Радиатор (охлаждение двигателя)

Для других видов использования см. Radiator (устранение неоднозначности) .

Типичный радиатор охлаждающей жидкости двигателя, используемый в автомобиле

Радиаторы представляют собой теплообменники, используемые для охлаждения двигателей внутреннего сгорания , в основном в автомобилях , а также в самолетах с поршнем , железнодорожными локомотивами , мотоциклами , стационарными генерирующими растениями или любом аналогичным использованием такого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания часто охлаждаются циркуляцией жидкости, называемой охлаждающей жидкостью двигателя через блок двигателя и головку цилиндра , где она нагревается, затем через радиатор, где он теряет тепло в атмосферу, а затем возвращается в двигатель. Охлаждающая жидкость двигателя обычно на водной основе, но также может быть маслом. Обычно использовать водяной насос, чтобы заставить циркуляцию охлаждающей жидкости двигателя, а также для осевого вентилятора чтобы провести воздух через радиатор.

Автомобили и мотоциклы

Охлаждающая жидкость выливается в радиатор автомобиля

с жидкостью В автомобилях и мотоциклах с двигателем внутреннего сгорания , радиатор подключен к каналам, проходящим через двигатель и головку цилиндра , посредством которого жидкость ( охлаждающая жидкость ) накачивается насосом охлаждающей жидкости. Эта жидкость может быть водой (в климате, где вода вряд ли замерзает), но чаще является смесью воды и антифриза в пропорциях, соответствующих климату. Сам антифриз обычно является этиленгликолем или пропиленгликолем (с небольшим количеством ингибитора коррозии ).

Типичная автомобильная система охлаждения включает в себя:

• Серия галерей, брошенных в блок двигателя и головки цилиндра, окружающая камеры сгорания с циркулирующей жидкостью, чтобы унести тепло;
• радиатор, состоящий из многих небольших труб, оснащенных сотами с плавниками для быстрого рассеивания тепла, которые получают и охлаждают горячую жидкость от двигателя;
• Водяной насос , обычно центробежный тип, циркулировать охлаждающую жидкость через систему;
• термостат для контроля температуры , варьируя количество охлаждающей жидкости, идущей к радиатору;
• вентилятор, чтобы провести прохладный воздух через радиатор.

Процесс сгорания производит большое количество тепла. Если бы тепло было разрешено увеличивать неконтролируемое, детонация произошла, а компоненты вне двигателя выйдут из строя из -за чрезмерной температуры. Чтобы бороться с этим эффектом, охлаждающая жидкость циркулируется через двигатель, где он поглощает тепло. Как только охлаждающая жидкость поглощает тепло от двигателя, она продолжает свой поток к радиатору. Радиатор передает нагревание от охлаждающей жидкости к проходящему воздуху.

Радиаторы также используются для охлаждения жидкостей автоматической коробки передач , кондиционера хладагента , впускного воздуха , а иногда и для охлаждения моторного масла или гидроусилителя руля . Радиатор обычно устанавливается в положении, где он получает воздушный поток от переднего движения транспортного средства, например, за передним грилем. Там, где двигатели находятся в середине или заднем плане, обычно устанавливают радиатор за передним грилем для достижения достаточного потока воздуха, даже если это требует длинных труб охлаждающей жидкости. В качестве альтернативы, радиатор может вытащить воздух из потока поверх транспортного средства или из бокового гриля. Для длинных транспортных средств, таких как автобусы, боковой воздушный поток наиболее распространен для охлаждения двигателя и трансмиссии и верхнего потока воздуха, наиболее распространенного для охлаждения кондиционера.

Радиатор строительство

Автомобильные радиаторы построены из пары металлических или пластиковых резервуаров, связанных ядром с множеством узких проходов, обеспечивающих высокую площадь поверхности относительно объема. Это ядро ​​обычно изготовлено из сложенных слоев металлического листа, прижатых для формирования каналов и припаянного или приготовленного вместе. В течение многих лет радиаторы были изготовлены из латунных или медных ядер, припаянных к латунным заголовкам. Современные радиаторы имеют алюминиевые ядра, и часто экономит деньги и вес, используя пластиковые заголовки с прокладками. Эта конструкция более склонна к отказу и менее легко отремонтирована, чем традиционные материалы.

Дотовые пробирки радиатора

Более ранним методом строительства был сотовой радиатор. Круглые трубки были введены в гексагоны на их концах, затем сложены вместе и припаяны. Когда они коснулись только на своих концах, это сформировало то, что в действительности стало твердым баком с водой с множеством воздушных трубок через него.

Некоторые винтажные автомобили используют ядра радиатора, изготовленные из спиральной трубки, менее эффективная, но более простая конструкция.

Охлаждающая жидкость

Система охлаждения термосифона 1937 года без циркулирующего насоса

Радиаторы впервые использовали вниз по вертикальному потоку, приводящим исключительно эффектом термосифона . Охлаждающая жидкость нагревается в двигателе, становится менее плотной и таким образом поднимается. Когда радиатор охлаждает жидкость, охлаждающая жидкость становится плотной и падает. Этого эффекта достаточно для стационарных двигателей с низкой мощью , но неадекватно для всех, кроме самых ранних автомобилей. Все автомобили в течение многих лет использовали центробежные насосы для циркуляции охлаждающей жидкости двигателя, потому что естественная циркуляция имеет очень низкие скорости потока.

Нагреватель

Система клапанов или перегородков, или оба, обычно включена для одновременного управления небольшим радиатором внутри автомобиля. Этот небольшой радиатор и связанный с ними вентилятор называется ядро ​​обогревателя и служит для согрева салона. Как и радиатор, ядро ​​обогревателя действует путем удаления тепла с двигателя. По этой причине автомобильные техники часто советуют операторам включать обогреватель и установить его на высокий уровень, если двигатель перегревается , чтобы помочь основному радиатору.

Контроль температуры

Управление потоком воды

Термостат автомобиля

Температура двигателя на современных автомобилях в основном контролируется термостатом , восками клапаном, который открывается , как только двигатель достиг оптимальной рабочей температуры .

Когда двигатель холод, термостат закрыт, за исключением небольшого обходного потока, так что термостат переживает изменение температуры охлаждающей жидкости, когда двигатель нагревается. Охлаждающая жидкость двигателя направлена ​​термостатом на вход циркулирующего насоса и возвращается непосредственно к двигателю, обходя радиатор. Направление воды для циркуляции только через двигатель позволяет двигателю как можно быстрее достигать оптимальной рабочей температуры, избегая локализованных «горячих точек». Как только охлаждающая жидкость достигает температуры активации термостата, она открывается, позволяя воде протекать через радиатор, чтобы не подниматься выше.

При оптимальной температуре термостат контролирует поток охлаждающей жидкости двигателя к радиатору, так что двигатель продолжает работать при оптимальной температуре. В условиях пиковой нагрузки, таких как медленно поднимаясь по крутому холму, в то время как в жаркий день сильно нагружен, термостат будет приближаться к полностью открытому, потому что двигатель будет производиться вблизи максимальной мощности, в то время как скорость воздушного потока через радиатор низкая. (Будучи теплообменником, скорость воздушного потока через радиатор оказывает большое влияние на его способность рассеивать тепло.) Наоборот, быстро проезжая вниз по автомагистрали на холодную ночь на легком дросселе, термостат будет почти закрыт Потому что двигатель производит небольшую мощность, а радиатор способен рассеивать гораздо больше тепла, чем производит двигатель. Позволяя слишком большому количеству потока охлаждающей жидкости в радиатор приведет к тому, что двигатель будет охлаждаться и работать при более низкой, чем оптимальной температуре, что приведет к снижению эффективности использования топлива и увеличению выбросов выхлопных газов. Кроме того, иногда скомпрометируются долговечность двигателя, надежность и долговечность, если какие -либо компоненты (такие как Подшипники коленчатого вала ) разработаны, чтобы принять во внимание термическое расширение , чтобы соответствовать правильным зазорам. Другим побочным эффектом переохлаждения является снижение производительности нагревателя кабины, хотя в типичных случаях он по-прежнему дует воздух при значительно более высокой температуре, чем окружающая среда.

Таким образом, термостат постоянно движется по всему диапазону, реагируя на изменения в рабочей нагрузке, скорости и внешней температуре транспортного средства, чтобы сохранить двигатель при оптимальной рабочей температуре.

На старинных автомобилях вы можете найти термостат типа сильфонов, в котором гофрированное сильфоу, содержащее летучую жидкость, такую ​​как спирт или ацетон. Эти типы термостатов не очень хорошо работают при давлениях системы охлаждения выше 7 фунтов на квадратный дюйм. Современные автомобили, как правило, составляют около 15 фунтов на квадратный дюйм, что исключает использование термостата типа сильфонов. На прямых двигателях с воздушным охлаждением это не заботится о термостате Беллы, который контролирует клапан клапанов в воздушных пассажах.

Управление воздушным потоком

Другие факторы влияют на температуру двигателя, включая размер радиатора и тип вентилятора радиатора. Размер радиатора (и, следовательно, его охлаждающая способность ) выбран таким образом, чтобы он мог держать двигатель при температуре проектирования в самых экстремальных условиях, с которыми может столкнуться транспортное средство (например, подниматься на гору, в то время как полностью загружен в жаркий день) Полем

Скорость воздушного потока через радиатор оказывает большое влияние на жару, которое он рассеивает. Скорость транспортного средства влияет на это, в грубой пропорции к усилиям двигателя, что дает грубую саморегулируемую обратную связь. Там, где дополнительный вентилятор охлаждения приводится в движение двигателем, это также отслеживает скорость двигателя аналогично.

Вентиляторы, управляемые двигателем, часто регулируются сцеплением вентилятора от приводного пояса, которое проскальзывает и снижает скорость вентилятора при низких температурах. Это повышает эффективность использования топлива, не тратясь за то, чтобы потратить на себя без необходимости вождение вентилятора. На современных транспортных средствах дальнейшее регулирование скорости охлаждения обеспечивается либо переменной скоростью, либо велосипедными вентиляторами радиатора. Электрические вентиляторы контролируются термостатическим переключателем или блоком управления двигателем . У электрических вентиляторов также есть преимущество в том, что они дают хороший воздушный поток и охлаждение в низких оборотах двигателя или в неподвижном месте, например, в медленном движении.

До разработки вязкого привода и электрических вентиляторов двигатели были оснащены простыми фиксированными вентиляторами, которые всегда нажимали воздух через радиатор. Транспортные средства, чьи конструкции требовали установки большого радиатора, чтобы справиться с тяжелой работой при высоких температурах, таких как коммерческие транспортные средства и тракторы, часто охлаждали в холодную погоду при легких нагрузках, даже при наличии термостата , поскольку большой радиатор и фиксированный Вентилятор вызвал быстрое и значительное снижение температуры охлаждающей жидкости, как только термостат открылся. Эта проблема может быть решена путем подгонки слепой радиатора (или кожуха радиатора ) к радиатору, который можно отрегулировать, чтобы частично или полностью блокировать воздушный поток через радиатор. Самым простым слепым является рулон материала, такого как холст или резина , которая развернута вдоль длины радиатора, чтобы покрыть желаемую часть. Некоторые пожилые машины, такие как мировая мировая война Эпоха, завода Королевского самолета SE5 и SPAD S.XIII- бойцов с одним двигателем, имеют серию ставни, которые можно скорректировать с места водителя или пилота, чтобы обеспечить определенную степень контроля. Некоторые современные автомобили имеют серию ставней, которые автоматически открываются и закрыты устройством управления двигателем, чтобы обеспечить баланс охлаждения и аэродинамики по мере необходимости.

Охлаждающий вентилятор радиатора для первичного двигателя Via Rail GE P42DC Locomotive

Эти автобусы AEC REGENT III оснащены жалюзи радиатора, которые можно увидеть здесь, охватывающие нижнюю половину радиаторов.

Давление охлаждающей жидкости

Поскольку тепловая эффективность двигателей внутреннего сгорания увеличивается с внутренней температурой, охлаждающая жидкость сохраняется при более высоком атмосферном давлении, чтобы увеличить его температуру кипения . Калиброванный клапан сдавшего давления обычно включается в крышку заполнения радиатора. Это давление варьируется между моделями, но обычно варьируется от 4 до 30 фунтов на кв. Дюйм (от 30 до 200 кПа).

Когда давление системы охлаждающей жидкости увеличивается с повышением температуры, оно достигнет точки, где клапан снятия давления позволяет избыточному давлению. Это остановится, когда температура системы перестанет подниматься. В случае заполненного радиатора (или резервуара для заголовка) вентиляется давление, позволяя небольшой жидкости сбежать. Это может просто сливаться на землю или собираться в вентилируемом контейнере, который остается при атмосферном давлении. Когда двигатель выключен, система охлаждения остывает, а уровень жидкости падает. В некоторых случаях, когда избыточная жидкость была собрана в бутылке, это может быть «отсосано» обратно в основную цепь охлаждающей жидкости. В других случаях это не так.

Охлаждающая жидкость двигателя

Основная статья: охлаждающая жидкость § жидкости

До Второй мировой войны охлаждающая жидкость двигателя обычно была простой водой. Антифриз использовался исключительно для контроля замораживания, и это часто делалось только в холодную погоду. Если в блоке двигателя остается простая вода, чтобы замерзать, вода может расширяться при замерзании. Этот эффект может привести к серьезным повреждению внутреннего двигателя из -за расширения льда.

Разработка в высокопроизводительных самолетных двигателях потребовало улучшения охлаждающих жидкостей с более высокими точками кипения, что приводит к принятию смесей гликоля или воды-гликоля. Это привело к принятию гликолей для их антифризовых свойств.

С момента развития алюминиевых сплавов или двигателей смешанного металла, ингибирование коррозии стало даже более важным, чем антифриз, и во всех регионах и сезонах.

Кипячение или перегрев

Танка перелива, который запускается сухой, может привести к испариванию охлаждающей жидкости, что может вызвать локализованное или общее перегрев двигателя. Тяжелый ущерб может привести к тому, что транспортное средство разрешено работать по температуре. Споры, такие как прокладки из взорванной головки, и деформированные или потрескавшие головки цилиндров , или блоки цилиндров, могут быть результатом. Иногда не будет предупреждения, потому что датчик температуры, который предоставляет данные для датчика температуры (либо механического, так и электрического), подвергается воздействию водяного пара, а не жидкой охлаждающей жидкости, обеспечивая вредное ложное показания.

Открытие горячего радиатора опускает давление системы, что может привести к тому, что он кипятит и изгнал опасно горячую жидкость и пар. Следовательно, крышки радиатора часто содержат механизм, который пытается снять внутреннее давление, прежде чем крышка может быть полностью открыт.

История

Изобретение автомобильного радиатора воды приписывается Карлу Бенца . Вильгельм Мэйбах спроектировал первый сотовой радиатор для Mercedes 35 л.с.

Дополнительные радиаторы

Иногда необходимо, чтобы автомобиль был оснащен вторым или вспомогательным радиатором, чтобы увеличить пропускную способность, когда размер исходного радиатора не может быть увеличен. Второй радиатор складывается последовательно с основным радиатором в цепи. Это было так, когда Audi 100 был первым турбонаддувом, создавая 200. Они не должны быть запутаны с промежуточными охладителями .

У некоторых двигателей есть масляный охладитель, отдельный маленький радиатор для охлаждения моторного масла . Автомобили с автоматической коробкой передач часто имеют дополнительные соединения с радиатором, что позволяет трансмиссионной жидкости переносить его тепло в охлаждающую жидкость в радиаторе. Это могут быть либо нефтяные радиаторы, как для меньшей версии основного радиатора. Проще говоря, они могут быть охладителями масляной воды, где в водяной радиатор вставлена ​​масляная труба. Хотя вода горячее, чем окружающий воздух, ее более высокая теплопроводность обеспечивает сопоставимое охлаждение (в пределах) из менее сложного и, следовательно, дешевле и более надежных масляный трасс. Реже, жидкость гидроусилителя рулевого управления, тормозная жидкость и другие гидравлические жидкости могут охлаждаться вспомогательным радиатором на транспортном средстве.

Двигатели с турбо-заряженными или с наддувом могут иметь интеркулер , который представляет собой радиатор воздуха-воздух или воздух в воздухе, используемый для охлаждения входящего воздушного заряда, а не для охлаждения двигателя.

Самолеты

Самолеты с жидкими поршневыми двигателями (обычно встроенные двигатели, а не радиальные) также требуют радиаторов. Поскольку воздушная скорость выше, чем для автомобилей, они эффективно охлаждаются в полете и поэтому не требуют больших площадей или охлаждающих вентиляторов. Однако многие высокопроизводительные самолеты страдают от чрезвычайных проблем перегрева при холостом ходу на земле - всего семь минут для Spitfire . Это похоже на Формулы 1 современные автомобили , когда они останавливаются на сетке с работающими двигателями, им требуется канальный воздух, принудительный в их стручки радиатора, чтобы предотвратить перегрев.

Поверхностные радиаторы

Снижение сопротивления является основной целью в дизайне самолетов, включая дизайн систем охлаждения. Ранняя техника заключалась в том, чтобы воспользоваться количеством воздушного потока самолета, чтобы заменить сотовое ядро ​​(многие поверхности, с высоким соотношением поверхности к объему) на поверхности, установленной на поверхности. Это использует одну поверхность, смешанную в фюзеляж или кожу крыла, с охлаждающей жидкостью, протекающей через трубы на задней части этой поверхности. Такие дизайны были замечены в основном на самолетах Первой мировой войны.

Поскольку они так зависят от воздушной скорости, поверхностные радиаторы еще более склонны к перегреву при взрыве. Гоночные самолеты, такие как Supermarine S.6B , гоночный гидросамолет с радиаторами, встроенными в верхние поверхности его поплавков, были описаны как «летающие на датчике температуры» как основной предел их производительности.

Поверхностные радиаторы также использовались несколькими высокоскоростными гоночными автомобилями, такими как Малкольма Кэмпбелла 1928 голубая птица года.

Системы охлаждения под давлением

Радиаторные крышки для автомобильных систем охлаждения под давлением. Из двух клапанов один предотвращает создание вакуума, другой ограничивает давление.

Как правило, это ограничение большинства систем охлаждения, что охлаждающая жидкость не допускается, поскольку необходимость обработки газа в потоке значительно усложняет дизайн. Для системы водяного охлаждения это означает, что максимальное количество теплопередачи ограничено удельной теплоемкостью воды и разницей в температуре между окружающей средой и 100 ° C. Это обеспечивает более эффективное охлаждение зимой или на более высоких высотах, где температура низкая.

Другой эффект, который особенно важен при охлаждении самолета, заключается в том, что удельная теплоемкость изменяется и температура кипения уменьшается с давлением, и это давление изменяется быстрее с высотой, чем падение температуры. Таким образом, как правило, системы жидкого охлаждения теряют мощность, когда самолет поднимается. Это было основным ограничением на производительность в 1930 -х годах, когда введение турбозуперчаржеров впервые позволило удобно путешествовать на высоте более 15 000 футов, а дизайн охлаждения стал основной областью исследований.

Наиболее очевидным и общим решением этой проблемы было запустить всю систему охлаждения под давлением. Это поддерживало удельную теплоемкость при постоянном значении, в то время как температура внешнего воздуха продолжала падать. Таким образом, такие системы улучшили возможности охлаждения по мере их подъема. Для большинства применений это решило проблему охлаждения высокопроизводительных поршневых двигателей, и почти все авиационные двигатели с жидкостью в периоде Второй мировой войны использовали это решение.

Тем не менее, системы под давлением также были более сложными и гораздо более восприимчивыми к повреждению - поскольку охлаждающая жидкость находилась под давлением, даже незначительное повреждение в системе охлаждения, как одно пулевое отверстие для калибра, приведет к быстрому опрыскиванию жидкости из дыра. Сбои систем охлаждения были, безусловно, основной причиной сбоев двигателя.

Испарительное охлаждение

Хотя построить самолет -радиатор, который способен обрабатывать пар, это невозможно. Ключевым требованием является предоставление системы, которая конденсирует пар обратно в жидкость, прежде чем передавать его обратно в насосы и заполнить цикл охлаждения. Такая система может воспользоваться особым теплом испарения , которая в случае воды в пять раз превышает удельную теплоемкость в жидкой форме. Дополнительные выгоды могут быть достигнуты, позволяя пар перегреться. Такие системы, известные как испарительные кулеры , были темой значительных исследований в 1930 -х годах.

Рассмотрим две системы охлаждения, которые в противном случае работают при температуре окружающего воздуха 20 ° C. Конструкция с полностью жидкостью может работать от 30 ° C до 90 ° C, предлагая разницу в температуре 60 ° C для унесения тепла. Испарительная система охлаждения может работать от 80 ° C до 110 ° C. На первый взгляд это, по -видимому, гораздо меньше разницы в температуре, но этот анализ упускает из виду огромное количество тепловой энергии, пропитываемой во время генерации пара, что эквивалентно 500 ° C. По сути, испаряющая версия работает от 80 ° C до 560 ° C, эффективная разница в температуре 480 ° C. Такая система может быть эффективной даже с гораздо меньшим количеством воды.

Недостатком системы испарения охлаждения является область конденсаторов, необходимые для охлаждения пар назад под точкой кипения. Поскольку пара гораздо менее плотный, чем вода, необходима соответственно большая площадь поверхности, чтобы обеспечить достаточно воздушного потока, чтобы охладить пар обратно вниз. Rolls -Royce Goshawk Design 1933 года использовал обычные конденсаторы, похожие на радиатор, и этот дизайн оказался серьезной проблемой для сопротивления. В Германии братья Гюнтер разработали альтернативный дизайн, сочетающий в себе испарительное охлаждение и поверхностные радиаторы, распространяющиеся по всему самолету, фюзеляж и даже руль. Несколько самолетов были построены с использованием их дизайна и установили многочисленные рекорды производительности, в частности, Heinkel He 119 и Heinkel He 100 . Тем не менее, эти системы требовали многочисленных насосов, чтобы вернуть жидкость из распределенных радиаторов, и оказалось чрезвычайно трудно продолжать работать должным образом, и были гораздо более восприимчивы к боевым повреждениям. Усилия по разработке этой системы, как правило, были заброшены к 1940 году. Необходимость испарительного охлаждения вскоре должна быть отменена широко распространенной доступностью Охлаждающие жидкости на основе этиленгликоля , которые имели более низкое удельное тепло , но гораздо более высокая температура кипения, чем вода.

Тяга радиатора

Радиатор самолета, содержащийся в воздуховоде, нагревает воздух, который проходит через воздух, в результате чего воздух расширяется и увеличивает скорость. Это называется эффектом Мередит , а высокопроизводительные поршневые самолеты с хорошо продуманными радиаторами с низким содержанием перетаскивания (в частности, P-51 Mustang ) получают от него тягу. Уклон был достаточно значительным, чтобы компенсировать перетаскивание воздуховода, в котором был закрыт радиатор и позволил самолету достичь нулевого сопротивления охлаждения. В какой -то момент были даже планы оснастить Supermarine Spitfire с помощью Afterburner , внедряя топливо в выхлопный канал после радиатора и зажигая его Полем После выстрела достигается путем введения дополнительного топлива в двигатель вниз по течению от основного цикла сгорания.

Стационарный завод

Двигатели для стационарного завода обычно охлаждаются радиаторами так же, как автомобильные двигатели. Существуют некоторые уникальные различия, в зависимости от стационарного завода - необходимо использовать тщательное планирование для обеспечения надлежащего потока воздуха через радиатор для обеспечения надлежащего охлаждения. В некоторых случаях испарительное охлаждение используется через охлаждающую башню .

Смотрите также

• Охлаждающая жидкость
• Обогреватель сердечник
• Промежуточный охладитель
• Двигатель внутреннего сгорания (ICE)
• Список автоматических частей
• Тепло отходов

Ссылки

Источники

• Опель Омега и Сенаторский Руководство по обслуживанию и ремонту . Хейнс. 1996. ISBN  978-1-85960-342-0 .

Внешние ссылки

• Руководство по замене радиатора и устранению неполадок
• Как работают системы охлаждения автомобиля
• Сайт сообщества охлаждения трансмиссии