Двигатель с воздушным охлаждением

Двигатели с воздушным охлаждением полагаются на циркуляцию воздуха непосредственно над ребрами рассеивания тепла или горячими участками двигателя для их охлаждения и поддержания рабочей температуры двигателя. Конструкции с воздушным охлаждением намного проще, чем их аналоги с жидкостным охлаждением, для которых требуется отдельный радиатор , резервуар для охлаждающей жидкости, трубопроводы и насосы.

Двигатели с воздушным охлаждением широко используются в тех случаях, когда основной целью является вес или простота. Их простота делает их пригодными для использования в небольших устройствах, таких как бензопилы и газонокосилки , а также в небольших генераторах и аналогичных целях. Эти качества также делают их очень подходящими для использования в авиации, где они широко используются в самолетах авиации общего назначения и в качестве вспомогательных силовых установок на более крупных самолетах. В частности, их простота делает их распространенными на мотоциклах .

Цилиндр от авиационного двигателя воздушного охлаждения Continental C85 . Обратите внимание на ряды ребер как на стальном цилиндре, так и на алюминиевой головке цилиндра. Ребра обеспечивают дополнительную площадь поверхности, позволяющую воздуху проходить через цилиндр и поглощать тепло.

Введение

Большинство современных двигателей внутреннего сгорания охлаждаются замкнутым контуром, по которому жидкая охлаждающая жидкость проходит через каналы в блоке цилиндров и головке блока цилиндров. Жидкость в этих каналах поглощает тепло, а затем поступает в теплообменник или радиатор , где охлаждающая жидкость отдает тепло в воздух (или сырую воду , в случае судовых двигателей ). не Таким образом, хотя они в конечном итоге охлаждаются жидкостью, поскольку тепло обменивается с какой-либо другой жидкостью, например воздухом, из-за контура жидкостного охлаждения они известны как жидкостно-охлаждаемые .

Напротив, тепло, выделяемое двигателем с воздушным охлаждением, выделяется непосредственно в воздух. Обычно этому способствуют металлические ребра, закрывающие внешнюю часть головки блока цилиндров, и цилиндры , которые увеличивают площадь поверхности, на которую может воздействовать воздух. Воздух может подаваться принудительно с помощью вентилятора и кожуха для достижения эффективного охлаждения большими объемами воздуха или просто естественным потоком воздуха с хорошо спроектированными и расположенными под углом ребрами.

Во всех двигателях внутреннего сгорания большая часть выделяемого тепла, около 44%, уходит через выхлопные газы. Еще 8% или около того попадает в масло , которое необходимо охладить в масляном радиаторе . Это означает, что менее половины тепла необходимо отводить через другие системы. В двигателе с воздушным охлаждением только около 12% тепла уходит через металлические ребра. ^[1] Двигатели с воздушным охлаждением обычно работают более шумно, однако они обеспечивают большую простоту, что дает преимущества при обслуживании и замене деталей, а также обычно дешевле в обслуживании. ^[2]

Приложения

Дорожные транспортные средства

Многие мотоциклы используют воздушное охлаждение ради снижения веса и сложности. Лишь немногие современные автомобили имеют двигатели с воздушным охлаждением (например, Tatra 815 ), но исторически это было обычным явлением для многих крупносерийных автомобилей. Ориентация цилиндров двигателя обычно бывает либо одноцилиндровой, либо соединенной в группы по два, а цилиндры обычно ориентированы горизонтально, как плоский двигатель вертикальные рядные четырехцилиндровые двигатели , тогда как используются . Примеры прошлых дорожных транспортных средств с воздушным охлаждением, примерно в хронологическом порядке, включают:

Франклин (1902–1934)
New Way (1905 г.) - закончился ограниченный выпуск "CLARKMOBILE".
Chevrolet Series M с медным охлаждением (1921–1923) (построено очень мало) ^[3]
Татра Полноприводные военные грузовики
Татра 11 (1923-1927) и последующие модели
Татра Т77 (1934-1938)
Татра Т87 (1936-1950)
Татра Т97 (1936-1939)
Татра Т600 Татраплан (1946-1952)
Татра Т603 (1955-1975)
Татра Т613 (1974-1996)
Татра Т700 (1996-1999)
Кросли (1939–1945)
Восточногерманский Трабант (1957-1991)
Трабант 500 (1957-1962)
Трабант 600 (1962-1965)
Трабант 601 (1964-1989)
ЗАЗ Запорожец (1958-1994)
Фиат 500 (1957-1975)
Фиат 126 (1972-1987)
Порше 356 (1948-1965)
Порше 911 (1964-1998)
Порше 912 (1965-1969, 1976 г.)
Фольксваген Порше 914 (1969-1976)
Volkswagen Beetle , Type 2 , SP2 , Karmann Ghia и Type 3 использовали один и тот же двигатель воздушного охлаждения (1938-2013 гг.) с различным рабочим объемом.
Фольксваген Тип 2 (Т3) (1979–1982)
Фольксваген Тип 4 (1968-1974)
Фольксваген Гол (G1) (1980-1986)
Двигатель Тойота U (1961-1976)
Шевроле Корвайр (1960-1969)
Citroën 2CV (1948–1990) (имел систему охлаждения масла под высоким давлением и вентилятор, прикрепленный болтами к концу коленчатого вала)
Ситроен GS и GSA
Хонда 1300 (1969-1973)
НГУ Принц
Royal Enfield Motorcycles (Индия) : мотоциклетные двигатели Twinspark объемом 350 куб.см и 500 куб.см имеют воздушное охлаждение.
Клуб Ольцит (1981–1995) T13/653, G11/631 и VO36/630
Demak Dzm 200 2015

Авиация

В 1920-х и 30-х годах в авиационной промышленности шли большие дебаты о преимуществах конструкций с воздушным охлаждением по сравнению с жидкостным. В начале этого периода жидкостью, используемой для охлаждения, была вода при атмосферном давлении. Количество тепла, уносимого жидкостью, зависит от ее мощности и разницы температур на входе и выходе. Поскольку температура кипения воды снижается при более низком давлении, и воду нельзя было эффективно перекачивать в виде пара, радиаторы должны были иметь достаточную охлаждающую мощность, чтобы компенсировать потерю охлаждающей мощности при наборе высоты самолета. Получившиеся радиаторы были довольно большими и вызывали значительное аэродинамическое сопротивление . ^[4]

В результате обе конструкции были примерно равны по тяговой мощности, но конструкции с воздушным охлаждением почти всегда были легче и проще. В 1921 году ВМС США , во многом благодаря усилиям командующего Брюса Лейтона , решили, что простота конструкции с воздушным охлаждением приведет к уменьшению объема работ по техническому обслуживанию, что имело первостепенное значение, учитывая ограниченную рабочую зону авианосцев . Усилия Лейтона привели к тому, что ВМС подписали контракт на разработку двигателей с воздушным охлаждением в компаниях Pratt & Whitney и Wright Aeronautical . ^[4]

Большинство других групп, особенно в Европе, где летно-технические характеристики самолетов быстро улучшались, больше интересовались проблемой лобового сопротивления. В то время как конструкции с воздушным охлаждением были распространены на легких и учебно-тренировочных самолетах, а также на некоторых транспортных самолетах и бомбардировщиках , конструкции с жидкостным охлаждением оставались гораздо более распространенными для истребителей и высокопроизводительных бомбардировщиков. Проблема сопротивления была решена введением в 1929 году капота NACA , который значительно снизил сопротивление двигателей с воздушным охлаждением, несмотря на их большую лобовую площадь, и сопротивление, связанное с охлаждением, на тот момент было в основном равномерным. ^[4]

В конце 1920-х — в 1930-х годах ряд европейских компаний внедрили системы охлаждения, которые поддерживали воду под давлением, что позволяло ей достигать гораздо более высоких температур без кипения, отводя больше тепла и тем самым уменьшая требуемый объем воды и размер радиатора. на целых 30%. Они также могли бы полностью исключить радиатор, используя испарительное охлаждение , позволяя ему превращаться в пар и пропускать пар через трубы, расположенные прямо под обшивкой крыльев и фюзеляжа, где быстро движущийся наружный воздух конденсирует его обратно в воду. Хотя эта концепция использовалась на ряде рекордных самолетов в конце 1930-х годов, она всегда оказывалась непрактичной для серийных самолетов по ряду причин. ^[5]

В 1929 году Кертисс начал эксперименты по замене воды этиленгликолем в двигателе Curtiss D-12 . Гликоль мог работать при температуре до 250°C и уменьшал размер радиатора на 50% по сравнению с конструкциями с водяным охлаждением. Эксперименты оказались чрезвычайно успешными, и к 1932 году компания перевела все будущие конструкции на эту охлаждающую жидкость. В то время Union Carbide владела монополией на промышленный процесс производства гликоля, поэтому первоначально он использовался только в США, а Allison Engines вскоре после этого его переняла . Лишь в середине 1930-х годов компания Rolls-Royce приняла его на вооружение, поскольку поставки улучшились, переведя все свои двигатели на гликоль. Благодаря гораздо меньшим радиаторам и меньшему количеству жидкости в системе вес и сопротивление этих конструкций были значительно ниже современных конструкций с воздушным охлаждением. В расчете на вес эти конструкции с жидкостным охлаждением обеспечивали производительность на 30 % выше. ^[6]

В конце и послевоенное время область высоких характеристик быстро перешла к реактивным двигателям . Это лишило основной рынок двигателей с жидкостным охлаждением последних моделей. Те роли, которые остались у поршневых двигателей, были в основном более медленными конструкциями и гражданскими самолетами. В этих целях простота и сокращение потребностей в обслуживании гораздо важнее, чем лобовое сопротивление, и с конца войны почти все поршневые авиационные двигатели, за некоторыми исключениями, имели воздушное охлаждение. ^[6]

По состоянию на 2020 год ^[update], большая часть двигателей производства Lycoming и Continental используется крупнейшими производителями легких самолетов Cirrus , Cessna и так далее. Другими производителями двигателей, использующими технологию двигателей с воздушным охлаждением, являются ULPower и Jabiru , более активные на рынке легких спортивных самолетов ( LSA ) и сверхлегких самолетов . Rotax использует комбинацию цилиндров с воздушным охлаждением и головок цилиндров с жидкостным охлаждением.

Дизельные двигатели

Некоторые небольшие дизельные двигатели, например, производства Deutz AG и Lister Petter, имеют воздушное охлаждение. Пожалуй, единственный большой грузовой двигатель с воздушным охлаждением стандарта Евро-5 (V8 мощностью 320 кВт и крутящим моментом 2100 Н·м) производит компания Tatra . BOMAG, входящая в группу FAYAT, также использует рядный 6-цилиндровый двигатель с воздушным охлаждением во многих своих строительных машинах.

Стационарные или переносные двигатели

Стационарные или портативные двигатели были коммерчески представлены в начале 1900-х годов. Первое коммерческое производство было произведено компанией New Way Motor Company из Лансинга, штат Мичиган, США. Компания производила одноцилиндровые и двухцилиндровые двигатели воздушного охлаждения как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением цилиндров. После их первоначальной продукции, которая экспортировалась по всему миру, другие компании воспользовались преимуществами этого метода охлаждения, особенно в небольших портативных двигателях. Область применения включает косилки, генераторы, подвесные моторы, насосные агрегаты, пилорамы, вспомогательные электростанции и многое другое.

Ссылки

^ Томас, Кас (19 февраля 1997 г.). «Шоковое охлаждение: миф или реальность?» . AVWeb . Авиационная издательская группа. Архивировано из оригинала 2 декабря 2008 г.
^ YouMotorcycle (19 декабря 2015 г.). «Двигатели мотоциклов с воздушным и жидкостным охлаждением» . Ты Мотоцикл . Проверено 23 апреля 2020 г.
^ Слоан 1964 , стр. 71–94, Глава 5, «Двигатель с медным охлаждением».
^ Jump up to: ^а ^б ^с Тейлор 1971 , с. 53.
^ Тейлор 1971 , с. 55.
^ Jump up to: ^а ^б Тейлор 1971 , с. 56.

Библиография

Цитируемые источники

Слоан, Альфред П. (1964), Макдональд, Джон (ред.), Мои годы с General Motors , Гарден-Сити, Нью-Йорк, США: Doubleday, LCCN 64011306 , OCLC 802024 . Переиздано в 1990 году с новым предисловием Питера Друкера ( ISBN 978-0385042352 ).
Тейлор, К. Фейетт (1971). Движение самолета . Смитсоновский институт.

Дальнейшее чтение

Бирманн, А.Э. (1941). «Конструкция ребер цилиндров воздушного охлаждения» (pdf) . Отчет № 726 . НАКА . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Ламарк П.В. «Конструирование ребер охлаждения мотоциклетных двигателей». Отчет Комитета автомобильных исследований, журнал «Институт автомобильных инженеров», выпуск за март 1943 года, а также в «Институте автомобильных инженеров. Слушания XXXVII, сессия 1942–1943», стр. 99–134 и 309–312.
Джулиус Маккерл, «Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением», Charles Griffin & Company Ltd., Лондон, 1972.

[1] Томас, Кас (19 февраля 1997 г.). «Шоковое охлаждение: миф или реальность?» . AVWeb . Авиационная издательская группа. Архивировано из оригинала 2 декабря 2008 г.

[2] YouMotorcycle (19 декабря 2015 г.). «Двигатели мотоциклов с воздушным и жидкостным охлаждением» . Ты Мотоцикл . Проверено 23 апреля 2020 г.

[Sloan1964pp71-94-3] Слоан 1964 , стр. 71–94, Глава 5, «Двигатель с медным охлаждением».

[FOOTNOTETaylor197153-4] Jump up to: ^а ^б ^с Тейлор 1971 , с. 53.

[FOOTNOTETaylor197155-5] Тейлор 1971 , с. 55.

[FOOTNOTETaylor197156-6] Jump up to: ^а ^б Тейлор 1971 , с. 56.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]