Малый круг охлаждения двигателя: Устройство автомобиля: система охлаждения

Показательный пример: друг журнала, который работает на Dirt Late Model, недавно перестроил свой двигатель. Во время перестройки его производитель двигателей предложил экзотическую систему шкивов в стиле кубка NASCAR. Производитель сказал, что конструкция системы с уменьшенным клиновым ремнем высвободит мощность.Теперь имейте в виду, что у этого двигателя мощностью 550 л.с. никогда не было проблем с перегревом и он постоянно работал в диапазоне 180-190 градусов. В нем также недавно был установлен новенький радиатор. Начиная с первой гонки с новой системой шкивов, двигатель всегда работал выше 220 и зависал от датчика температуры, когда наш друг-гонщик отключал его.

Вот проблема. Меньшие шкивы не соответствовали водяному насосу и, в конечном итоге, двигателю. Они не были предназначены для двигателя со скоростью 5500 об / мин и мощностью 550 л.с. со штатным насосом и слишком быстро вращали насос, слишком быстро проталкивая воду через систему охлаждения.

Ограничители — Помимо водяных насосов и шкивов, для регулирования потока воды через радиатор обычно используются ограничители. Они соответствуют своему названию и выглядят как небольшая воронка, предназначенная для сокращения или ограничения потока воды. Ограничители обычно устанавливаются в нижний шланг радиатора на выпускной горловине радиатора. Выбор ограничителя зависит от его соответствия вашей системе.

Bridges говорит, что при переходе с двухходового на однопроходный радиатор нужно начинать без ограничений, а затем постепенно добавлять ограничения в зависимости от размера ограничителя, пока не получите желаемую температуру.«Мы всегда рекомендуем использовать водяной насос в соотношении 1: 1». Соотношение 1: 1 означает, что диаметр шкива коленчатого вала такой же, как у шкива водяного насоса.

Воздушный поток — Как и поток воды, существует ряд факторов, которые влияют на воздушный поток через радиатор, например, количество ребер, количество проходов, конструкция сердечника и наличие у него кожуха.

Ядра — Радиаторы Racing выпускаются в нескольких различных конфигурациях, включая одно-, двух-, трех- или четырехжильные / проходные системы.Это означает, что как только жидкость попадает в радиатор через впускное отверстие, она совершает такое количество проходов через радиатор, прежде чем выйдет обратно в двигатель через выпускное отверстие. Самыми популярными конфигурациями шорт-трека являются одно- и двухходовые радиаторы.

В однопроходном радиаторе жидкость протекает через радиатор за один раз. Двухходовой радиатор состоит из двух отдельных наборов трубок, иногда разделенных перегородкой, а иногда один набор уложен друг за другом. Радиаторы с этой второй установкой известны как двухъядерные.В любом случае жидкость протекает через один набор трубок, а затем возвращается через другой набор, по существу, проходя через радиатор дважды, следовательно, двухходовой. Очевидно, что в трех проходах есть три отдельных набора (или стержней) трубок, зажатых вместе, в то время как четыре имеют. . . Как вы уже догадались, четыре ядра.

Обратной стороной радиаторов с несколькими стеками является то, что когда вы складываете сердечники одна за другой, воздуху становится все труднее проходить через радиатор. Для больших треков и более высоких скоростей подойдут трех- и четырехходовые системы, но они просто не будут пропускать достаточно воздуха, чтобы эффективно охладить ваш двигатель за 20 кругов на ровной 1/3 мили трассе.

Ребра — Насколько плотно упакованы ребра в вашем радиаторе, называется числом ребер и измеряется в ребрах на дюйм. Более высокое количество ребер означает, что у алюминия больше площади поверхности для излучения тепла, которое он поглощает из воды / жидкости в воздух. Однако, если количество ребер слишком велико для вашего применения, это может фактически стать препятствием для воздуха, пытающегося пройти через радиатор. Когда это происходит, воздух накапливается перед радиатором или движется вокруг него и не достигает охлаждающих трубок во втором ряду.

Как правило, на быстрой гоночной машине можно использовать большее количество плавников, в то время как более медленные машины должны использовать меньшее количество плавников. Если вы участвуете в гонках на трассах длиной от 3/10 до 1/2 мили, вам следует искать плавники 14-18 на дюйм.

Кожухи — Независимо от типа автомобиля, на котором вы участвуете, у вас должен быть какой-то кожух на радиаторе. Их легко изготовить, и они увеличивают поток воздуха. Кожухи перед радиатором направляют входящий воздух под высоким давлением непосредственно к ребрам / сердечнику.Кожухи между радиатором и механическими вентиляторами помогают увеличить поток воздуха через радиатор. Уплотнение кожуха изолентой важно для предотвращения выхода воздуха.

Air Temp Influences — Это не является чем-то необычным и, вероятно, более распространенным, чем любой из нас думает, для системы охлаждения, которая работала как чемпион ранней весной, чтобы избавиться от призрака в середине июля. И вот почему: радиатор работает одинаково независимо от температуры окружающей среды.

«Хорошее практическое правило: на каждые 10 градусов повышения температуры наружного воздуха жидкость в двигателе будет на 10 градусов теплее», — говорит Ричард Бейли, владелец Innovative Cooling Equipment (ICE) из Конкорд, штат Нью-Йорк.C.

При повышении температуры наружного воздуха с 80 до 105, температура жидкости в двигателе увеличится на 25 градусов. Сделайте еще один шаг, допустим, ваш двигатель обычно работает при 220 градусах. Добавьте к этому 25 градусов, и вы получите 245 и рискуете перегреться.

Это подводит нас к выбору радиатора. Ваш выбор радиатора должен основываться на самых высоких температурах, которые вы увидите во время гоночного сезона. Однако вы должны помнить, что радиатор — это лишь часть вашей общей системы охлаждения.Эта система должна быть спроектирована и установлена ​​не только с учетом этих высоких внешних температур, но и с учетом количества пройденных вами кругов, размера вашей трассы и мощности вашего двигателя.

При поиске нового радиатора решающее значение имеет выбор правильного количества проходов. Многие гонщики связывают проблемы с перегревом или перегревом в летние месяцы с повышением температуры окружающей среды в июне, июле и августе. Часто проблема кроется в плохо обслуживаемой системе охлаждения, неподходящем радиаторе для вашего приложения или в системе, которая слишком быстро или слишком медленно пропускает жидкость через радиатор.

Так что именно определяет правильное количество проходов? Что и где вы участвуете в гонке, вероятно, является самым большим фактором.

Давайте в качестве примера рассмотрим машину Джона. Джон использует четырехъядерную систему от ICE, что может показаться излишним, но в гонках USAR Pro Cup это почти необходимость. В типичный уик-энд Джон проезжает 300-400 кругов на трассах длиной 5/8 миль и больше. Двухпроходная система не подходит для этой среды. Но четырехходовая система ICE поддерживает температуру воды на приемлемом уровне, даже когда он протягивает ленту на носу — тренировочные гонщики по асфальту используют для добавления аэродинамической прижимной силы к своим машинам.

Обычным гонщикам на шорт-треке не нужна четырехпроходная система. Они обнаружат, что однопроходные и двухходовые системы подходят для большинства ситуаций. Но какой выбрать? У обоих есть свои преимущества.

Преимущество использования однопроходной системы состоит в том, что она примерно на 30 долларов дешевле, чем двухпроходная.

Обратной стороной однопроходного режима является то, что он менее строг, чем двухпроходный. И это уменьшенное ограничение означает, что жидкость будет проходить через всю систему охлаждения с большей скоростью.

Другой миф — вода — лучшая охлаждающая жидкость.

Это верно с точки зрения теплопроводности; однако это также лучший источник коррозии. Если вы используете прямую воду, вы всегда должны добавлять смазку для водяного насоса и ингибитор коррозии. Также используйте усилитель охлаждающей жидкости, например Water Wetter, , который улучшает поверхностное натяжение и теплопроводность.

Производители охлаждающей жидкости часто предлагают смесь этиленгликоля и воды в соотношении 50/50, которая защитит вашу систему охлаждения до -34F. Если вы ожидаете более низких температур, вам понадобится блочный обогреватель или теплый гараж. Марк Джеффри из Trans Am Racing в Южной Калифорнии говорит нам, что он использует 100-процентный этиленгликоль и не использует воду без последствий, и делал это уже много лет. Его логика заключается в том, что температура охлаждающей жидкости лишь ненамного выше, и такой подход исключает любой риск коррозии.

Если вы выберете смесь 50/50, для удобства вы можете купить антифриз, уже смешанный с водой. Если вы собираетесь использовать смесь этиленгликоля и воды, рекомендуется использовать дистиллированную воду, чтобы минералы не попадали в вашу систему охлаждения.

Summit Racing предлагает вам еще один вариант охлаждающей жидкости, известный как безводная охлаждающая жидкость Evans High Performance. Это последняя охлаждающая жидкость, которую вам когда-либо придется покупать, потому что она долговечна. Вы используете его на 100% в системе охлаждения вашего автомобиля.Начните свой полк Evans с новых шлангов и компонентов системы охлаждения, а также с абсолютно сухой системы. Если вы обслуживаете систему со следами этиленгликоля и воды, лучше всего начать с набора Evans Coolant Conversion Kit .

Мы видели много людей, у которых охлаждающая жидкость не обслуживалась или использовалась чрезмерно.

При обслуживании холодного двигателя охлаждающую жидкость следует доливать на один дюйм ниже наливной горловины, чтобы обеспечить ее расширение при нагревании двигателя.По мере прогрева двигателя охлаждающая жидкость может подниматься на дюйм. Запустите двигатель, сняв крышку радиатора и оставив охлаждающую жидкость на один дюйм ниже горловины. Затем наблюдайте, как прогревается двигатель. Дайте время, чтобы термостат открылся и двигатель отрыгнул любые воздушные карманы.

Есть те, в том числе производители шлангов, которые считают, что в нижнем шланге радиатора не нужна пружина, препятствующая разрушению. По правде говоря, у вас должна быть пружина предотвращения разрушения в нижнем шланге радиатора, если у вас старый автомобиль с обычной системой охлаждения.

Поскольку нижний шланг радиатора направляет охлаждающую жидкость к водяному насосу и двигателю, он подвержен отрицательному давлению и разрушается при высоких оборотах. Пружина предотвращения развала предотвращает это. Один производитель шлангов говорит, что вам не нужна пружина, предотвращающая смятие, потому что она использовалась только для заводской заливки. Этого никогда не было из-за избыточного давления в нижнем шланге во время заполнения.

Всегда вставляйте пружину предотвращения смятия в нижний шланг радиатора.

Относительно электровентиляторов существует множество мифов. Бытует мнение, что чем быстрее вращается вентилятор, тем лучше, но это не совсем так. На высокой скорости поток от радиатора должен быть достаточно сильным, чтобы отводить тепло от радиатора. Когда воздух движется слишком быстро, возникают проблемы с пограничным слоем, когда тепло не уносится, потому что воздух на самом деле не касается ребер и трубок.

Вы хотите, чтобы воздух двигался достаточно медленно по ребрам и трубам туда, где он уносит тепло.На скорости выше 40 миль в час вашему двигателю не нужен охлаждающий вентилятор. Вот почему лучше всего работает вентилятор с термостатической муфтой или электрический вентилятор.

Некоторые люди считают, что чем больше фанатов, тем лучше. Но это тоже не совсем так. Вам действительно не нужен вентилятор как за радиатором, так и перед ним. В идеале за радиатором должен быть установлен вентилятор, обеспечивающий охлаждающую способность в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Если вашему автомобилю требуется два охлаждающих вентилятора, существует более серьезная проблема, чем мощность вентилятора.

Одно правило, которое мы снова и снова видим нарушенным, — это расстояние между вентиляторами и кожух . В большинстве случаев охлаждающие вентиляторы должны быть закрыты кожухом для правильного направления скорости воздуха через радиатор. Мы рекомендуем вам обратить пристальное внимание на то, что завод делает в любом приложении.

Послепродажные радиаторы — популярные обновления, но вам также следует обратить внимание на крышку радиатора .

Ваша охлаждающая жидкость находится под давлением, чтобы поддерживать максимально высокую точку кипения. Вот почему вам нужна максимальная граница давления, подходящая для вашего применения. Крышки для старых автомобилей должны быть рассчитаны на 7–12 фунтов; новые автомобили должны иметь крышки радиатора, рассчитанные на 12-18 фунтов.

Это клише, но вы получаете то, за что платите. При замене компонентов системы охлаждения, таких как шланги, водяной насос и термостат, не делайте этого дешево.Тратьте хорошие деньги на лучшие компоненты и лучше спите. Шланги системы охлаждения Goodyear Super Hi-Miler служат дольше, чем обычные стандартные шланги, особенно в сочетании с высококачественными зажимами с червячной передачей.

Вы можете найти широкий выбор водяных насосов практически для любого вообразимого применения. Независимо от того, какую марку насоса вы выберете, всегда выбирайте высокопроизводительный водяной насос и учитывайте передаточное число шкивов (скорость насоса).

Теперь, когда вы знаете, каких подводных камней следует избегать, прокрутите слайд-шоу ниже, чтобы получить несколько ценных советов по выбору компонентов системы охлаждения.

Уход за охлаждением двигателя: круглый год

Поля вдоль американских автомагистралей, когда-то покрытые морозом, теперь полностью залиты утренней росой, что свидетельствует о наступлении весны и приближении лета. Вскоре изнуряющая жара будет падать от солнца, превращая дорогу в зеркало. В таких условиях водитель грузовика может повторить процедуру предрейсового осмотра, вспомнив, проверялись ли шланги радиатора и уровень охлаждающей жидкости. Последнее, чего хочет водитель, — это иметь дело с перегретым двигателем, тянущимся вдоль расплавленной медианы, в ожидании прибытия помощи на дороге.

Но с современными двигателями и подключенным парком машин, остается ли это серьезной проблемой?

К сожалению, самые продуманные планы OEM-инженеров и телематических кодеров могут быть разрушены недосмотрами в гараже или во дворе, поэтому ответ — твердое «да».

«Несоблюдение правил технического обслуживания системы охлаждения, особенно летом, может вызвать перегрев двигателя и привести к его катастрофическому повреждению», — сообщил Гомер Хогг, директор технической службы TravelCenters of America (TA).«По моему опыту, большинство поломок, связанных с системой охлаждения, является результатом неправильного обслуживания».

Хотя TCA специально не собирает данные по этому вопросу, Хогг, опытный техник с почти 40-летним опытом, сказал, что производители двигателей согласны с тем, что около половины всех преждевременных отказов двигателей являются результатом неправильного обслуживания системы охлаждения.

Это была распространенная проблема на протяжении всего десятилетия. В 2012 году исследование WIX Filters показало, что отсутствие надлежащего ухода за системой охлаждения является причиной 53% преждевременных отказов двигателя.

В частности, для применения на шоссе проблемы с системой охлаждения вызывают 40% придорожных поломок, — сказал Пол Сигала, инженер ExxonMobil по смазочным материалам для коммерческих автомобилей.

Хогг сказал, что грузовые автомобили с постоянным рабочим циклом более восприимчивы из-за дополнительной нагрузки из-за более часто переключаемой трансмиссии, которая также охлаждается радиатором.

«Кроме того, скручивание и повороты двигателя в раме заставляют радиатор и шланги двигаться, что подвергает их большей нагрузке и возможности переломов», — добавил Хогг.«Двигатель также работает более интенсивно, что требует, чтобы система охлаждения приближалась к пластине и удерживала дополнительную тепловую нагрузку под контролем».

Несезонные температуры

Основные причины высокого уровня, казалось бы, предотвратимых поломок, включают в себя автопарк, не имеющий надлежащей программы технического обслуживания для систем охлаждения, а также не использующие охлаждающие жидкости с увеличенным сроком службы, которые были доступны более 20 лет .

В конечном итоге ответственность ложится на владельца автопарка.И хотя более теплая летняя погода может напоминать автопарку о необходимости больше думать о температуре двигателя, главное — следить за дизельным двигателем грузовика круглый год.

«Программа технического обслуживания должна действовать круглый год», — сказал Сигала, который начал свою карьеру лаборантом в Mobil в конце 1980-х. «Зима может быть такой же тяжелой для системы охлаждения, как и лето».

Таким образом, хотя июнь, июль и август могут увеличить интервалы приготовления барбекю, техническое обслуживание системы охлаждения должно оставаться постоянным.

«Проверки технического обслуживания в жаркую погоду должны быть такими же, как и в остальное время года», — сказал Дэн Холдмейер, бренд-менеджер Chevron по производству промышленных жидкостей и охлаждающих жидкостей. Как и Хогг, этот специалист по обучению имеет около 40 лет опыта работы в индустрии охлаждающих жидкостей.

«С точки зрения системы охлаждения, техническое обслуживание [летом] не сильно отличается, за исключением того, что еще более важно поддерживать герметичную крышку радиатора», — добавил он. «Герметизирующий колпачок повышает давление в системе охлаждающей жидкости выше атмосферного [давления], что повышает температуру кипения охлаждающей жидкости.”

Надлежащее давление в системе охлаждающей жидкости составляет 15 фунтов на квадратный дюйм, что увеличивает температуру кипения воды с 212-226 градусов по Фаренгейту до примерно 260 градусов по Фаренгейту. Неплотно закрытый колпачок снизит давление и понизит точку кипения. Вода в смеси охлаждающей жидкости и воды, которая выполняет тяжелую работу по передаче тепла, выкипит, сделав систему уязвимой для избыточного тепла.

Это всего лишь одна вещь, которая может пойти не так, но ее относительно легко исправить. Это также явная причина, по которой каждый парк автомобилей должен иметь комплексный план профилактического обслуживания системы охлаждения.

При разработке плана первое, что нужно понять, это то, что, хотя охлаждающие жидкости кардинально изменились за десятилетия, с разными цветами, добавками и разбавлениями, проблемы, которые они решают, остались прежними.

Охлаждающая жидкость

Когда началась карьера Холдмейера, он сказал, что проблемы с охлаждающими жидкостями включали низкий уровень присадок, который приводил к коррозии, кавитации гильз и отказу насосов. А перегрев всегда был угрозой, если не принимались должные меры.

«Охлаждающая жидкость образовала защитные солевые слои в системе охлаждающей жидкости, которые защищали бы металлы, но также снижали скорость теплопередачи», — пояснил он относительно предыдущих поколений охлаждающих жидкостей.

Теплообмен — это просто перенос накопленного тепла из одной среды в другую. В случае грузового автомобиля с дизельным двигателем охлаждающая жидкость поглощает и уносит избыточное тепло от двигателя внутреннего сгорания, где оно выделяется в обогреватель кабины и / или радиатор. Точно так же, как непрерывно синхронизированные циклы сгорания имеют решающее значение для эффективного питания двигателя, оптимизация теплообмена от одной части системы к другой имеет жизненно важное значение для поддержания различных компонентов в работе должным образом.

«Системы охлаждающей жидкости двигателя стали более сложными, не только с большим количеством компонентов, требующих регулирования температуры, но и с добавлением множества различных металлов и уплотнений», — сказал Холдмейер. «Охлаждающие жидкости должны быть совместимы с этими материалами и защищать их».

В этом процессе задействовано несколько компонентов, включая радиатор, термостат, водяной насос и водяную рубашку, покрывающую двигатель. Это также потребовало изменения состава охлаждающей жидкости.

«Двадцать пять лет назад были представлены охлаждающие жидкости с увеличенным сроком службы (ELC), которые значительно улучшили теплопередачу охлаждающей жидкости и упростили техническое обслуживание», — сказал Холдмейер.

«Мы просто не можем ничего сделать, чтобы рассказать о охлаждающих жидкостях», — сказал Стеде Грейнджер, менеджер по техническим услугам OEM компании Shell Lubricants. «Моя рекомендация №1 — следовать указаниям».

Обычно это означает использование охлаждающей жидкости правильного типа для двигателя и области применения. Первое, на что стоит обратить внимание — это разведение. Обычно в Соединенных Штатах это будет смесь 50/50, которая относится к 50% этиленгликоля и 50% дистиллированной или деионизированной воды. На Аляске и в Северной Канаде может использоваться смесь 60/40 из-за необходимости в большем количестве этиленгликоля, широко известного как антифриз.

Грейнджер вспомнил, когда два десятилетия назад компания Shell Rotella представила ELC, причем Ryder и Penske были одними из первых крупных автопарков, указавших этот тип охлаждающей жидкости. Эти типы охлаждающих жидкостей могут прослужить не менее 600 000 миль (или 12 000 часов) и улучшают общую стоимость владения за счет уменьшения отказов водяных насосов, образования отложений жесткой воды и силикатного геля.

«Одна из вещей, которые он действительно хорошо выполняет, — это поддержание чистоты систем охлаждения и поддержание поверхностей теплопередачи в как новом состоянии», — сказал Грейнджер о ELC.

Добавки используются для достижения этих преимуществ путем нанесения покрытий на металлические компоненты. Понимание того, как эти добавки взаимодействуют с существующим оборудованием, имеет решающее значение.

Охлаждающие жидкости с увеличенным сроком службы, такие как ExxonMobil Delvac, обеспечивают защиту системы двигателя до 1 миллиона миль / 20000 часов бездорожья. Фото: ExxonMobil

Нитриты защищают гильзы цилиндров от кавитационной коррозии или точечной коррозии. Гармонические колебания в двигателе могут достаточно сильно встряхнуть охлаждающую жидкость, чтобы образовались пузырьки пара, которые взрываются и, в конечном итоге, разрушают поверхность металла и снижают производительность.

Одна из проблем заключается в том, что нитриты со временем истощаются и становятся менее эффективными, что требует большей бдительности для поддержания надлежащего уровня охлаждающей жидкости. Другая проблема заключается в том, что OEM-производители перешли на более легкие алюминиевые компоненты, прежде всего в радиаторе и сердечнике нагревателя. Составы охлаждающей жидкости на основе ОАТ, не содержащей нитритов, были разработаны для удовлетворения этих потребностей.

«Нитриты не безопасны для алюминия при определенных условиях, — пояснил Грейнджер. «При определенных условиях может происходить очень неблагоприятная реакция нитрита алюминия, которая может фактически создавать аммоний в охлаждающей жидкости.В некоторых крайних случаях это может привести к значительному повреждению алюминиевого теплообменника и даже вызвать утечку ».

Охлаждающая жидкость иногда требует доливки, и в дороге подобрать подходящую охлаждающую жидкость может оказаться затруднительным. Компания Rotella выпустила корректирующую жидкость ELC, которая восстанавливает надлежащее содержание добавок в системе, которую можно хранить в банке или добавлять домой.

Компания Acustrip разработала диагностическую тест-полоску «прошел / не прошел тест», которая показывает, если уровень присадки ниже 80%, то есть уровень, при котором характеристики охлаждающей жидкости ухудшаются.Если он ниже этого уровня, следует использовать дополнительный усилитель.

Двигатель

Охлаждающая жидкость выполняет множество функций, включая отвод тепла к обогревателю кабины и охлаждение трансмиссии, но основная работа заключается в двигателе, «отводящем тепло туда, где оно должно быть, и оттуда, где оно не должно быть — предположил Майкл Янг, менеджер по маркетингу двигателей Detroit Diesel (DD).

Он сказал, что инженеры спроектировали DD15, заводскую трансмиссию для трактора Freightliner Cascadia класса 8, для работы при постоянной температуре независимо от температуры окружающей среды.

Detroit Diesel Двигатель DD-15 Фото: Джон Хитч

Янг объяснил, что, глядя на тепловую карту поперечного сечения цилиндра, можно обнаружить, что очень немногие области работают более горячо, чем другие. Охлаждающая жидкость проходит через гильзы цилиндров, затем поднимается в прокладку головки и охладитель системы рециркуляции выхлопных газов (EGR), а затем возвращается обратно в радиатор.

«Если у вас нет такого покрытия, вы можете получить точечную коррозию или кавитацию», — сказал Янг. «При таких изменениях температуры металл может расширяться и сжиматься, что приводит к поломкам.”

Одним из основных изменений с 2009 года стал переход с механического водяного насоса на вязкостный с управлением сцеплением. Это уменьшило паразитные потери или количество энергии, высасываемой из двигателя, и повысило эффективность.

Янг сказал, что это экономит 50 лошадиных сил, которые можно использовать в двигателе для увеличения мощности или для экономии топлива.

Платформа Detroit Connect также помогла инженерам собирать данные, вносить корректировки и обнаруживать лишние детали, которые необходимо удалить в будущих итерациях конструкции автомобиля, например, фильтр охлаждающей жидкости.

Телематические данные двигателя также предоставляют автопаркам дополнительную информацию о возможных проблемах с воздушным потоком, которые могут снизить производительность системы, устанавливая уровни приоритета, чтобы сообщить водителям, следует ли им немедленно проверить транспортное средство или нужно ли дождаться предстоящего интервала технического обслуживания.

DD15 Gen 5, который должен быть выпущен в 2021 году, будет иметь некоторые дополнительные улучшения, основанные на производственных данных, начиная с Gen 1, выпущенного в 2009 году. Большая часть — это отвод тепла в систему доочистки.

Для повышения эффективности команда улучшила напор в конце линии и упростила детали.

«Чем больше вы сокращаете количество движущихся частей и соединений, тем меньше возникающих проблем», — сказал Янг.

Система нейтрализации выхлопных газов

Хотя охлаждение системы двигателя — это обязательство в течение года, более высокие температуры окружающей среды могут усугубить проблемы с поддержанием равномерного распределения тепла. Это стало более сложным, поскольку правила выбросов потребовали добавления дизельных сажевых фильтров (DPF), селективного каталитического восстановления (SCR) и технологий рециркуляции отработавших газов.

«Вероятно, большее беспокойство вызывает внутреннее тепло, которое усугубляется более высокими внешними температурами», — сказал Холдмейер. «Как никогда важно поддерживать систему охлаждения в оптимальном состоянии».

Он назвал отказ клапана рециркуляции ОГ в качестве особой области, за которой необходимо следить. Если система рециркуляции отработавших газов перегревается, охлаждающая жидкость ухудшается быстрее и удаляется меньше выхлопных газов. Проверка pH охлаждающей жидкости, которую можно выполнить при проверке концентрации, и обнаружение низких уровней может указывать на неисправный клапан EGR.

Жидкость выхлопных газов дизельного двигателя, которая должна быть достаточно горячей для сжигания твердых частиц, нагревается охлаждающей жидкостью.

«Мы абсолютно хотим, чтобы больше тепла возвращалось из турбонагнетателя (зарядного устройства) в выхлопную систему, чтобы поддерживать высокую температуру, потому что чем больше вы поддерживаете температуру, тем меньше накапливается золы и сажи», — сказал Янг о том, как Detroit Diesel управляет теплообмен.

Проверка системы охлаждения, например, проверка того, что шланги радиатора находятся в хорошем рабочем состоянии, имеет решающее значение для предотвращения отказов, которые приводят примерно к 40-50% придорожных поломок.Фото: TravelCenters of America

Перспектива флота

Брент Хиггинс, владелец компании Brent Higgins Trucking в Малберри, штат Арканзас, управляет флотом из 22 Freightliner Cascadias с двигателями DD13 или DD15 и специализируется на рефрижераторных перевозках.

Этот парк обслуживает систему охлаждения в течение всего года и редко имеет проблемы с перегревом. В тех редких случаях проблема заключается в повреждении или обрыве шланга, из-за которого охлаждающая жидкость протекала.

Жара может быть не такой большой проблемой, как огромные насекомые, обитающие во влажном регионе Южный Озарк.

«Когда насекомые попадают в сетку, их сок брызгает на радиатор, и он липкий», — объяснил Хиггинс. «Вы проезжаете сквозь пыль, и она прилипает. Теперь есть тонкий слой изоляции, удерживающий это тепло, не позволяющий воздуху охлаждать радиаторные трубки ».

Дважды в год группа технического обслуживания Хиггинса, возглавляемая его сыном Дилланом Хиггинсом, продувает радиатор, чтобы очистить систему и обеспечить надлежащий теплообмен.

Одна повторяющаяся проблема, с которой приходилось сталкиваться автопарку, — это растрескивание резервуаров для охлаждающей жидкости.Здесь находится избыток охлаждающей жидкости до тех пор, пока термостат не поднимется и жидкость не сможет попасть в систему.

В ходе профилактических осмотров было обнаружено, что пять из этих резервуаров имеют трещины.

Daimler Trucks North America, материнская компания Detroit Diesel, заявила, что это не является широко распространенной проблемой, и пытается найти первопричину вместе с Хиггинсом.

Это одна относительно небольшая проблема для одного небольшого флота, но если ее не остановить, это может иметь катастрофические последствия.

«Если бы утечка не была устранена в резервуаре, началось бы выпуск большого количества охлаждающей жидкости, и грузовик пришлось бы буксировать», — сказал Диллан. Минимальный счет за такую ​​поломку на обочине дороги составляет более 1000 долларов за буксировку, запчасти и работу. Вдобавок к этому компания должна будет оплатить задержание водителя и штраф за просрочку доставки.

Чтобы избежать риска, все резервуары-резервуары заменяются на 400 000 миль, потому что каждый из треснувших резервуаров набрал 450 000 миль.

У каждого автопарка будут свои уникальные обстоятельства в зависимости от охлаждающей жидкости, двигателя, области применения и региона, но общая нить — сохранять бдительность, чтобы ваш водитель не потел на обочине дороги из-за некоторых нехороших процедур обслуживания.

Теория двигателя: охлаждение двигателя без выхода из строя

Наверное, никакой другой аспект всего этого шума по ту сторону брандмауэра не отнимает у нас столько времени, как охлаждение двигателя. Похоже, что все в какой-то момент гнались за горячим маслом или температурами головки цилиндров, и среди более теоретических споров о воздушном и водяном охлаждении можно найти нескончаемый источник словесной щади.

Возможно, лучше всего начать с того, почему двигатели должны вообще охлаждаться.В конце концов, вся идея состоит в том, чтобы нагревать и расширять воздух в камере сгорания, так что не лучше ли, чтобы двигатель работал как можно более горячим? Короткий ответ — да — посмотрите на реактивные двигатели, — но у нас нет практических материалов, из которых можно было бы построить такие поршневые двигатели.

Независимо от того, как это делается, тепло двигателя всегда уходит в атмосферу, поэтому каждый самолет с поршневым двигателем будет иметь воздухозаборники для охлаждения. Теория утверждает, что минимальное количество воздухозаборников, ответвляющихся на множество потребителей, обеспечивает меньшее сопротивление, в то время как опыт показывает, что несколько воздухозаборников, предназначенных для выполнения одной задачи, легче проектировать и контролировать.

Великие дебаты

Как только что было сказано, большой вопрос заключается в том, охлаждать ли воздухом или жидкостью, а именно водой. Как и во всех великих дебатах, у каждой стороны есть веские причины для своих предубеждений, но мы пришли к рассмотрению вопроса о том, ориентирована ли одна из сторон на двигатель или планер.

Воздушное охлаждение проще для тех, кто думает о планерах. Воздух бесплатный, это то, через что мы летаем. «Водяное охлаждение авиационного двигателя имеет такой же смысл, как и воздушное охлаждение подводной лодки», — говорят они. И суть такого мышления верна; тепло двигателя отводится прямо в атмосферу.Туда направляется тепло, независимо от того, холодная у вас вода или воздух, поэтому прямой выход в атмосферу — это самый легкий и простой путь отвода. Разработчики планеров с удовольствием игнорируют сложность и вес радиаторов, воды, водопровода и обеспечение доступа к утечкам при обслуживании.

С другой стороны, специалисты по двигателям признают, что водяное охлаждение сложнее, но делает двигатель более эффективным. Они указывают на изобилие инженерных деталей, способствующих более высокому давлению в цилиндрах и более равномерным температурам, и говорят, что это правильный путь.

В целом, типичные современные авиационные двигатели общего назначения, как с технической точки зрения, так и все чаще благодаря историческому прецеденту, занимают нишу, которую в настоящее время хорошо обслуживает воздушное охлаждение. Но, по нашему мнению, водяное охлаждение было бы лучшим способом продвижения вперед, если бы когда-либо появилось экономически жизнеспособное будущее в развитии двигателей общей авиации. Поэтому оба метода заслуживают нашего изучения.

Используя алюминиевый лист и гибкие уплотнения, традиционное воздушное охлаждение перекрывает воздух между капотом и цилиндрами на верхней палубе высокого давления.Как можно более плотное прилегание верхней палубы к обтекателю и перегородкам является основной проблемой при строительстве и обслуживании этой системы. Его преимущество — более простая конструкция и доступность для обслуживания всего, что находится внутри верхней палубы, а именно свечей зажигания.

Воздушное охлаждение

Простота — главный атрибут воздушного охлаждения. Тепло излучается непосредственно в атмосферу за счет увеличения площади поверхности двигателя за счет охлаждающих ребер на цилиндрах и головках цилиндров, а остальная часть охлаждается маслом.

Однако недостаточно просто оставить двигатель болтаться на ветру. Воздух необходимо контролировать при его прохождении вокруг цилиндров, чтобы обеспечить правильную массу воздуха, скорость и близость к охлаждающим ребрам. Когда охлаждающий воздух поступает в капот типичного двигателя с горизонтальной оппозицией, он огражден вокруг верхней части двигателя перегородками, оканчивающимися гибким материалом уплотнения перегородки, который соединяет перегородки с капотом. Таким образом, накапливаясь в том, что иногда называют верхней декой , воздух замедляется и увеличивает давление.

Менее негерметичный и, следовательно, более эффективный, но более сложный в изготовлении и обходе, приточное охлаждение герметизирует верхнюю палубу независимо от кожуха. Здесь эксперт по воздушным гонкам Энди Чиаветта моделирует кольцевое впускное отверстие для своего проекта UL Power LT-1 с пленочным охлаждением. Кьяветта отмечает, что комбинация камеры статического давления с кольцевым входом обеспечивает гибкость конструкции при определении длины и формы кожуха.

Единственный выход из верхнего этажа — через ребра цилиндра. Различные манжеты и межцилиндровые перегородки заставляют воздух максимально обтекать цилиндры, а затем позволяют воздуху выходить в нижнюю часть , которая является просто областью под двигателем.Нижняя палуба вентилируется в атмосферу через выход из капота, который может иметь откидную заслонку капота для изменения размера выхода и, таким образом, объема воздуха, проходящего через систему.

Очевидно, что необходимо иметь высокое давление воздуха на верхней палубе и более низкое давление на нижней палубе, иначе воздушный поток будет скомпрометирован или даже будет течь в обратном направлении через входное отверстие в капоте.

Поток охлаждающего воздуха почти всегда регулируется на выходе из системы либо путем выбора размера выхода, либо с помощью заслонки капота.Выходные заслонки могут работать с воздушным или водяным охлаждением; Этот дом на колесах с двигателем Subaru имеет просторную и широко открывающуюся заслонку капота для регулирования потока воздуха через радиатор.

Хитрый метод увеличения скорости охлаждающего воздуха и, таким образом, снижения давления в нижней палубе — это увеличение выхлопа . Охлаждающий воздух выходит из капота через канал — «трубу стрелы» среди друзей, — в который стекает выхлопная система. Высокоэнергетический, быстро движущийся выхлоп увеличивает скорость выходящего воздуха и при этом заменяет заслонки капота.Гонщики Beechcraft, Grumman и Formula One успешно использовали аугментеры.

Помимо створок капота и трения уплотнений перегородки о капот, в системах воздушного охлаждения нет движущихся частей, поэтому техническое обслуживание в значительной степени ограничивается заменой изношенных или потрескавшихся перегородок и уплотнений цилиндров. Таково преимущество воздушного охлаждения; он забирает доступный воздух, направляет его мимо двигателя с помощью нескольких кусков листового металла и почти ничего не требует ни о весе, ни о техническом обслуживании.

Специализированные приложения заканчиваются специализированными системами — обратите внимание на крошечные впускные отверстия для охлаждения на этом Pitts Special, оптимизированном для гонок на пилонах.Компромисс со специализацией — суженный рабочий диапазон; Жесткий летний акро, вероятно, не вариант в этом Питтсе из-за плохого низкоскоростного охлаждения.

Основным недостатком воздушного охлаждения является то, что оно ограничивает удельную мощность двигателя. В конце концов у вас заканчивается площадь поверхности, чтобы отводить тепло, тем самым ограничивая количество топлива, которое может сжечь двигатель. Ограничение топлива ограничивает мощность, и в итоге вы получаете двигатели с большим рабочим объемом и неэффективным расходом топлива, обеспечивающие достаточную мощность.

Конечно, есть исключения.В радиальных головках Pratt & Whitney R-2800 и R-4360 использовались кованые, а не литые головки цилиндров с тонко обработанными, а не литыми ребрами охлаждения. Это дорогостоящий способ изготовления головок цилиндров, но это был один из способов получить достаточную площадь поверхности для охлаждения двигателя мощностью 0,89 л.с. / куб. дюймы смещения. Другим примером был Wright 3350, еще более экстремальный двигатель с множеством проблем с прорезыванием и эксплуатацией. Мощность 1,04 л.с. / куб. дюйма, цилиндр 3350 имеет очень тонкий гофрированный алюминиевый лист, вставленный между обычными литыми охлаждающими ребрами для увеличения площади поверхности.Напротив, 180-сильный O-360 Lycoming дает около 0,50 л.с. / куб. дюйма и не может сравниться по сложности или способности отводить избыточное тепло, как старые радиальные лампы.

Двигатели с воздушным охлаждением почти всегда охлаждаются с нисходящим потоком, но не всегда. Гонщик Том Аберли предпочитает охлаждение восходящим потоком воздуха, поскольку оно направляет более холодный воздух на более горячую сторону выпускного клапана головки блока цилиндров. Здесь первоклассный производитель Энди Патерсон создает специальные перегородки из углеродного волокна для восходящего потока цилиндров на биплане Phantom. Они выходят охлаждающий воздух через вентиляционные отверстия в верхней части кожуха.

Временным решением для улучшения воздушного охлаждения является распыление воды на двигатель для получения мощного эффекта испарения. Можно сказать, что это форма водяного охлаждения, но в любом случае этот метод отлично подходит для спринтерских задач (гонки, высший пилотаж, специальные сценарии лазания), но требует слишком много воды для типичной работы на выносливость.

И ограниченный тепловой КПД двигателя с воздушным охлаждением влияет не только на максимальную мощность; расход топлива и запас хода также скомпрометированы.

Двигатели с воздушным охлаждением, выделяя тепло прямо в атмосферу, больше зависят от атмосферных переменных. Большие перепады температуры и плотности неба означают, что двигатель с воздушным охлаждением должен выдерживать большие колебания скорости охлаждения. Да, откидные створки капота позволяют контролировать скорость охлаждения воздуха, но они не могут этого сделать. В результате двигатели с воздушным охлаждением расширяются и сжимаются, как воздушные шары, поэтому внутренние допуски двигателя невелики, а эксплуатационные ограничения — например, предотвращение быстрых спусков с малой мощностью — более жесткие.

И хотя это не закон физики, похоже, нам есть чему поучиться в авиации общего назначения об эффективном проектировании, герметизации и обслуживании систем охлаждения двигателя с воздушным охлаждением. Если в двигателе с водяным охлаждением течет охлаждающая жидкость, ее устраняют; если двигатель с воздушным охлаждением пропускает воздух через верхнюю палубу, мало кто замечает это, и еще меньше людей что-то делают. В результате разработчики выбирают системы воздушного охлаждения большей мощности и большей производительности, чем нам может потребоваться.

В современную эпоху air- vs.В основе дебатов о водяном охлаждении — цена / простота, как и все остальное. Относительно новые двигатели UL Power сочетают в себе удобство подачи топлива EFI с простотой воздушного охлаждения и прямого привода для сохранения доступной стоимости, в то время как разрабатываемые двигатели EPS Flat-8 отличаются мощностью и эффективностью и имеют водяное охлаждение.

Водяное охлаждение

Двигатели с жидкостным охлаждением покрывают цилиндры и головки цилиндров водой. Тепло поглощается водой, которая перекачивается в радиатор, где тепло отводится в атмосферу.Насос с приводом от двигателя обеспечивает циркуляцию воды, а термостат устанавливает минимальную температуру охлаждающей жидкости.

Вода является отличным теплоносителем и является рабочей жидкостью почти во всех системах жидкостного охлаждения, хотя в некоторых двигателях Rotax присутствуют и неводные жидкости. Когда используется вода, этиленгликоль добавляется в качестве ингибитора коррозии. Повышение давления в системе с помощью подпружиненного вентиляционного отверстия увеличивает точку кипения воды и, следовательно, эффективность системы (чем горячее охлаждающая жидкость и чем холоднее воздух, проходящий через радиатор, тем больше тепла передается за единицу времени).Однако обратите внимание, что если охлаждающая жидкость работает при очень высоких температурах, в конечном итоге масло становится основной охлаждающей жидкостью, потому что при входе в двигатель оно холоднее и, следовательно, поглощает больше тепла.

Как и некоторые автомобильные двигатели Porsche, компания Rotax обнаружила, что водяное охлаждение головок цилиндров и воздушное охлаждение цилиндров — лучший компромисс между наиболее эффективным двигателем и самой легкой и простой установкой. Ребра воздушного охлаждения на цилиндрах видны на 915iS с турбонаддувом; «Радиатор» слева на самом деле является промежуточным охладителем наддувочного воздуха.Меньший водяной радиатор здесь не виден.

Основным преимуществом жидкостного охлаждения является то, что вода намного плотнее воздуха. Меньший объем воды может передавать больше тепла, чем такой же объем воздуха, поэтому большая охлаждающая способность может быть плотно упакована вокруг двигателя. Кроме того, плотной воде требуется больше времени, чтобы нагреться и остыть, поэтому она лучше поглощает скачки температуры и локальные горячие точки, чем воздух. Полученная в результате термическая стабильность приводит к целому ряду улучшений в конструкции двигателя, что приводит к более высокой удельной мощности.

Помимо двигателей Rotax, автоконверсии являются еще одним источником водяного охлаждения в современных экспериментах. Плоская компоновка Subaru подходит для обычных капотов, но возникает вопрос о потоке воздуха через два установленных спереди радиатора из-за скопления людей за теплообменниками.

Самым большим из них является более узкий зазор между поршнем и цилиндром и зазоры поршневых колец. Более герметичный цилиндр выдерживает большее давление в цилиндре для большей мощности и эффективности, пропускает меньше масла через кольца, чтобы снизить риск детонации, более медленно загрязняет масло и означает, что меньше масла нужно поднимать вверх.Более жесткие поршни буквально работают тише, что позволяет применять более амбициозные стратегии датчиков детонации и в двигателях с компьютерным управлением.

Маслоохладители обычно устанавливаются непосредственно на задние охлаждающие перегородки, поскольку это компактная и относительно простая в изготовлении работа. Это хорошо работает на самолетах с низкими характеристиками, таких как этот RV-9, но по мере увеличения скорости и отвода тепла охладитель устанавливается под углом, чтобы организовать поток воздуха от охладителя к выходу из капота.

Еще одним преимуществом является возможность объединения большей охлаждающей мощности вокруг горячих точек, например, полностью вокруг седла выпускного клапана.Сложные внутренние пути потока воды, которые теперь возможны благодаря компьютерному моделированию, также означают более равномерную температуру в головке блока цилиндров. Таким образом, рост температуры двигателя намного лучше контролируется с помощью жидкостного охлаждения; поэтому возможны более точные допуски по всему двигателю. Опять же, все это увеличивает мощность и эффективность.

Двигатели с жидкостным охлаждением также могут быть более компактными и, что еще более важно, жесткими. Это потому, что цилиндры и головки цилиндров могут быть отлиты в виде монолитных блоков, а не выступать консольно из картера, как связка дрожащих игл дикобраза.Поскольку охлаждающие ребра не нужны, цилиндры могут быть более плотно упакованы, что сокращает коленчатый вал — большую жесткость — и двигатель в целом.

Нужно ли еще отметить, что жидкостное охлаждение допускает более узкие форм-факторы? Беглое сравнение между V-12 и радиальным двигателем установит эту картину. Тем не менее, сейчас подавляющая реальность горизонтально противоположной компоновки в авиации общего назначения означает, что в ближайшее время мы не увидим много тонких, как бритва, новых линий.

Оптимизация как внутри, так и снаружи капота.Гонщики Формулы-1 используют длинные удлинители пропеллера для более изящного планера, а также плавно закрытый воздуховод, за которым следуют выходные туннели для воздушного охлаждения с выхлопом.

На стороне отвода тепла, для конструктора планера, радиатор переносится вокруг планера, и воздух может эффективно направляться к нему. Такие уловки, как эффект Мередита, могут уменьшить сопротивление охлаждению, так же как и упаковка охлаждающих выходов в области низкого давления. На практике сделать то же самое с воздушным охлаждением сложнее.

Недостатками водяного охлаждения являются его увеличенный вес, сложность и первоначальная стоимость. Увеличенный вес никуда не денется, хотя большая топливная эффективность может частично компенсировать это в более крупных самолетах. Так же сложность, как радиатор, трубопроводы, соединения, насос и термостат — все это «дополнительные» по сравнению с воздушным охлаждением. Но мы должны сказать, что иногда полусырые преобразования с воздушно-водяным охлаждением традиционных Continentals и Lycomings приводят к ненужным сложностям с глупыми шланговыми соединениями цилиндр-цилиндр, внешними термостатами и другими инженерными проблемами, которые не встречаются в целевых … встроенный двигатель жидкостного охлаждения.

Устранение острых краев на нижнем выходе воздуха из брандмауэра — еще одна область, которую гонщики, такие как Кьяветта, сочли полезными для уменьшения турбулентности и организации охлаждающего воздушного потока. Таким образом, возможны меньшие размеры впускных и выпускных отверстий для охлаждения с меньшим сопротивлением.

Это подводит нас к выводу о водяном охлаждении: требуется продуманная интеграция специально созданного двигателя с водяным охлаждением в корпус, спроектированный вокруг него, чтобы реализовать все преимущества жидкостного охлаждения. А в нашей авиации общего назначения более простые, немного менее эффективные двигатели с воздушным охлаждением часто оказываются легче, дешевле, легче жить с выбором.

Понимание системы охлаждения вашего автомобиля

Тепло — непостоянный друг двигателя: слишком много тепла приведет к его расширению и схватыванию; слишком мало, и он не будет работать эффективно, на пути к износу.

Но хотя в последние годы в системах трансмиссии автомобилей произошли масштабные разработки, включая турбонаддув, уменьшение размеров и гибридизацию, система охлаждения осталась в основном неизменной, за исключением, возможно, более компактной и быстрой работы для повышения эффективности и сокращения выбросов.

Ниже мы объясним, что такое система охлаждения, для чего она нужна и как ее обслуживать.

Что такое система охлаждения автомобиля?

Это сложный теплообменник, состоящий из специальной охлаждающей жидкости, трубок, нескольких умных регулирующих клапанов, а также радиатора и расширительного бачка. Приводимая в движение водяным насосом, охлаждающая жидкость течет от радиатора к двигателю, где она движется вокруг основного блока двигателя, в котором поршни поднимаются и опускаются, а также головки блока цилиндров, включая клапаны, где температура очень высока.

Он возвращается к радиатору, часть его проходит через обогреватель кабины, где через него обдувается небольшой вентилятор, доставляющий теплый воздух в салон. Охлажденная таким образом охлаждающая жидкость снова начинает свой путь вокруг двигателя.

F Узнайте, как проверить охлаждающую жидкость в вашем автомобиле (и другие уровни)

Как выглядит система охлаждения автомобиля?

Prop Откройте капот вашего автомобиля, и вы увидите впереди двигателя, если предположить, что он установлен спереди, тонкую прямоугольную сотовую панель с прикрепленными к ней шлангами.Это радиатор.

Отведите немного назад взгляд, и вы увидите небольшой прозрачный пластиковый резервуар с крышкой, наполненный цветной жидкостью. Это расширительный бачок радиатора. На всякий случай поищите пару узких шлангов, ведущих от него, один из них к радиатору.

Кстати, если вы только что катались, не открывайте эту крышку — вы можете ошпариться горячей охлаждающей жидкостью под давлением.

Посмотрите за радиатор, и вы увидите большой вентилятор, установленный на двигателе или отдельно от него.Благодаря этому воздух проходит через радиатор и отводит тепло.

Рядом вы также увидите длинный резиновый вспомогательный ремень, который приводит в действие различные вспомогательные системы двигателя, в том числе (на некоторых двигателях) странную вещь со шлангами, отходящими от нее. Это водяной насос, который направляет охлаждающую жидкость по системе. В некоторых других двигателях насос приводится в движение ремнем газораспределительного механизма, в то время как на очень новых автомобилях насос приводится в действие электродвигателем.

Как работает система охлаждения?

Мы кратко объяснили, как работает система выше, но правда в том, что она немного умнее этого.Вот что происходит…

… когда двигатель и охлаждающая жидкость холодные

Начнем с того, что вы заведете машину. Конечно, холодно, что нехорошо, поскольку топливо не испаряется легко при низких температурах, а моторное масло холодное и вялое и плохо смазывает движущиеся части двигателя. Так что он должен нагреться — быстро.

Как ни странно, в этом может помочь система охлаждения. В тот момент, когда вы заводите автомобиль, водяной насос начинает перекачивать холодную охлаждающую жидкость из нижнего бачка в радиаторе (в основном, из нижней части) к холодному блоку двигателя.Отсюда он проходит по каналам в отливке к головке блока цилиндров, а затем обратно к насосу.

А теперь самое интересное. Рядом с насосом находится термостатический клапан. Если охлаждающая жидкость слишком холодная, клапан остается закрытым, не позволяя ей достигнуть радиатора и заставляя его перекачиваться обратно в двигатель без охлаждения, а также вокруг обогревателя кабины.

Очень быстро охлаждающая жидкость начинает нагреваться, помогая переносить тепло по двигателю и ускоряя процесс прогрева, тем самым повышая эффективность двигателя.

… когда двигатель и охлаждающая жидкость горячие

Максимальная рабочая температура двигателя составляет около 120 ° C, но когда охлаждающая жидкость достигает около 90 ° C, происходит волшебство: термостатически управляемый клапан открывается, отводя горячую охлаждающую жидкость к радиатору через верхний шланг радиатора и в верхний бак радиатора.

Конечно, это не волшебство. Фактически, воск внутри термостата плавится и расширяется, заставляя клапан открываться. Между прочим, это изменение температуры отслеживается датчиком, который передает данные в блок управления двигателем автомобиля, который при необходимости вносит небольшие изменения в работу топливной системы и системы зажигания.На новейших автомобилях работа термостата полностью контролируется системой управления двигателем. Это позволяет точно контролировать температуру охлаждающей жидкости, дополнительно сокращая выбросы и повышая эффективность.

… в радиаторе

Это то место, где система охлаждающей жидкости переходит от помощи к нагреву двигателя к тому, чтобы помочь ему не нагреваться. Как и ваш домашний радиатор, радиатор автомобиля состоит из сети труб, идущих от так называемого верхнего бака к нижнему.

Однако, в отличие от вашего домашнего радиатора, радиатор в автомобиле представляет собой плотную массу тонких алюминиевых слоев в сотовой структуре, которая окружает трубы, по которым проходит охлаждающая жидкость. Тепло переходит от охлаждающей жидкости к алюминию.

По мере движения автомобиля воздух поступает через переднюю решетку и проходит через эти алюминиевые слои, что приводит к увеличению площади поверхности радиатора и ускорению процесса теплопередачи. К тому времени, когда охлаждающая жидкость переместится из верхнего бака радиатора в его нижний бачок, она готова к перекачке обратно в двигатель.

… в расширительном бачке

При повышении температуры охлаждающей жидкости она расширяется, вызывая повышение давления в системе. Это не так плохо, как кажется, потому что повышение давления поднимает точку кипения охлаждающей жидкости выше 100 ° C, как в скороварке, когда вы можете готовить при очень высоких температурах, не доводя пищу до кипения.

Однако жизненно важно, чтобы это давление можно было сбросить, иначе, во-первых, охлаждающая жидкость больше не сможет попасть в радиатор, а во-вторых, рано или поздно система взорвется.

Здесь происходит вторая часть магии системы охлаждения. Радиатор имеет крышку или клапан давления, который, когда давление достигает около 15 фунтов на квадратный дюйм, открывается, позволяя охлаждающей жидкости течь в расширительный бачок, упомянутый ранее, таким образом сбрасывая давление.

Это герметичная система, поэтому редко требуется доливать охлаждающую жидкость, что вы делаете при холодном двигателе, открутив крышку заливной горловины на бачке. Проверьте отметки уровня на боковой стороне бачка и, если уровень упал, проверьте шланги системы охлаждения на герметичность.

Более ранние системы имеют переливную трубу вместо резервуара, поэтому вы должны доливать систему через радиатор, опять же, когда он холодный.

… вентилятор

Когда вы останавливаетесь на светофоре или прибываете в пункт назначения и выключаете двигатель, вы можете услышать приглушенный жужжащий звук. Это электрический вентилятор за радиатором, который прогоняет воздух, чтобы охладить его.

Он контролируется датчиком температуры, но современные системы охлаждения настолько эффективны, что, если вы не застряли на длительное время в пробке с работающим двигателем или не ехали особенно быстро, он срабатывает редко.

Альтернативой электрическому вентилятору является вентилятор, приводимый в действие прямо от двигателя через вязкую муфту, управляемую термочувствительным клапаном. Он включает или выключает вентилятор по мере необходимости.

Пора сменить охлаждающую жидкость в машине? Узнайте, как

Что такое охлаждающая жидкость?

Если бы это была обычная вода, жизнь была бы намного проще, но вода содержит примеси, которые разъедают систему охлаждения и снижают ее эффективность. Кроме того, вода также испаряется при высоких температурах и замерзает при низких.

Эта последняя характеристика является плохой, поскольку в нем нет охлаждающей жидкости, поскольку при замерзании охлаждающая жидкость не будет течь, а водяной насос не будет вращаться, а это означает, что двигатель будет становиться все горячее и горячее, пока не закроется. Если водяной насос приводится в действие ремнем газораспределительного механизма, заклинивший насос может повредить ремень. Замерзшая охлаждающая жидкость тоже расширяется, вызывая серьезные повреждения системы.

Вместо этого охлаждающая жидкость представляет собой смесь воды и антифриза. Большинство производителей теперь рекомендуют использовать деионизированную воду (другими словами, все минералы, такие как натрий и кальций, удалены).Антифриз содержит присадки, в том числе ингибиторы коррозии. Охлаждающая жидкость может быть получена путем смешивания деионизированной воды с концентратом антифриза, или ее можно купить предварительно смешанной, готовой к добавлению в систему охлаждения. Если вы смешиваете охлаждающую жидкость самостоятельно, придерживайтесь соотношения антифриза и воды 50/50. Меньше или больше снизит эффективность охлаждающей жидкости.

На этом этапе важно знать, что антифриз является довольно агрессивным химическим веществом и что важно, чтобы вы использовали правильный тип антифриза в своем автомобиле, тем более что его можно купить отдельно от охлаждающей жидкости и добавлять по мере необходимости. .Не оставляйте на земле луж антифриза — это ядовито!

Большинство автомобилей, произведенных с 1998 года, имеют алюминиевые двигатели и радиаторы, для которых подходит только антифриз на основе органических кислот (OAT). В автомобилях, выпущенных до 1998 года, может использоваться альтернатива технологии неорганических кислот. Также широко используются два других типа; один на основе этиленгликоля, а другой — на пропиленгликоле.

Anti-freeze бывает разных цветов в зависимости от систем охлаждения, с которыми он совместим, и при необходимости лучше доливать его на одну и ту же.В случае сомнений обратитесь к руководству по эксплуатации вашего автомобиля или руководству Haynes.

Вы можете проверить прочность антифриза в охлаждающей жидкости вашего автомобиля с помощью тестера незамерзания или ареометра.

Дэвид Ботчер — профессиональный инженер

Дэвид Ботчер — профессиональный инженер

Eur Ing D B Boettcher BSc (Hons) CEng MIET

Предоставление инновационных решений для техники и бизнеса проблем возможностей.

Термостат двигателя, такой как термостат двигателя обычного автомобиля или грузовика с водяным охлаждением, имеет две отдельные, но взаимосвязанные функции:

1.Как можно быстрее довести двигатель до оптимальной рабочей температуры; и

2. После этого поддерживать двигатель при оптимальной рабочей температуре.

Введение

Двигатели внутреннего сгорания наиболее эффективно работают при относительно высоких температурах, обычно выше 80 ° C — 85 ° C (176 ° F — 185 ° F). Износ движущихся частей уменьшается, а термический КПД увеличивается за счет работы при этой температуре.

Более низкие температуры двигателя приводят к неэффективному сгоранию, что приводит к увеличению расхода топлива и повышенному износу с последующим сокращением срока службы двигателя.

Однако, если температура двигателя становится слишком высокой, кипение охлаждающей жидкости приводит к образованию локальных паровых карманов, которые серьезно снижают теплопередачу в пораженной области, обычно в головке блока цилиндров, что приводит к преждевременному сгоранию топливовоздушной смеси, также известному как детонация. или детонация и, в конечном итоге, повреждение компонентов двигателя (головки блока цилиндров, клапанов и поршней).

Источник тепла и раковины

Когда двигатель сжигает топливо, выделяется тепло. Это тепло увеличивает давление образующейся газовой смеси, остатков всасываемого воздуха и сгоревших паров топлива, что заставляет поршень опускаться и вращает коленчатый вал.Но не все тепло, выделяемое при сжигании топлива, превращается в полезную работу; часть его остается в газе и спускается по выхлопной трубе, а часть проходит в стенки камеры сгорания и цилиндра и удаляется системой охлаждения двигателя.

Итак, сколько тепла задействовано? Двигатели внутреннего сгорания довольно эффективно превращают тепло в полезную работу коленчатого вала; в наиболее эффективных дизельных двигателях с высокой степенью сжатия «тепловой КПД» (количество энергии в топливе, которое превращается в полезную работу) в идеальных условиях может приближаться к 50%.Бензиновые двигатели не так эффективны, как дизельные, из-за более низкой степени сжатия, и большинство двигателей определенно не работают в идеальных условиях большую часть времени. Итак, давайте говорить круглыми числами: в типичном автомобильном двигателе примерно треть (33%) энергии топлива превращается в полезную работу, чтобы заставить автомобиль двигаться, треть тепла уходит в выхлопную трубу. горячий выхлопной газ, и последняя треть тепла уходит в систему охлаждения.

Используя эти пропорции, мы можем видеть, что автомобильный двигатель, скажем, достаточно мощный, в 200 л.с. (тормозная мощность) на самом деле выделяет 600 л.с. тепла, когда он развивает свою максимальную мощность.Одна лошадиная сила составляет примерно 750 ватт, то есть примерно 450 кВт (киловатт), или целых 150 электрических чайников, которые обычно имеют мощность около трех киловатт. Треть этих 450 кВт тепла должна отводиться системой охлаждения.

Конечно, двигатель не всегда развивает максимальную мощность. Когда он не работает, он вырабатывает очень мало тепла, и требования к системе охлаждения намного ниже. Это заметно, когда вы сидите в пробке даже в жаркий день.В типичном современном автомобиле с электрическим вентилятором радиатора температура двигателя будет постепенно повышаться, пока вентилятор не включится, чтобы охладить его. Как только охлаждающая жидкость остынет на несколько градусов, вентилятор отключается, и охлаждающая жидкость может поглощать тепловую мощность двигателя в течение нескольких минут, пока он не нагреется, и вентилятор должен снова включиться, чтобы охладить его.

Таким образом, система охлаждения двигателя должна иметь возможность отводить свою часть тепла, производимого двигателем, много или мало, и все, что находится между ними, сохраняя при этом температуру двигателя стабильной на оптимальной рабочей температуре.

Роль термостата

Для отвода тепла от блока цилиндров и головки охлаждающая жидкость циркулирует в проходах, встроенных в эти компоненты. Часть охлаждающей жидкости рециркулирует вокруг двигателя, а часть отводится через радиатор для охлаждения. Доля охлаждающей жидкости, рециркулирующей вокруг двигателя, по сравнению с пропорцией, направляемой в радиатор и охлаждаемой, определяется степенью открытия термостата.

Чтобы двигатель всегда работал при оптимальной температуре, термостат регулирует его открытие для управления потоком охлаждающей жидкости и, следовательно, потоком тепла от двигателя к радиатору.Охлаждающая жидкость охлаждается в радиаторе и возвращается для смешивания с охлаждающей жидкостью, циркулирующей по двигателю, для поддержания постоянной температуры смешанной смеси.

Если двигатель вырабатывает мало тепла, например, если он работает на холостом ходу, то струйки охлаждающей жидкости через радиатор достаточно, чтобы отвести это тепло и поддерживать постоянную температуру двигателя. Если двигатель работает усиленно, то выделяется больше тепла и через радиатор должно циркулировать больше охлаждающей жидкости, чтобы предотвратить перегрев.

Внешняя температура и скорость автомобиля, которые изменяют способность радиатора отводить тепло, также влияют на скорость, с которой охлаждающая жидкость должна циркулировать через радиатор, поскольку они влияют на температуру охлаждающей жидкости, возвращаемой в двигатель из радиатора для смешивания с охлаждающая жидкость, циркулирующая вокруг двигателя.

Чтобы двигатель достиг оптимальной рабочей температуры как можно быстрее, термостат ограничивает поток воды от двигателя к радиатору практически до нуля (требуется небольшой поток, чтобы термостат ощущал изменения температуры воды по мере того, как двигатель прогревается), пока двигатель не достигнет оптимальной температуры.Затем термостат постепенно открывается, чтобы позволить достаточному количеству охлаждающей жидкости пройти через радиатор, чтобы отвести тепло, выделяемое двигателем, и предотвратить повышение температуры. Если двигатель нагревается на холостом ходу и, следовательно, выделяет лишь небольшое количество тепла, термостату потребуется лишь немного приоткрыться, чтобы отвести выделяемое тепло.

Когда двигатель работает при оптимальной температуре, термостат регулирует поток охлаждающей жидкости к радиатору таким образом, чтобы двигатель поддерживался при оптимальной рабочей температуре, даже когда выходная мощность и, следовательно, тепловая мощность двигателя изменяются с изменяющейся нагрузкой и условиями окружающей среды. .

В условиях пиковой нагрузки, например, при медленном подъеме по крутому склону на полностью открытой дроссельной заслонке при большой нагрузке в жаркий день, термостат будет приближаться к полному открытию, потому что двигатель вырабатывает максимальную мощность, скорость воздушного потока через радиатор мала. , и разница температур между радиатором и охлаждающим воздухом будет небольшой. (Скорость воздушного потока через радиатор и разница температур между радиатором и охлаждающим воздухом имеют большое влияние на его способность рассеивать тепло.) Обратите внимание, что даже при работе двигателя на полную мощность термостат не должен быть полностью открыт: всегда должен быть запас холодопроизводительности в соответствии с принципом предосторожности.

И наоборот, при быстром движении под гору по автостраде холодной ночью с небольшим дросселем термостат будет почти закрыт, потому что двигатель вырабатывает небольшую мощность, а радиатор может рассеивать гораздо больше тепла, чем производит двигатель. Допуск слишком большого потока охлаждающей жидкости к радиатору приведет к переохлаждению двигателя и его работе при температуре ниже оптимальной.Побочным эффектом этого может быть то, что обогреватель салона не сможет выдавать достаточно тепла, чтобы согреть пассажиров.

Термостат, следовательно, постоянно регулируется, то есть он перемещается во всем своем диапазоне в ответ на температуру охлаждающей жидкости, протекающей мимо него, увеличивая или уменьшая поток охлаждающей жидкости двигателя к радиатору в ответ на изменения температуры охлаждающей жидкости из-за для изменения выходной мощности в ответ на рабочую нагрузку транспортного средства, скорость транспортного средства и внешнюю температуру, всегда поддерживая двигатель при оптимальной рабочей температуре.

Как работает термостат?

Типичный термостат имеет цилиндр, содержащий термочувствительный воск, и поршень, который проходит через стенку цилиндра, к которому прикреплен рабочий диск клапана и возвратная пружина. Расширение воска при нагревании выталкивает поршень из цилиндра, перемещая диск дискового клапана. Сжатие парафина при охлаждении позволяет поршню возвращаться в цилиндр с помощью возвратной пружины. При температурах ниже диапазона рабочих температур двигателя воск остается твердым, и термостат не реагирует на изменения температуры.После запуска двигателя и нагрева охлаждающей жидкости воск становится жидким, когда температура достигает нижней границы рабочего диапазона температур. Когда воск разжижается, термостат находится в точке, в которой поршень начинает перемещать дисковый клапан и отклонять поток охлаждающей жидкости к радиатору. По мере дальнейшего прогрева двигателя постоянный поток охлаждающей жидкости к радиатору отводит излишки тепла от двигателя.

Когда двигатель находится в нормальном рабочем диапазоне температур, температура охлаждающей жидкости, проходящей мимо термостата, будет увеличиваться или уменьшаться с изменением выходной мощности.Парафин расширяется или сжимается пропорционально изменению температуры, выталкивая поршень из цилиндра или втягивая его с помощью возвратной пружины. Дисковый клапан действует как пропорциональный регулирующий клапан, регулируя пропорции охлаждающей жидкости, которая либо рециркулирует непосредственно в двигатель, либо направляется в радиатор для охлаждения и затем смешивается с рециркулирующей водой.

Термостат спроектирован таким образом, что он может переходить из полностью закрытого состояния в полностью открытое в небольшом диапазоне температур.Номинальная температура термостата, например 82, 88, 92 и т. Д. — это номинальная температура в градусах Цельсия, при которой клапан термостата начнет открываться после прогрева двигателя. При дальнейшем повышении температуры охлаждающей жидкости клапан будет открываться до полного открытия. Температура полностью открытого состояния обычно на 12-15 градусов выше температуры открытия.

Для проверки термостата обычно помещают его в кастрюлю или чайник с водой и доводят до кипения, наблюдая, как дисковый клапан переключается из открытого в закрытое.Однако подобное тестирование может привести к неправильному пониманию того, как работает термостат. Термостат предназначен для поддержания температуры двигателя в узком диапазоне, и он делает это путем перехода от полностью закрытого к полностью открытому в диапазоне температур в несколько градусов.

Пока не будет достигнута начальная температура открытия где-то выше 80 градусов, ничего не произойдет, но как только температура открытия будет достигнута, температура воды может так быстро подняться в рабочем диапазоне термостата, что пропорциональное открытие дискового клапана не будет соблюдаться.Вот почему люди ошибочно думают, что термостаты переключаются из закрытого состояния в полностью открытое за один шаг. Чтобы действительно наблюдать пропорциональную работу термостата, температуру охлаждающей жидкости, в которой он испытывается, следует повышать очень медленно во всем рабочем диапазоне.

При тестировании термостатов с более высокими температурами следует отметить, что термостат на 88 градусов не будет полностью открыт до 100-103 градусов, аналогично термостат на 92 градуса не будет полностью открыт до 104-107 градусов.Клапан не откроется полностью при погружении в обычную кипящую воду, потому что температура кипения воды составляет 100 градусов по Цельсию на уровне моря. Чтобы проверить термостаты с более высокой температурой, их необходимо нагреть в смеси вода / незамерзающая смесь или кулинарном масле, что позволит поднять температуру охлаждающей жидкости выше 100 градусов.

NB: Тестирование термостата путем нагревания его в жидкости потенциально опасно и должно выполняться только компетентным лицом, которое полностью осведомлено о потенциальных опасностях и при соблюдении соответствующих мер безопасности.

Copyright © Дэвид Ботчер, 2006-2021 гг., Все права защищены. Не стесняйтесь обращаться ко мне через страницу «Свяжитесь со мной».

Эта страница обновлена ​​в апреле 2019 г. W3CMVS.

Охлаждение поршня

Hannu Jääskeläinen

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Необходимо контролировать максимальную температуру поршня, чтобы предотвратить преждевременный износ поршня и повреждение двигателя.Поршень может охлаждаться струей масляного распылителя, направляемой в нижнюю часть поршня, или маслом, протекающим через охлаждающий канал или галерею, встроенную в поршень.

Температура поршня

Максимальная температура поршня — или, более конкретно, определенных ключевых областей поршня, таких как канавка верхнего кольца и обод барабана — должна контролироваться, чтобы предотвратить преждевременный износ и выход из строя поршня и последующее повреждение двигателя. Около 3-5% энергии топлива в покоящихся камерах сгорания и 6-8% в камерах вихревого типа передается на поршень.Если поршень не охлаждается, до 60% этого тепла может проходить через область поршневого кольца в рубашку охлаждения. Дополнительное тепло передается через юбку в рубашку охлаждающей жидкости и от нижней части поршня через брызги / туман масла к маслу картера [371] . Если поршень охлаждается маслом, значительная часть этого тепла уносится маслом, уменьшая относительное количество, которое проходит через область кольца. На фиг.1 показано влияние этой теплопередачи в поршне бензинового двигателя и поршне [3466] дизельного двигателя с масляным охлаждением.

(Источник: Mahle)

Температура поршня бензинового двигателя самая высокая в центре днища поршня и снижается к верхней поверхности. Для поршней дизельных двигателей и бензиновых двигателей прямого впрыска с поршнем в форме чаши максимальная температура возникает на краю чаши, а оттуда падает к центру чаши и к верхней площадке. В дизельных двигателях температурный профиль по окружности обода камеры в значительной степени определяется количеством и ориентацией отверстий для впрыска, давлением впрыска, временем и продолжительностью впрыска, а также геометрией камеры сгорания.Самые высокие температуры вокруг обода чаши возникают в местах, которые совпадают с центром горящих форсунок дизельного топлива. В результате неравномерного ввода тепла через эти «лепестки сгорания» характерен волнообразный профиль температуры. Разница между максимальной и минимальной температурой по окружности обода чаши в некоторых случаях может превышать 40 ° C.

Тепловая нагрузка на поршень и результирующий температурный профиль влияют на работу поршня и, если превышаются максимальные пределы температуры, могут привести к отказу компонентов и повреждению двигателя.Три критических эффекта: [3466] :

• Усталостная прочность поршня. Повышенная температура поршня снижает сопротивление усталости поршня. В некоторых алюминиевых поршневых сплавах потеря сопротивления усталости может достигать 80% по сравнению со свойствами при комнатной температуре. Черные металлы менее чувствительны при температурах до 400 ° C.
• Если температура в зоне поршневого кольца становится слишком высокой, это может привести к пластической деформации и повышенному износу, особенно в первой канавке поршневого кольца.Кроме того, закоксовывание смазки может привести к отложению нагара в кольцевой канавке, который может действовать как изолятор или вызывать прилипание кольца.
• Радиальная деформация поршня. Это влияет на шум, потери на трение и зазоры между поршнем и другими компонентами. Если не соблюдаются достаточные зазоры во всех возможных условиях работы двигателя, это может привести к заклиниванию поршня или контакту с клапанами.

Некоторые типичные значения температуры для поршней легковых автомобилей: [3466] :

• Центр днища поршня (бензиновый двигатель, левый впрыск) 270–310 ° C
• Чаша днища поршня (бензиновый двигатель, прямой впрыск) 270–350 ° C
• Обод чаши (дизельный двигатель, непосредственный впрыск) 350–400 ° C
• Опорная поверхность 200–250 ° C
• Отверстие под палец (зенит) 200–250 ° C
• Верхняя кольцевая канавка (струйное охлаждение, канал охлаждения соляного керна) 200–280 ° C
• Канавка верхнего кольца (охлаждаемая опора кольца) 180–230 ° C
• Канал охлаждения (зенит) 250–300 ° C

Основная причина охлаждения поршня — это контроль температуры в нескольких из вышеперечисленных ключевых областей.Температуры поршней масштабируются в зависимости от выходной мощности двигателя, так что во избежание чрезмерных температур поршня выходная мощность двигателя может быть ограничена соображениями температуры поршня, рис. 2. На этом рисунке показана номинальная мощность на единицу площади поршня (π · отверстие ² / 4) для двигателей, обследованных в 1990-е годы [371] .

Примечание: для диаметра отверстия / хода ~ 1, 1,0 МВт / м ² ~ 10 кВт / л

В приложениях с более низкой удельной мощностью, оснащенных алюминиевыми поршнями, проводимость материала высока, а площадь поверхности, контактирующая с гильзой, достаточно велика, чтобы поршень можно было эксплуатировать без охлаждения или с масляной струей, направленной на дно поршня без превышения максимального размера поршня. температуры.В случае поршней из черных металлов это обычно невозможно из-за меньшей площади поверхности, контактирующей с гильзой, и низкой теплопроводности материала; масляное охлаждение необходимо [371] .