепло воздуху. Охлажденная в радиаторе вода вновь поступает в водяную рубашку. Таким образом, в системе охлаждения происходит непрерывная циркуляция воды. Температура охлаждающей воды работающего двигателя должна находиться в пределах 80—95° С.

В зависимости от способа циркуляции охлаждающей воды различают две системы охлаждения: термосифонную и принудительную.

Рис. 1. Схемы водяных систем охлаждения:

а — термосифонная; б — принудительная; 1 — сердцевина радиатора; 2 — вентилятор; 3 — шторка; 4 — верхний бак радиатора; 5 — крышка наливной горловины; 6 — пароотводная трубка; 7 — верхний патрубок; 9 — рубашка головки цилиндров; 9 — рубашка блок-картера; 10 — нижний патрубок; 11 — нижний бак радиатора; 12 — пробка сливного отверстия; 13 — устройство с паровым и воздушным клапанами; 14 — термостат; 15 — дистанционный указатель температуры; 16 — водораспределительный канал; 17 — центробежный насос; 18 — водоотводная трубка.

В термосифонной системе охлаждения (рис. 1, а) циркуляция воды в системе происходит вследствие разности плотностей холодной и горячей воды. При нагревании в водяной рубашке плотность воды уменьшается, и она по патрубку 7 поднимается в верхний бак 4 радиатора. В сердцевине 1 радиатора вода охлаждается, плотность ее повышается, и по патрубку 10 она поступает в водяную рубашку, вытесняя воду с меньшей плотностью.

Для увеличения интенсивности охлаждения воды позади радиатора установлен вентилятор 2, увеличивающий скорость воздуха, охлаждающего воду.

Преимущества термосифонной системы охлаждения таковы: простота устройства, незначительная интенсивность циркуляции воды при пуске и прогреве двигателя, саморегулирование интенсивности охлаждения в зависимости от нагрузки двигателя (при повышении нагрузки увеличивается нагрев воды и, следовательно, ускоряется ее циркуляция).

Недостаток термосифонной системы охлаждения — сравнительно медленная циркуляция воды в ней, что создает необходимость увеличения емкости системы. Кроме того, недостаточная интенсивность циркуляции воды приводит к усиленному испарению ее из системы, а следовательно, к необходимости частой проверки уровня воды и пополнения ею системы. Эти недостатки ограничивают сферу ее применения.

В принудительной системе охлаждения (рис. 1, б) циркуляция воды создается центробежным насосом 17. Насос нагнетает воду в рубашку блок-картера, из которой нагретая вода вытесняется в радиатор. Охлажденная в радиаторе вода поступает по патрубку снова к насосу. По такой схеме работают водяные системы охлаждения большинства двигателей.

В системе охлаждения двигателей ЯМЗ-240Б и 24Д предусмотрен расширительный бак, соединенный патрубками с верхним бачком радиатора и головкой цилиндров. Расширительный бак — резервная емкость для охлаждающей жидкости, увеличивающейся в объеме при нагревании.

Разность температур нагретой и охлажденной воды в случае применения системы охлаждения с принудительной циркуляцией воды не превышает 10° С.

Интенсивность циркуляции воды и потока воздуха, создаваемого вентилятором, в принудительной системе охлаждения зависит главным образом от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Поэтому, чтобы при понижении температуры окружающего воздуха и уменьшении нагрузки двигатель не переохлаждался, применяют различные устройства, регулирующие тепловой режим двигателя: термостат 14, шторки и жалюзи радиатора.

Усиленный отвод теплоты от наиболее нагретых частей камер сгорания и цилиндров осуществляется сосредоточенным охлаждением этих деталей. В данном случае вода попадает в распределительный канал 16, идущий вдоль верхней части блок-картера. В канале сделаны отверстия для подачи воды в первую очередь к наиболее горячим частям блок-картера и цилиндров. Для этой же цели в головках цилиндров двигателей Д-160 имеются водораспределительные насадки-отражатели.

Если система охлаждения с принудительной циркуляцией воды постоянно сообщена с атмосферой через пароотводную трубку 6 (рис. 1, а), то ее называют открытой.

Если система охлаждения с принудительной циркуляцией воды отъединена от атмосферы специальным устройством 13, в котором объединены паровой и воздушный клапаны (рис. 1, б), то ее называют закрытой. Она применяется на большинстве автотракторных двигателей (рис. 2).

Рис. 2. Схема системы закрытого жидкостного охлаждения (двигатель Д-240):

1 — крышка горловины для заливки воды; 2 — радиатор: 3 — водоподводящий патрубок; 4 — термостат; 5 — дистанционный указатель температуры; 6 — рукоятка управления шторкой; 7 — краник слива воды из блок-картера; 8 — водяной насос; 9 — водоотводящий патрубок; 10 — вентилятор; 11 — краник слива воды из радиатора; 12 — шторка.

Закрытая система охлаждения работает при давлении несколько выше атмосферного, и температура кипения воды в ней соответственно повышается. Поэтому в закрытой системе охлаждения испарение воды, а значит, и расход ее, и отложение накипи уменьшаются.

В системе воздушного охлаждения отвод тепла от деталей двигателя происходит в результате обдува цилиндров и их головок воздухом.

У двигателей небольшой мощности, устанавливаемых на мотоциклах и мотороллерах, детали охлаждаются встречным потоком воздуха при движении. Для двигателей тракторов и автомобилей такого охлаждения недостаточно. Поэтому в этих двигателях применяется принудительный обдув деталей воздухом при помощи вентилятора. У дизеля Д-37Е осевой вентилятор нагнетает воздух к охлаждаемым поверхностям по воздухораспределительному кожуху 1 (рис. 3).

Рис. 3. Схема системы воздушного охлаждения (двигатель Д-37Е):

1 — воздухораспределительный кожух; 2 — задний дефлектор (направляющий щиток); 3 — средний дефлектор; 4 — лопасть ротора; 5 — рабочее колесо (ротор) вентилятора; 6 — стяжной болт; 7 — втулка; 8 — шарикоподшипник; 9 — направляющий аппарат; 10 — защитная сетка; 11 — ведомый шкив; 12 — гайка; 13 — барашковая гайка; 14 — приводной ремень; 15 — вал; 16 — хомут; 17— передний дефлектор; 18 — ведущий шкив; 19 — пружинный замок кожуха.

Равномерный обдув цилиндров и их головок со всех сторон обеспечивается кожухом 1 и системой дефлекторов (направляющих щитков) 2, 3 и 17. С целью увеличения поверхности охлаждения цилиндры и головки цилиндров двигателя делают с ребрами.

Воздушная система охлаждения двигателя по сравнению с принудительной системой водяного охлаждения проще и удобнее в эксплуатации. Кроме того, масса и габариты двигателя с воздушным охлаждением меньше, чем двигателя с водяным охлаждением.

Недостатки воздушной системы охлаждения таковы: неравномерное охлаждение деталей двигателя, потеря значительной части индикаторной мощности (до 8%) на привод вентилятора, сравнительно высокая температура воздуха, идущего от двигателя, затрудненный пуск при температуре воздуха ниже 0° С. [Тракторы и автомобили. Гуревич А.М., Сорокин Е.М. 1978 г.]

Назначение и типы систем охлаждения двигателя

Назначение. Топливо, сгорающее в цилиндрах двигателя, содержит в своем составе небольшое количество серы. В процессе сгорания топлива сгорает и сера, образуя при этом сернистый SO₂ и серный SO₃ ангидриды.

Эти соединения при высокой температуре инертны и не вызывают коррозии металла. Но, как известно, при сгорании топлива образуется много водяных паров Н₂О, которые при определенных условиях могут конденсироваться на относительно холодных стенках цилиндров.

С водяными парами эти соединения образуют сернистую Н₂SО₃ и серную Н₂S0₄ кислоты. Кроме соединений серы, при сгорании топлива образуются также углекислый газ СО₂ и двуокись азота NO₂, которые при соединении с водяными парами образуют угольную Н₂СО₃ и азотную HNO₃ кислоты.

Все образовавшиеся в цилиндрах кислоты вызывают сильный коррозионный износ стенок цилиндров и поршневых колец (рис. 1).

Рис. 1. Процессы, проходящие в цилиндрах дизеля во время работы.

На уменьшение вредного действия кислот и конденсата воды оказывает влияние температура деталей дизеля во время работы. О степени нагрева деталей судят по температуре охлаждающей жидкости (или масла) в картере двигателя. Нормальной температурой принято считать 80…95 °С для жидкости и 50…120 °С для масла. Отклонения от указанных величин приводят к нежелательным последствиям.

Двигатель переохлажден (температура деталей ниже нормы). При температуре деталей ниже температуры росы на стенках цилиндров происходит конденсация паров воды, часть которой стекает в поддон картера двигателя. В поддоне картера вода и металлические продукты износа или коррозии образуют соли органических кислот (мыла), которые плохо растворяются в масле и выпадают в виде осадка, образуя шлам, нарушающий нормальную работу механизмов и приборов смазочной системы. Кроме солей, при этом образуются кислоты, вызывающие износы.

Наконец, при работе переохлажденного двигателя происходит неполное сгорание тяжелых фракций топлива и масла, отчего снижается мощность двигателя и увеличивается удельный расход топлива.

Кроме того, в результате неполного сгорания топлива на стенках камеры сгорания, поршнях, стержнях и тарелках клапанов образуется большой слой нагара, вызывающий залегание поршневых колец в канавках поршня.
Кольца при этом перестают пружинить и начинают пропускать газы из камеры сгорания в картер. Бывают случаи зависания клапанов во втулках, на стенках которых осели смолистые отложения.

Двигатель перегрет (температура его деталей выше нормы). При излишне нагретых деталях снижается массовое наполнение цилиндров свежим зарядом (воздухом), а следовательно, и кислородом, что вызывает падение мощности и увеличение удельного расхода топлива. На горячих стенках деталей сгорает масло, повышается трение, ослабляется прочность металла, из которого сделаны детали, и т. д. А это, в свою очередь, увеличивает износы трущихся поверхностей деталей двигателя.

Тепловой баланс дизеля. При сгорании топлива в цилиндрах дизеля выделяется большое количество теплоты, но только часть ее превращается в полезную механическую работу. Часть энергии расходуется на преодоление трения, возникающего между движущимися деталями, часть — на приведение в действие различных механизмов двигателя. Большое количество теплоты уносится в атмосферу с отработавшими газами. Одновременно с этим довольно большое количество теплоты идет на нагрев деталей. Поэтому если во время работы дизеля теплоту не отводить, то работоспособность сопряжений и самих деталей будет нарушаться.

Примерное количество теплоты, превращающейся в механическую работу, а также уходящей с отработавшими газами, показано на рисунке 2.

Рис. 2. Тепловой баланс дизеля.

Для отвода избыточной теплоты от дизеля во время работы и поддержания оптимального теплового режима прибегают к его искусственному охлаждению.

Типы искусственного охлаждения. Искусственное охлаждение двигателей внутреннего сгорания осуществляется двумя способами. При первом способе теплота от стенок цилиндра отводится в жидкость, а затем через нее в окружающую атмосферу (жидкостное охлаждение). При втором теплота передается непосредственно окружающему воздуху (воздушное охлаждение). [Семенов В. М., Власенко В. Н. Трактор. 1989 г.]

Система охлаждения двигателя трактора

Необходимость охлаждения двигателя связана с том, что при перегреве его деталей уменьшается мощность, увеличивается расход топлива, более интенсивно изнашиваются детали. Отвод тепла в систему охлаждения должен быть строго определенным, так как переохлаждение также ухудшает работу двигателя. Так, например, при снижении температуры охлаждающей воды с 95 до 45° мощность двигателя Д-36 уменьшается на 2—2,5 л. с., а удельный расход топлива увеличивается на 20 г/л.с. Поэтому температура охлаждающей воды при работе двигателя должна быть не ниже 95°.

Охлаждение тракторных двигателей может быть водяным или воздушным. При водяном охлаждении интенсивнее отвод тепла, вследствие чего ниже тепловая напряженность деталей, лучше наполнение цилиндров, поршни можно устанавливать с меньшим зазором, что уменьшает расход масла. Однако воздушное охлаждение по ряду показателей превосходит водяное. У двигателей с воздушным охлаждением меньше габариты и вес, потому что нет радиатора, патрубков и двойных стенок водяной рубашки; проще обслуживание; исключена возможность размораживания; двигатель более износоустойчив, так как быстро прогревается после запуска и более чувствителен к изменению температуры окружающего воздуха; кроме того, пусковые качества двигателя при хорошем подогреве воздуха, засасываемого в цилиндры, лучше. Поэтому двигатели с воздушным охлаждением начинают применять на тракторах.

В водяных системах охлаждения циркуляция воды может быть термосифонной и принудительной. Несмотря на простоту устройства, термосифонная система охлаждения в чистом виде в тракторных двигателях не применяется вследствие ряда недостатков, обусловленных малой скоростью движения воды.

Термосифонная циркуляция воды в системе охлаждения применяется лишь на пусковом двигателе ПД-10 трактора «Беларусь».

У двигателей Д-36, Д24 и Д-14 принята система охлаждения с принудительной циркуляцией воды. Она сложнее термосифонной, но значительно надежнее в работе.

В зависимости от способа сообщения с атмосферой водяные системы охлаждения подразделяют на открытые и закрытые.

Открытая система охлаждения постоянно сообщается с атмосферой через пароотводную трубку радиатора. Закрытая может сообщаться с атмосферой лишь через специальный паровоздушный клапан. Этот клапан выпускает часть пара при повышении давления в системе на 0,1—0,5 кг/см² сверх атмосферного, а также впускает воздух при создании в системе разрежения 0,05—0,2 кг/см². Благодаря повышенному давлению температура кипения воды в системе повышается до 102—110°, поэтому в закрытой системе расход воды значительно меньший.

Система охлаждения двигателя Д-36.

Рис. Схема системы охлаждения двигателя Д-36:

1 — радиатор; 2 — нижняя полость корпуса термостата; 3 — нижний патрубок термостата; 4 — боковые окна термостата; 5 — тяга; 6 — жалюзи; 7 — сердцевина радиатора; 8 — верхний бак радиатора; 9 — заливная горловина; 10 — пробка; 11 — пароотводная трубка; 12 — подводящий патрубок; 13 — кожух вентилятора; 14, 19, 22 и 30 — шланги; 15 — верхний патрубок корпуса термостата; 16 — основной клапан термостата; 17 — боковая полость корпуса термостата; 18 — уплотнительное кольцо термостата; 20 — термометр; 21 — труба; 23 — водяная рубашка пускового двигателя; 24 — патрубок; 25 — сливной кран рубашки блока; 26 — водяная рубашка головки блока; 27 — водяная рубашка блока цилиндров; 28 — отверстие водораспределительного клапана; 29 — водяной насос; 31 — отводящий патрубок радиатора; 32 — сливной кран радиатора; 33 — нижний бак радиатора.

Двигатель Д-36 имеет закрытую водяную систему охлаждения с принудительной циркуляцией. Водяная рубашка блока цилиндров 27 (рис.) разделена поперечными перегородками на четыре отсека, которые верхними отверстиями сообщаются с водяной рубашкой головки 26 блока, а через боковые отверстия 28 — с водораспределительным каналом. Этот канал расположен с правой стороны блока и соединен с нагнетательной полостью водяного насоса.

Водяная рубашка головки блока сообщается с нижней полостью 2 корпуса термостата, верхний патрубок 15 которого через шланг 14 соединяется с верхним баком радиатора, а нижний патрубок 3 — со всасывающей полостью водяного насоса. С этой же полостью, патрубком 31 и шлангом 30 связан нижний бак 33 радиатора.

Пусковой двигатель имеет систему охлаждения, общую с дизелем. Нижняя часть водяной рубашки 23 пускового двигателя патрубком 24 соединяется с водяной рубашкой головки блока дизеля, а верхняя — через трубу 21 и шланги 19 и 22 — с боковой полостью 17 корпуса термостата.

Систему заполняют водой через заливную горловину радиатора. Сливают воду через краники 25 и 32. Температуру воды в системе охлаждения контролируют термометром, датчик которого установлен в верхнем баке радиатора, а указатель смонтировал на щитке приборов.

В зависимости от теплового режима двигателя вода в системе охлаждения может циркулировать по трем путям, показанным различными стрелками на рисунке.

1. При прогреве пускового двигателя. Вода нагревается в водяной рубашке пускового двигателя, вытесняется холодной водой, поступающей из рубашки головки блока дизеля, и по трубе 21 поступает сначала в боковую, а затем в нижнюю полости корпуса термостата и далее снова в рубашку головки блока. Таким образом, при неподвижном коленчатом вале дизеля в системе устанавливается термосифонная циркуляция воды. Горячая вода, поступающая от пускового двигателя в головку блока дизеля, прогревает ее, чем облегчает запуск двигателя.

2. При прогреве дизеля, когда коленчатый вал его прокручивается пусковым двигателем, а также при работе дизеля, когда температура охлаждающей воды не превышает 70°, происходит принудительная циркуляция воды по короткому контуру, минуя радиатор, так как закрыт основной клапан термостата.

3. В прогретом двигателе, когда температура воды в системе повысится до 70°, основной клапан термостата 16 начнет открываться, а боковые клапаны закрываться. Пройдя через рубашку двигателя тем же путем, что и в предыдущем случае, вода из корпуса термостата поступит в радиатор и, охлажденная в нем, будет нагнетаться насосом снова в водяную рубашку двигателя. Пока температура не достигнет 83°, часть воды будет идти через частично открытые боковые клапаны термостата и минует радиатор, благодаря чему обеспечивается регулирование теплового состояния двигателя.

Система охлаждения включает в себя термостат, радиатор, вентилятор и водяной насос. [Дизельные колесные тракторы. Гельман Б.М. и др. 1959 г.]