Общие сведения. При сгорании топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания выделяется большое количество теплоты

При сгорании топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания выделяется большое количество теплоты, вследствие чего детали двигателя, соприкасающиеся с горячими газами, сильно нагреваются.

Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода теплоты от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимой теплоты воспринимается системой охлаждения, меньшая — системой смазки и непосредственно окружающей сре­дой.

В зависимости от рода используемого теплоносителя в автомо­бильных и тракторных двигателях применяют систему жидкостного или воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного охлаждения – воздух.

Тепловое состояние двигателя в первом случае оценивают по температуре охлаждающей жидкости (в закрытых системах равна 100°С, максимальная кратковременно допустимая – 105°С; в открытых системах допустимая температура охлаждающей жидкости – 90 … 95°С).

Каждая из указанных систем охлаждения имеет преимущества и недостатки. К преимуществам жидкостного охлаждения следует отнести:

а) более эффективный отвод теплоты от нагретых деталей дви­гателя при любой тепловой нагрузке;

б) быстрый и равномерный прогрев двигателя при пуске;

в) допустимость применения блочных конструкций цилиндров двигателя;

г) меньшая склонность к детонации в бензиновых двигателях;

д) более стабильное тепловое состояние двигателя при измене­нии режима его работы;

е) меньшие затраты мощности на охлаждение и возможность использования тепловой энергии, отводимой в систему охлаждения.

Недостатки системы жидкостного охлаждения:

а) большие затраты на обслуживание и ремонт в эксплуатации;

б) пониженная надежность работы двигателя при отрицатель­ных температурах окружающей среды и большая чувствительность к ее изменению.

Двигатели с жидкостным охлаждением по объёму на 13 … 17 % меньше и на 10 % легче двигателей с воздушным охлаждением. Затраты мощности на охлаждение в двигателях с воздушным охлаждением составляют 3,5 … 13 %, в двигателях с жидкостным охлаждением – 2 … 9 %.

Систему жидкостного охлаждения наиболее целесообразно ис­пользовать в форсированных двигателях и в двигателях с относите­льно большим рабочим объемом цилиндра; систему воздушного охлаждения – в двигателях с рабочим объемом цилиндра до 1 л не­зависимо от степени форсировки и в двигателях с небольшой лит­ровой мощностью.

Расчет основных конструктивных элементов системы охлажде­ния производится исходя из количества теплоты, отводимой от двигателя в единицу времени.

3. 2. Расчёт системы жидкостного охлаждения

При жидкостном охлаждении количество отводимой теплоты (Дж/с)

,

где с = 0,45 … 0,53 – коэффициент пропорциональности;

i – число цилиндров;

D – диаметр цилиндра, см;

m = 0,5 … 0,7 – показатель степени;

n – частота вращения вала двигателя;

DQ_H – количество теплоты, потерянное из-за химической неполноты сгорания:

DQ_H = 119950×(1 – a)× L₀,

где a - коэффициент избытка воздуха, для карбюраторных двигателей a = 0,96, для дизельных двигателей a = 1,0;

L₀ – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль возд./кг топл.

,

где С, Н, О – массовые доли соответственно углерода, во­дорода и кислорода в элементарном составе топлива;

0,21 – объемное содержание кислорода в 1 кг воз­духа.

Таблица 1.

Элементарный состав и теплота сгорания топлива

Топливо	Содержание в массовых долях	Низшая теплота сгорания, QH, кДж/кг
С	Н	О
Автомобильный бензин	0,855	0,145	-
Дизельное топливо	0,87	0,125	0,005

На теплоту, отводимую охлаждающей жидкостью, оказывают влияние многие эксплуатационные и конструктивные факторы. С увеличением частоты вращения двигателя и температуры охла­ждающей жидкости, а также коэффициента избытка воздуха вели­чина Q_В уменьшается, а с увеличением размеров охлаждающей поверхности и отношения хода поршня к диаметру цилиндра воз­растает.

Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определе­нию основных размеров жидкостного насоса, поверхности ради­атора и подбору вентилятора.

При воздушном охлаждении теплота от стенок цилиндров и го­ловок двигателя отводится обдувающим их воздухом. Интенсив­ность воздушного охлаждения зависит от количества и температу­ры охлаждающего воздуха, его скорости, размеров поверхности охлаждения и расположения ребер относительно потока воздуха.

Циркуляционный расход охлаждающей жидкости, м³/с:

,

где ρ_В – плотность жидкости, кг/м³, ρ_В = 1000 кг/м³ – плотность воды,

ρ_В = 900 кг/м³ – плотность этиленгликолевой смеси;

с_В – удельная теплоёмкость циркулирующей жидкости, кДж/(кг·°С),

с_В = 4,187 кДж/(кг·°С) – для воды, с_В = 2,093 кДж/(кг·°С) – для этиленгликолевые смеси,

ΔТ_Ж – перепад температуры охлаждающей жидкости в радиаторе. Для принудительной циркуляции воды в системе ΔТ_Ж = 6 … 12°С.

Количество отводимой теплоты Q_В зависит от ряда конструктивных факторов, таких как степень сжатия ε, отношение S/D, а также частоты вращения n и от условий эксплуатации (состав смеси, угла опережения зажигания и угла опережения впрыска топлива).

3. 3. Расчётная производительность насоса

Жидкостный насос служит для обеспечения непрерывной цир­куляции жидкости в системе охлаждения. В автомобильных и трак­торных двигателях наибольшее применение получили центробеж­ные насосы с односторонним подводом жидкости.

Расчетная производительность насоса (м³/с) определяется с учетом утечек жидкости из нагнетательной полости во всасыва­ющую:

,

где η_Н = 0,8 … 0,9 – коэффициент подачи.