Рассматривается принцип работы воздушной системы охлаждения и её использование в малогабаритных и легких двигателях.
Воздушная система охлаждения часто применяется в малых и легких двигателях, что связано с особенностями теплоотвода и конструктивными требованиями к таким силовым установкам. Этот способ охлаждения обеспечивает простоту, компактность и сниженный вес двигателя, что важно для мобильных и переносных машин. Понимание механизма работы воздушного охлаждения раскрывает причины его выбора именно для небольших моторов.
Воздушное охлаждение базируется на непосредственной передаче теплоты от нагретых поверхностей двигателя к окружающему воздуху. Для увеличения эффективности теплообмена цилиндры и головки блока цилиндров оснащают оребрением — ребрами, увеличивающими площадь поверхности соприкосновения с воздухом. Воздух, проходя между ребрами, забирает теплоту, снижая температуру деталей двигателя. При этом теплоёмкость воздуха значительно ниже, чем у жидкости, поэтому объём тепла, который можно отвести за единицу времени, ограничен [1].
Малые двигатели обычно имеют небольшой тепловыделяющий объём. Максимальная температура сгорания в цилиндрах достигает 2000 °C и более, но при отсутствии отвода тепла температура стенок камеры сгорания могла бы разогреться до равновесной температуры в несколько сот градусов, что критично для материалов двигателя. В малых моторах интенсивность теплового потока ниже, и оребрение под воздушным обдувом способно эффективно рассеивать выделяемое тепло без необходимости сложных контуров жидкостного охлаждения.
Кроме того, воздушное охлаждение исключает необходимость в жидкостных системах с радиаторами, насосами и трубопроводами. Отсутствие этих компонентов облегчает конструкцию мотора и снижает его массу, важный фактор для переносных инструментов или техники с ограниченным весом [1], [3]. Малый вес улучшает манёвренность и упрощает обслуживание.
В зависимости от условий эксплуатации применяют разные способы подачи воздуха к оребрённым поверхностям. Естественное воздушное охлаждение полагается на движение воздуха вокруг движущегося транспортного средства или оборудования. В таких случаях скорость обдува ограничена внешними факторами и не всегда равномерна по всей поверхности двигателя.
Для стационарной техники или устройств с закрытыми кожухами используют принудительное воздушное охлаждение: вентиляторы создают поток воздуха через оребрение. Это позволяет поддерживать необходимый тепловой режим даже при низкой скорости движения или в неподвижном состоянии агрегата. Однако вентиляторы добавляют шум и требуют дополнительного пространства для размещения кожухов и лопастей [1].
Воздушное охлаждение не способно обеспечить равномерный отвод большого количества тепла из-за низкой теплоёмкости воздуха. Это ограничивает максимальную мощность таких двигателей и препятствует их эффективному применению в более тяжёлой технике или автомобилях высокой мощности.
Температурные колебания при воздушном охлаждении более выражены: из-за изменения температуры окружающего воздуха меняется эффективность теплоотвода, что затрудняет поддержание оптимального температурного режима цилиндро-поршневой группы во всём диапазоне нагрузок. Неправильный тепловой режим ведёт к ухудшению наполнения цилиндров горючей смесью, возможному детонированию и повышенному износу деталей [1], [3].
Переход к жидкостному охлаждению обусловлен стремлением обеспечить стабильную температуру, которая в случае водяного охлаждения ограничена кипением жидкости и обычно не превышает 90..100 °C. Такая система более сложна по конструкции и тяжелее, но обеспечивает более равномерный и интенсивный теплоотвод при высоких нагрузках [1].
Малые двигатели обычно имеют одно- или двухцилиндровую компоновку с развитым оребрением на блоке цилиндров для максимального контакта с воздухом. Компактные размеры позволяют разместить двигатель как законченный блок на горизонтальной плоскости без обширных систем трубопроводов.
При этом многие производители используют унифицированные ряды однотипных двигателей с воздушным охлаждением (например Briggs & Stratton, Honda, Subaru, китайские производители), что упрощает производство и ремонт техники различного назначения: мотоблоки, генераторы, бензопилы.
Особенностью является также высокая подверженность шуму из-за отсутствия жидкости внутри блока двигателя, вентилятор создает дополнительный шумовой фон. Для борьбы с локальными перегревами применяют расположение выпускных каналов вперёд по потоку воздуха относительно впускных каналов назад, а также аэродинамические кожухи, направляющие поток равномерно по ребрам [1].
Воздушная система была широко распространена в легковых автомобилях Европы середины XX века, такие модели как Volkswagen Kafer, Fiat 500, Citroën 2CV, Tatra 613, Trabant использовали её благодаря простоте конструкции и сниженной массе двигателя.
В СССР «Запорожец» стал одним из символов именно такого подхода к системе охлаждения. Грузовые автомобили марки «Татра» длительное время оснащались дизелями с воздушным охлаждением (с момента начала выпуска и до начала 2010 годов оснащались исключительно такими двигателями) благодаря надёжности и обслуживаемости в тяжелых условиях эксплуатации.
Несмотря на преимущества простоты и меньшего веса, современные экологические нормы усложнили использование чисто воздушного охлаждения, так как соблюсти их в узком диапазоне температур цилиндра значительно проще при жидкостном охлаждении [1].
Выбор системы охлаждения зависит от соотношения мощности двигателя к его габаритам и условиям эксплуатации:
- Малые моторы имеют сравнительно низкую тепловую нагрузку; их масса критична; отсутствие жидкостной системы облегчает конструкцию.
- Воздух обладает низкой теплоёмкостью; поэтому применяется развитое оребрение для увеличения площади теплообмена.
- Принудительный обдув компенсирует недостаточную естественную вентиляцию при стационарной работе.
- При больших мощностях требуется стабилизация температуры посредством жидкостного контура.
Таким образом, именно физические свойства воздуха как теплоносителя ограничивают применение воздушной системы преимущественно малыми лёгкими двигателями со сравнительно невысокой тепловой нагрузкой [1], [2], [3].
Создаётся краткое изложение…