Chlazení spalovacím motorem - Internal combustion engine cooling

Chlazení spalovacím motorem využívá k odstranění odpadního tepla ze spalovacího motoru buď vzduch nebo kapalinu . U malých nebo speciálních motorů představuje chlazení vzduchem z atmosféry lehký a relativně jednoduchý systém. Plavidla mohou používat vodu přímo z okolního prostředí k chlazení svých motorů. U vodou chlazených motorů v letadlech a povrchových vozidlech je odpadní teplo přenášeno z uzavřené smyčky vody čerpané přes motor do okolní atmosféry radiátorem .

Voda má vyšší tepelnou kapacitu než vzduch, a může tak rychleji odvádět teplo od motoru, ale chladič a čerpací systém zvyšují hmotnost, složitost a náklady. Motory s vyšším výkonem generují více odpadního tepla, ale mohou přenášet větší hmotnost, což znamená, že jsou obecně chlazeny vodou. Radiální motory umožňují přímý tok vzduchu kolem každého válce, což jim dává výhodu pro vzduchové chlazení oproti přímým motorům , plochým motorům a V motorům . Rotační motory mají podobnou konfiguraci, ale válce se také neustále otáčejí a vytvářejí proudění vzduchu, i když vozidlo stojí.

Konstrukce letadla výrazněji upřednostňuje nižší hmotnost a vzduchem chlazené provedení. Rotační motory byly v letadlech populární až do konce první světové války , ale měly vážné problémy se stabilitou a účinností. Radiální motory byly populární až do konce druhé světové války , dokud je do značné míry nenahradily motory s plynovými turbínami . Moderní vrtulová letadla se spalovacími motory jsou stále z velké části chlazena vzduchem. Moderní auta obecně upřednostňují sílu před hmotností a obvykle mají vodou chlazené motory. Moderní motocykly jsou lehčí než automobily a oba způsoby chlazení jsou běžné. Některé sportovní motocykly byly chlazeny vzduchem i olejem ( nastříkáno pod hlavy pístu ).

Přehled

Tepelné motory generují mechanickou energii extrakcí energie z tepelných toků, podobně jako vodní kolo získává mechanickou energii z toku hmoty padajícího na dálku. Motory jsou neúčinné, takže do motoru vstupuje více tepelné energie, než vychází jako mechanický výkon; rozdílem je odpadní teplo, které je třeba odstranit. Spalovací motory odvádějí odpadní teplo chladným nasávaným vzduchem, horkými výfukovými plyny a explicitním chlazením motoru.

Motory s vyšší účinností mají více energie jako mechanický pohyb a méně jako odpadní teplo. Určité množství odpadního tepla je nezbytné: vede teplo motorem, stejně jako vodní kolo funguje pouze tehdy, je -li v odpadní vodě určitá výstupní rychlost (energie), která jej odvádí a vytváří prostor pro více vody. Všechny tepelné motory tedy ke svému provozu potřebují chlazení.

Chlazení je také nutné, protože vysoké teploty poškozují materiály motoru a maziva a v horkém podnebí se stávají ještě důležitějšími. Spalovací motory spalují palivo tepleji, než je teplota tání materiálů motoru, a dostatečně horké, aby zapálilo maziva. Chlazení motoru odebírá energii dostatečně rychle, aby udrželo nízké teploty, takže motor může přežít.

Některé vysoce účinné motory běží bez explicitního chlazení a pouze s náhodnými tepelnými ztrátami, což je design zvaný adiabatický . Takové motory mohou dosahovat vysoké účinnosti, ale snižovat výkon, pracovní cyklus, hmotnost motoru, trvanlivost a emise.

Základní principy

Většina spalovacích motorů je chlazena kapalinou buď vzduchem (plynná kapalina), nebo kapalným chladivem procházejícím výměníkem tepla ( chladičem ) chlazeným vzduchem. Námořní motory a některé stacionární motory mají snadný přístup k velkému objemu vody při vhodné teplotě. Voda může být použita přímo k chlazení motoru, ale často má sediment, který může ucpat průchody chladicí kapaliny, nebo chemikálie, jako je sůl, které mohou chemicky poškodit motor. Chladicí kapalina motoru tedy může procházet výměníkem tepla, který je chlazen vodním útvarem.

Většina kapalinou chlazených motorů používá směs vody a chemikálií, jako jsou nemrznoucí směsi a inhibitory rzi. Průmyslový termín pro nemrznoucí směs je „chladicí kapalina motoru“. Některé nemrznoucí směsi nepoužívají vůbec žádnou vodu, místo toho používají kapalinu s různými vlastnostmi, jako je propylenglykol nebo kombinace propylenglykolu a ethylenglykolu . Většina vzduchem chlazených motorů používá chlazení kapalným olejem k udržení přijatelných teplot jak pro kritické části motoru, tak pro samotný olej. Většina kapalinou chlazených motorů používá vzduchové chlazení, přičemž sací zdvih vzduchového chlazení spalovací komory. Výjimkou jsou Wankelovy motory , kde některé části spalovací komory nejsou nikdy chlazeny sáním, což pro úspěšný provoz vyžaduje zvláštní úsilí.

Na chladicí systém je kladeno mnoho požadavků. Jedním z klíčových požadavků je adekvátní obsluha celého motoru, protože celý motor selže, pokud se přehřeje jen jedna část. Proto je životně důležité, aby chladicí systém udržoval všechny součásti při vhodně nízkých teplotách. Kapalinou chlazené motory jsou schopné měnit velikost svých průchodů blokem motoru, takže tok chladicí kapaliny může být přizpůsoben potřebám každé oblasti. Místa s vysokými špičkovými teplotami (úzké ostrůvky kolem spalovací komory) nebo s vysokým tepelným tokem (kolem výfukových kanálů) mohou vyžadovat velkorysé chlazení. Tím se snižuje výskyt horkých míst, kterým je při vzduchovém chlazení obtížnější se vyhnout. Vzduchem chlazené motory mohou také měnit svůj chladicí výkon použitím těsněji rozmístěných chladicích žeber v této oblasti, ale to může jejich výrobu ztížit a prodražit.

Pouze pevné části motoru, jako je blok a hlava, jsou chlazeny přímo hlavním chladicím systémem. Pohyblivé části, jako jsou písty, a v menší míře klikový hřídel a ojnice , se musí spoléhat na mazací olej jako chladivo nebo na velmi omezené množství vedení do bloku a odtud hlavního chladiva. Vysoce výkonné motory mají často dodatečný olej, nad rámec množství potřebného pro mazání, stříkaný nahoru na spodní část pístu jen kvůli extra chlazení. Vzduchem chlazené motocykly často kromě vzduchového chlazení válců válce silně spoléhají také na chlazení olejem.

Kapalinou chlazené motory mají obvykle oběhové čerpadlo. První motory spoléhaly pouze na termosifonové chlazení, kdy horká chladicí kapalina opouštěla ​​horní část bloku motoru a přecházela do chladiče, kde se před návratem do spodní části motoru chladila. Cirkulace byla poháněna pouze konvekcí.

Mezi další požadavky patří náklady, hmotnost, spolehlivost a trvanlivost samotného chladicího systému.

Přenos vodivého tepla je úměrný teplotnímu rozdílu mezi materiály. Pokud má kovový motor teplotu 250 ° C a vzduch teplotu 20 ° C, pak je teplotní rozdíl 230 ° C pro chlazení. Všechny tyto rozdíly využívá vzduchem chlazený motor. Naproti tomu kapalinou chlazený motor může teplo z motoru vypouštět na kapalinu a zahřívat kapalinu na 135 ° C (standardní bod varu vody 100 ° C lze překročit, protože chladicí systém je pod tlakem a používá směs s nemrznoucí směs), která se poté ochladí vzduchem o teplotě 20 ° C. V každém kroku má kapalinou chlazený motor poloviční teplotní rozdíl, a tak se nejprve zdá, že potřebuje dvojnásobek chladicí plochy.

Vlastnosti chladicí kapaliny (voda, olej nebo vzduch) však také ovlivňují chlazení. Například při srovnání vody a oleje jako chladiva může jeden gram oleje absorbovat asi 55% tepla pro stejný nárůst teploty (nazývaný měrná tepelná kapacita ). Ropa má asi 90% hustoty vody, takže daný objem oleje může absorbovat jen asi 50% energie stejného objemu vody. Tepelné vodivosti vody je asi čtyřikrát, že oleje, které mohou pomoci přenos tepla. Viskozita oleje může být desetkrát větší než voda, což zvyšuje energii potřebnou k čerpání oleje pro chlazení a snižuje čistý výkon motoru.

Při srovnání vzduchu a vody má vzduch výrazně nižší tepelnou kapacitu na gram a objem (4000) a méně než desetinu vodivosti, ale také mnohem nižší viskozitu (asi 200krát nižší: 17,4 × 10–6 Pa · s pro vzduch vs. 8,94 × 10 −4 Pa · s pro vodu). Pokračujeme ve výpočtu ze dvou odstavců výše, chlazení vzduchem potřebuje desetkrát větší plochu, tedy žebra, a vzduch potřebuje 2 000krát vyšší rychlost proudění, a proto ventilátor s recirkulačním vzduchem potřebuje desetkrát větší výkon než čerpadlo s recirkulací vody.

Přesun tepla z válce na velkou plochu pro chlazení vzduchem může představovat problémy, jako jsou obtíže při výrobě tvarů potřebných pro dobrý přenos tepla a prostoru potřebného pro volný tok velkého objemu vzduchu. Voda vře přibližně při stejné teplotě, jaká je požadována pro chlazení motoru. To má tu výhodu, že pohlcuje velké množství energie s velmi malým nárůstem teploty (tzv . Odpařovací teplo ), což je dobré pro udržení chladu, zejména pro průchod jednoho proudu chladicí kapaliny přes několik horkých předmětů a dosažení rovnoměrné teploty. Naproti tomu procházející vzduch přes několik horkých předmětů v sérii ohřívá vzduch v každém kroku, takže první může být chlazený a poslední podchlazený. Jakmile však voda vře, je to izolátor, což vede k náhlé ztrátě chlazení tam, kde se tvoří bubliny páry. Pára se může vracet do vody, když se mísí s jinou chladicí kapalinou, takže teploměr motoru může indikovat přijatelnou teplotu, i když jsou místní teploty dostatečně vysoké, aby došlo k poškození.

Motor potřebuje různé teploty. Vstup včetně kompresoru turba a vstupních trubek a sacích ventilů musí být co nejchladnější. Svou práci plní protiproudý výměník tepla s nuceným chladicím vzduchem. Stěny válce by neměly ohřívat vzduch před kompresí, ale ani ochlazovat plyn při spalování. Kompromisem je teplota stěny 90 ° C. Viskozita oleje je optimalizována právě pro tuto teplotu. Jakékoli chlazení výfuku a turbíny turbodmychadla snižuje množství energie dostupné turbíně, takže výfukový systém je často izolován mezi motorem a turbodmychadlem, aby byly výfukové plyny co nejteplejší.

Teplota chladicího vzduchu se může pohybovat od hluboko pod bodem mrazu do 50 ° C. Kromě toho, zatímco motory v dálkové lodní nebo železniční dopravě mohou pracovat se stálým zatížením, silniční vozidla často zaznamenávají značně proměnlivé a rychle se měnící zatížení. Chladicí systém je tedy navržen tak, aby měnil chlazení, takže motor není ani příliš horký, ani příliš studený. Regulace chladicího systému zahrnuje nastavitelné přepážky v proudu vzduchu (někdy se jim říká „žaluzie“ a běžně se ovládají pneumatickým „závěrkovým stavem“); ventilátor, který pracuje buď nezávisle na motoru, jako je elektrický ventilátor, nebo který má nastavitelnou spojku; termostatický ventil nebo termostat , který může blokovat tok chladicí kapaliny, když příliš vychladnout. Motor, chladicí kapalina a výměník tepla mají navíc určitou tepelnou kapacitu, která vyhlazuje zvýšení teploty v krátkých sprintech. Některé ovládací prvky motoru vypnou motor nebo jej v případě přehřátí omezí na poloviční plyn. Moderní elektronické ovládací prvky motoru upravují chlazení na základě škrticí klapky, aby předvídaly nárůst teploty, a omezují výkon motoru, aby kompenzovaly konečné chlazení.

A konečně, další starosti mohou dominovat designu chladicího systému. Například vzduch je relativně špatná chladicí kapalina, ale vzduchové chladicí systémy jsou jednoduché a četnost poruch se obvykle zvyšuje se čtvercem počtu poruchových bodů. Také chladicí výkon je snížen jen nepatrně malými úniky chladicí kapaliny. Tam, kde je spolehlivost nanejvýš důležitá, jako u letadel, může být dobrým kompromisem vzdát se účinnosti, dlouhé životnosti (interval mezi přestavbami motoru) a tichosti za účelem dosažení mírně vyšší spolehlivosti; důsledky rozbitého motoru letadla jsou tak závažné, že i mírné zvýšení spolehlivosti stojí za to se vzdát dalších dobrých vlastností, aby toho bylo dosaženo.

Běžně se používají vzduchem i kapalinou chlazené motory. Každý princip má své výhody a nevýhody a konkrétní aplikace mohou upřednostňovat jeden před druhým. Například většina osobních a nákladních automobilů používá kapalinou chlazené motory, zatímco mnoho malých letadel a levných motorů je chlazeno vzduchem.

Potíže s generalizací

Je obtížné generalizovat vzduchem chlazené a kapalinou chlazené motory. Dieselové motory chlazené vzduchem jsou voleny pro spolehlivost i v extrémních vedrech, protože vzduchové chlazení by bylo jednodušší a účinnější při zvládání extrémních teplot v zimních a letních hloubkách než vodní chladicí systémy a často se používají. v situacích, kdy motor běží několik měsíců bez dozoru.

Podobně je obvykle žádoucí minimalizovat počet stupňů přenosu tepla, aby se maximalizoval teplotní rozdíl v každém stupni. Dvoutaktní motory Detroit Diesel však běžně používají olej chlazený vodou, přičemž voda je zase chlazena vzduchem.

Chladivo používá v mnoha kapalinou chlazený motor musí být obnoven pravidelně, a může zmrazit při běžných teplotách, a tak způsobují poškození permanentní motoru, když se rozpíná. Vzduchem chlazené motory nevyžadují servis chladicí kapaliny a nedochází k jejich poškození mrazem, což jsou dvě běžně uváděné výhody u vzduchem chlazených motorů. Chladicí kapalina na bázi propylenglykolu je však kapalná až do -55 ° C, chladnější, než se setkává mnoho motorů; při krystalizaci se mírně zmenšuje, čímž se zabrání poškození; a má životnost přes 10 000 hodin, což je v podstatě životnost mnoha motorů.

Obvykle je obtížnější dosáhnout buď nízkých emisí, nebo nízkého hluku ze vzduchem chlazeného motoru, což jsou další dva důvody, proč většina silničních vozidel používá kapalinou chlazené motory. Postavit velké vzduchem chlazené motory je také často obtížné, takže téměř všechny vzduchem chlazené motory mají výkon nižší než 500  kW (670 k ), zatímco velké kapalinou chlazené motory přesahují 80  MW ( 107 000 k) ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 14 -válcová nafta).

Chlazení vzduchem

Válec ze vzduchem chlazeného leteckého motoru, Continental C85 . Všimněte si řad žeber na ocelovém válci i hliníkové hlavě válců. Žebra poskytují další povrchovou plochu, aby vzduch procházel přes válec a absorboval teplo.

Osobní a nákladní automobily využívající přímé vzduchové chlazení (bez mezilehlé kapaliny) byly stavěny po dlouhou dobu od samého začátku a konče malou a obecně neuznanou technickou změnou. Před druhou světovou válkou se vodou chlazená osobní a nákladní auta běžně přehřívala při stoupání po horských silnicích a vytvářela gejzíry vroucí chladicí vody. To bylo považováno za normální a v té době měla většina známých horských silnic autoservisy, které sloužily k přehřívání motorů.

ACS (Auto Club Suisse) udržuje historické památky té doby na průsmyku Susten, kde zůstávají dvě stanice pro doplňování radiátorů. Mají pokyny k odlitku z kovového plechu a kulovité spodní konev zavěšené vedle vodního kohoutku. Sférické dno mělo zabránit tomu, aby bylo položeno, a proto bylo zbytečné kolem domu, přestože bylo ukradeno, jak ukazuje obrázek.

V té době evropské firmy jako Magirus-Deutz stavěly vzduchem chlazené dieselové kamiony, Porsche stavělo vzduchem chlazené zemědělské traktory a Volkswagen se proslavil vzduchem chlazenými osobními vozy. Ve Spojených státech Franklin stavěl vzduchem chlazené motory.

Vzduchové chlazení bylo po mnoho let upřednostňováno pro vojenské aplikace, protože kapalinové chladicí systémy jsou náchylnější k poškození střepinami .

Česká republika založené společnosti Tatra je známá pro své velké objemové motory chlazené vzduchem, V8 automobilů; Tatranský inženýr Julius Mackerle o tom vydal knihu. Vzduchem chlazené motory jsou lépe přizpůsobeny extrémně chladným a horkým teplotám počasí: můžete vidět, jak vzduchem chlazené motory startují a běží v mrazivých podmínkách, které zadržely vodou chlazené motory a pokračují v práci, když vodou chlazené začnou vyrábět parní trysky. Vzduchem chlazené motory mohou být výhodou z termodynamického hlediska kvůli vyšší provozní teplotě. Nejhorším problémem, který se vyskytoval u vzduchem chlazených leteckých motorů, bylo takzvané „ šokové chlazení “, kdy letoun vstoupil do ponoru po stoupání nebo vodorovném letu s otevřenou škrticí klapkou, přičemž motor byl bez zátěže, zatímco se letoun ponořoval a generoval méně tepla, a proud vzduchu, který ochlazuje motor, se zvyšuje, může dojít k katastrofické poruše motoru, protože různé části motoru mají různé teploty, a tím i různé tepelné roztažnosti. Za takových podmínek může dojít k zadření motoru a jakákoli náhlá změna nebo nerovnováha ve vztahu mezi teplem produkovaným motorem a teplem odváděným chlazením může mít za následek zvýšené opotřebení motoru, což je důsledkem také rozdílů teplotní roztažnosti mezi částmi motoru , kapalinou chlazené motory, které mají stabilnější a rovnoměrnější pracovní teploty.

Kapalné chlazení

Typický chladič motoru používaný v automobilu
Chladicí kapalina se nalévá do chladiče automobilu

Dnes je většina automobilových a větších IC motorů chlazena kapalinou.

Plně uzavřený chladicí systém motoru IC
Otevřený chladicí systém motoru IC
Polouzavřený chladicí systém motoru IC

Kapalné chlazení se používá také v námořních vozidlech (plavidla, ...). U plavidel se k chlazení většinou používá samotná mořská voda. V některých případech se také používají chemická chladiva (v uzavřených systémech) nebo se mísí s chlazením mořské vody.

Přechod z chlazení vzduchem

Ke změně chlazení vzduchem na chlazení kapalinou došlo na začátku druhé světové války, kdy americká armáda potřebovala spolehlivá vozidla. Téma varných motorů bylo řešeno, zkoumáno a bylo nalezeno řešení. Předchozí radiátory a bloky motoru byly řádně navrženy a přežily testy odolnosti, ale používaly vodní čerpadla s netěsným grafitem mazaným „lanovým“ těsněním ( vývodkou ) na hřídeli čerpadla. Těsnění bylo zděděno z parních strojů, kde je akceptována ztráta vody, protože parní stroje již vydávají velké objemy vody. Protože těsnění čerpadla prosakovalo hlavně tehdy, když čerpadlo běželo a motor byl horký, ztráta vody se nenápadně odpařovala a zanechávala v nejlepším případě malou rezavou stopu, když se motor zastavil a ochladil, čímž neodhalil významnou ztrátu vody. Automobilové radiátory (nebo výměníky tepla ) mají výstup, který přivádí chlazenou vodu do motoru a motor má výstup, který přivádí ohřátou vodu do horní části chladiče. Cirkulaci vody napomáhá rotační čerpadlo, které má jen nepatrný účinek, přičemž musí pracovat v tak širokém rozsahu otáček, že jeho oběžné kolo má jako čerpadlo jen minimální účinek. Netěsnící těsnění čerpadla za chodu vypouštělo chladicí vodu na úroveň, kde čerpadlo již nemohlo vracet vodu do horní části chladiče, takže cirkulace vody přestala a voda v motoru se vařila. Jelikož však ztráty vody vedly k přehřátí a dalším ztrátám vody z varu, byla původní ztráta vody skryta.

Po izolaci problému s čerpadlem byly automobily a nákladní automobily postavené pro válečné úsilí (v té době nebyla postavena žádná civilní auta) vybaveny vodními čerpadly s uhlíkovým těsněním, které neunikaly a nezpůsobovaly žádné další gejzíry. Mezitím vzduchové chlazení pokročilo v paměti varu motorů ... i když převařování již nebylo běžným problémem. Vzduchem chlazené motory se staly populární v celé Evropě. Po válce Volkswagen v USA inzeroval, že se nerozvaří, i když nová vodou chlazená auta už nevařila, ale tato auta se dobře prodávala. Jak ale v šedesátých letech stoupalo povědomí o kvalitě ovzduší a byly schváleny zákony upravující výfukové emise, bezolovnatý plyn nahradil olovnatý plyn a chudší palivové směsi se staly normou. Subaru zvolilo pro svůj řadový (plochý) motor řady EA kapalinové chlazení, když bylo představeno v roce 1966.

Motory s nízkým tepelným odporem

Během několika desetiletí byla vyvinuta speciální třída experimentálních prototypů pístových motorů s vnitřním spalováním s cílem zlepšit účinnost snížením tepelných ztrát. Tyto motory se různě nazývají adiabatické motory, kvůli lepší aproximaci adiabatické expanze, motorů s nízkým tepelným odmítáním nebo vysokoteplotních motorů. Obvykle se jedná o dieselové motory s částmi spalovací komory lemovanými keramickými tepelně bariérovými povlaky. Někteří využívají titanové písty a další titanové díly kvůli jeho nízké tepelné vodivosti a hmotnosti. Některé konstrukce jsou schopny zcela eliminovat použití chladicího systému a související parazitní ztráty. Vývoj maziv odolných vyšším teplotám byl hlavní překážkou komercializace.

Viz také

Reference

Zdroje

  • Biermann, Arnold E .; Ellerbrock, Herman H., Jr. (1939). Konstrukce žeber pro vzduchem chlazené válce (PDF) . NACA . Zpráva č. 726.
  • PV Lamarque: „Návrh chladicích ploutví pro motocyklové motory“. Zpráva Výboru pro automobilový výzkum, Časopis Instituce automobilových inženýrů , vydání z března 1943, a také v „The Institution of Automobile Engineers Proceedings, XXXVII, Session 1942-43, pp 99-134 and 309-312.
  • „Vzduchem chlazené automobilové motory“, Julius Mackerle, ME; Charles Griffin & Company Ltd., Londýn, 1972.
  • engineeringtoolbox.com pro fyzikální vlastnosti vzduchu, oleje a vody

externí odkazy