Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания

6-цилиндровый двигатель с естественным охлаждением на мотоцикле (Honda CBX1000, 105лс)

Авиамодельный двигатель O.S. (1,7см³).

Pratt and Whitney R-4360 - 28-цилиндровый авиационный двигатель с естественным воздушным охлаждением (3500лс).

Воздушное охлаждение может быть естественным и принудительным. Естественное воздушное охлаждение является самым простым видом охлаждения. Тепло от двигателя с такой системой охлаждения передаётся в окружающую среду через развитое оребрение на внешней поверхности цилиндров. Недостаток системы заключается в том, что она из-за низкой теплоёмкости воздуха не позволяет равномерно отводить от двигателя большое количество тепла и, соответственно, создавать компактные мощные силовые установки. Неравномерность обдува требует дополнительных мер для исключения локальных перегревов - более развитого оребрения в аэродинамической тени, обращения более нагретых выпускных каналов вперёд по потоку, а холодных впускных - назад и т.п. Естественное воздушное охлаждение распространено на двигателях лёгкой высокоподвижной техники: мотоциклы, мопеды, авиа- и автомодели. С систематическим ростом форсировки моторов мотоциклов на наиболее совершенных моделях воздушное охлаждение уступает место жидкостному. По причине малой массы естественное воздушное охлаждение широко применялось и на поршневых авиационных двигателях, где близкие к цилиндрическим и имевшие малую окружную скорость комли лопастей винта практически не работали как вентилятор, но скорость набегающего на самолёт потока была сама по себе очень высока.

Универсальный "стационарный" двигатель воздушного охлаждения, установленный на газонокосилке.

Стационарные или плотно закапотированные двигатели оснащают системой принудительного воздушного охлаждения. В них с помощью вентилятора создаётся поток воздуха, который обдувает рёбра охлаждения. Вентилятор и оребрённые поверхности, как правило, закрыты направляющим кожухом. Достоинства такого двигателя аналогичны двигателям с естественным охлаждением: простота конструкции, малый вес, отсутствие охлаждающей жидкости. Однако такие двигатели отличаются повышенным шумом при работе, большими габаритами. Кроме того, при проектировании таких двигателей возникают проблемы с охлаждением отдельных элементов конструкции двигателя из-за неравномерного обдува. На легковых автомобилях, производимых в Европе, воздушное охлаждение широко применялось в 1950-х — 1970-х годах. В основном это небольшие машины типа Volkswagen Kafer, Fiat 500, Citroën 2CV; особняком стоит представительская Tatra 613. В СССР самым известным автомобилем с воздушным охлаждением был «Запорожец». Выпускались грузовые автомобили с дизелями воздушного охлаждения (например грузовики под маркой «Татра» с момента начала выпуска и до начала 2010 годов оснащались исключительно такими двигателями). Двигатели с воздушным охлаждением имеют многие трактора (иногда - тяжёлые, например Т-330; чаще - малые, от обычных пропашных до мини-тракторов мелких частных хозяйств), для которых характерны установившиеся режимы работы двигателя и специфические требования к простоте обслуживания. В настоящее время (2015-е) принудительное воздушное охлаждение применяется на большинстве скутеров, моторизованном инструменте (бензопилы, газонокосилки и пр.), двигателях малогабаритных генераторных установок, на мотоблоках и прочих самоходных и стационарных малых сельскохозяйственных и коммунальных машинах. Для последних очень распространены унифицированные ряды простых одно-двухцилиндровых двигателей воздушного охлаждения, одинаковые у различных производителей (Briggs & Stratton, Honda, Subaru, китайские), в виде компактного законченного блока с креплением на горизонтальную плоскость.

Жидкостное охлаждение морских судов открытого типа

Системы охлаждения классифицируются в соответствии со способом использования теплоносителя в системе.

Замкнутые — в таких системах жидкость-теплоноситель циркулирует по герметичному контуру, нагреваясь от источника тепла (нагревателя) и остывая в охлаждающем контуре (охладителе). В зависимости от устройства системы, теплоноситель может закипать или полностью испаряться, вновь конденсируясь в охладителе. Незамкнутые — в незамкнутых (проточных) системах теплоноситель подается извне, нагревается у источника тепла и направляется во внешнюю среду. В этом случае она играет роль охладителя, предоставляя необходимые объем теплоносителя нужной температуры на входе и принимая нагретый на выходе. Открытые — системы, в которых нагреватель помещен в некоторый объем теплоносителя, а тот заключен в охладителе, если таковой предусмотрен конструкцией. Например, открытая система с маслом в качестве теплоносителя используются для охлаждения мощных электротрансформаторов.

К «чисто жидкостным» системам охлаждения можно отнести лишь открытые системы охлаждения речных и морских судов, где для охлаждения используется забортная вода. В некоторых стационарных двигателях начала XX века мог отсутствовать радиатор, вместо этого имелся расширительный бак большого объёма — отчасти тепло рассеивалось за счёт испарения воды, отчасти — через стенки бака, а отчасти за счёт большого объёма воды, который не успевал достаточно прогреться за время работы двигателя.

Тип сочетает вышеуказанные системы: тепло от цилиндров отводится жидкостью, после чего она, на удалении от теплонагруженной части двигателя, охлаждается в радиаторах воздухом. Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются из отдельных частей:

• внутренняя — рабочая втулка или гильза цилиндра;
• наружная — рубашка (у двигателей воздушного охлаждения рубашка имеет рёбра для эффективного отвода тепла).

Пространство между ними называется зарубашечным, в двигателе с водяным охлаждением тут циркулирует охлаждающая жидкость.

Система охлаждения состоит из рубашки охлаждения блока цилиндров, головки блока цилиндров, одного или нескольких радиаторов, вентилятора принудительного охлаждения радиатора, жидкостного насоса, термостата, расширительного бачка, соединительных патрубков и датчика температуры. Этот тип используется на всех современных автомобилях. Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через рубашку охлаждения двигателя, забирая от неё тепло, а затем охлаждается сама в радиаторе. В этой системе существует два круга циркуляции жидкости — большой и малый. Большой круг составляют рубашка охлаждения двигателя, водяной насос, радиаторы (в том числе — отопителя салона), термостат. В малый круг входит рубашка охлаждения двигателя, водяной насос, термостат (иногда радиатор отопителя салона входит именно в малый круг). Регулировка количества жидкости между кругами циркуляции жидкости осуществляется термостатом. Малый круг охлаждения предназначен для быстрого введения двигателя в эффективный тепловой режим. При этом охлаждающая жидкость фактически не охлаждается, так как не проходит через радиатор. Как только она нагреется до оптимальной температуры, термостат открывается, и охлаждающая жидкость начинает циркулировать также и через радиатор, где непосредственно и охлаждается набегающим потоком воздуха (а в случае длительной стоянки - принудительно вентилятором). При этом, чем сильнее нагревается охлаждающая жидкость, тем сильнее открывается термостат, и тем сильнее жидкость охлаждается в радиаторе. Это и есть принцип поддержания оптимальной температуры двигателя 85-90 °C.

Очень опасным явлением является перегрев двигателя (кипение двигателя). При этом охлаждающая жидкость в прямом смысле вскипает в рубашке охлаждения, что очень часто приводит к серьёзным последствиям и дорогостоящему ремонту. Для предупреждения перегрева двигателя логично применять жидкости с высокой температурой кипения, однако проще всего оказалось держать всю систему под некоторым избыточным давлением (около 1,1 атм), при котором повышается температура кипения охлаждающей жидкости (около 110 °C и 120 °C для воды и антифриза соответственно). Кроме того, при превышении температуры охлаждающей жидкости более 105 °C, включается принудительный обдув радиатора вентилятором.

В жидкостных системах охлаждения поршневых двигателей наземного и воздушного транспорта, а также стационарных установок охлаждающая жидкость циркулирует по замкнутому контуру, а тепло рассеивается в окружающую среду с помощью обдуваемого воздухом радиатора.

Основные части жидкостной системы охлаждения:

• Рубашка охлаждения (1) представляет собой полость, огибающую части двигателя, требующие охлаждения. Циркулирующая по рубашке охлаждения жидкость отбирает у них тепло и переносит его к радиатору.
• Насос охлаждающей жидкости, или помпа (5) — обеспечивает циркуляцию жидкости по контуру охлаждения. В некоторых двигателях, например мини-тракторов, может применяться термосифонная система охлаждения — то есть система с естественной циркуляцией охлаждающей жидкости, в которой этот насос отсутствует. Может приводиться в движение либо через ременную передачу от вала двигателя, либо от отдельного электродвигателя.
• Термостат (2) — предназначен для поддержания рабочей температуры двигателя. Термостат перенаправляет охлаждающую жидкость по малому кругу — в обход радиатора, если температура не достигла рабочей.
• Радиатор (3) имеет развитую поверхность, обдуваемую снаружи набегающим потоком воздуха. Радиатор изготавливается из материалов, хорошо проводящих тепло, чаще всего из алюминия (радиатор для охлаждения масла чаще всего делают из меди).
• Вентилятор (4) создаёт дополнительный поток воздуха для обдува радиатора, в том числе во время остановок и при движении на малой скорости. Может приводиться ременной передачей от вала двигателя, но в современных автомобилях, за исключением крупных грузовиков, он работает от электродвигателя.
• Расширительный бак содержит запас охлаждающей жидкости. С атмосферой расширительный бак сообщается через клапан, поддерживающий избыточное давление охлаждающей жидкости при работе, что позволяет двигателю работать при большей температуре, не допуская кипения охлаждающей жидкости, которое может привести к повреждению двигателя. Автомобили начала-середины XX века часто не имели расширительных бачков. В них запас охлаждающей жидкости находился в верхнем бачке радиатора. Это было вполне допустимо, так как в основном в системе охлаждения использовалась вода, и её расширение при нагреве было небольшим. С распространением антифризов на основе этиленгликоля использование расширительного бака стало обязательным. Полупрозрачный бак, расположенный в доступном месте в верхней точке системы, облегчает также контроль уровня жидкости.

В поршневой авиации также применяются двигатели, в которых цилиндры охлаждаются непосредственно набегающим воздухом, а головки цилиндров — с использованием жидкостной системы охлаждения. Такое решение позволяет снизить массу двигателя и одновременно более эффективно охлаждать головки цилиндров, которые являются наиболее теплонагруженными частями двигателя.

В дополнение к основной системе охлаждения в двигателях большой мощности (на грузовиках и тепловозах), а также на двигателях с воздушным охлаждением применяется охлаждение масла. Охлаждение масла необходимо также потому, что оно поступает к па́рам трения — самым чувствительным к перегреву местам двигателя. Масло может охлаждаться охлаждающей жидкостью, либо окружающим воздухом от отдельного радиатора.

Также существует подвид системы охлаждения, называемый испарительной системой охлаждения. Главное отличие её от обычных водяных или этиленгликолевых — доведение температуры охлаждающей жидкости (воды) выше точки кипения, в результате чего при испарении от теплонагруженных деталей отводится большое количество тепла. Пар конденсируется в жидкость в радиаторе и цикл повторяется. Подобные системы использовались в авиастроении в 30-х годах XX века.[1] Кроме того в Китае по состоянию на 2014 год продолжают выпускаться дизели мощностью от 8 до 24 л.с. с испарительным охлаждением, предназначенные для мотоблоков и минитракторов.