Видове охладителна система

Начини за охлаждане
Звездообразен самолетен двигател с въздушно охлаждане Швецов М-11

Отстраняване излишъкът от топлина се осъществява със системата за охлаждане. Използват се два типа системи:

* с въздушно охлаждане;
* с водно охлаждане.

Въздушно охлаждане

Въздушното охлаждане, като система, използва увеличена охладителна площ за топлоотдаване от двигателния цилиндър, цилиндровата глава и картера на двигателя, с което се осъществява топлоотдаване към околната атмосфера. Конструктивно се реализира със значително оребряване на тези части на двигателя, чиято площ е в състояние в съприкосновение с въздуха да отдаде излишната топлина.
Предимства

* Това е най-простата и лека конструкция от системите за охлаждане. Отлетите охладителни ребра увеличават многократно топлоотдаващата способност на двигателя от насрещния въздушен поток. Намира приложение в евтините непретенциозни мотоциклетни двигатели, преносими машини, маломощни генератори за електрически ток, в авиационните двигатели, където топлообмена се осъществява само от директно обдухване. В леки и тежки автомобили охлаждането се осъществява с принудително обдухване с високооборотен вентилатор.
* Лесно се достига да работна експлоатационна температура.
* Не се изискват специални грижи при ниски околни температури.

Недостатъци

* Отделя се част от мощността на двигателя за задвижването на вентилатора за принудително въздушно охлаждане. Налага се поставянето на специална кутия или ламаринени капаци като въздуховоди на потока въздух от вентилатора към цилиндрите. Така е конструирана охлаждането при леките автомобили "Татра", популярните "Трабант" и "Запорожец", чешките камиони "Татра" и "Прага" и авиационен редови двигател "Валтер". С въздушно охлаждане е по-малко разпространения у нас двигател 6KVD 14,5/12-1 SRL, производство на заводите ИФА-ГДР.
* Двигателите са по-шумни поради завихрянето на въздуха около двигателя и шума произвеждан от вентилатора.
* Имат непостоянен температурен работен режим, променящ се в по-голям температурен диапазон в зависимост от работния режим на двигателя. Поради това двигателя се износва по-бързо и се намалява неговия междуремонтен ресурс.
* За регулиране на температурата се използват дроселови клапи поставени в канала на охлаждащия въздух. Задвижват се от термостат посредством лостова система при достигане на работната температура или електронно. Това оскъпява стойността на конструкцията.
* Сериозни проблеми с течовете на смазочни материали поради открито разположените водещи втулки на повдигачите на клапаните. Поради наличието на разделима връзка с междинен уплътнител - каучуков ринг, част от смазочното масло, качено от помпата се стича по вътрешната стена на втулката и при вибриране се насъбира между нея и уплътнителя, от където изтича. Подобен теч се наблюдава осезаемо при варианта на ИФА и по-слабо при "Татра" и "Прага".
* По-малка вписана мощност при сравнително големи размери на двигателя.

Водно охлаждане
Трактор Шлютер с термосифонно охлаждане

Охлаждането с течност се нарича водно охлаждане. С вода, непрекъснато и безопасно може да се използва само при положителни температури на околната среда. В двигателите основно се използват течни флуиди с незамръзващи съставки известни с търговското наименование антифриз. Охлаждането с течност е възможно поради по-специалната конструкция на двигателите — изработени са с две стени и течността може свободно да се движи около цилиндрите и в обема на цилиндровата глава на двигателя. Така в кухия обем на двигателя чрез т. нар. водна риза бързо се отнема топлината и се осъществява конвекция - т.е. процес на топлопренасяне чрез движение на частици флуид и топлообмен между двигателя и по-ниската температура на въздуха от околната среда.
Конструктивни решения

* Термосифонно охлаждане

Това е най-простата система за водно охлаждане. Загрятата течност се разширява и като по-лека преминава в съд с голям обем, където топлината се отдава чрез изпарение или топлообмен чрез стените на съда. Тази охладителна система е отворена и се използва в двигатели с малка мощност. Такива са стационарни дизелови двигатели (като напр. Дойц), дизелови двигатели за трактори (като Ланц Булдог, Чжан чун - 14 hp -китайско производство, ранни модели Шлютер). Тези двигатели работят в състояние на кипяща охладителна течност, което поради отворената система на охлаждането, изпарението не позволява превишаване на температурата над 100 0С.

Такова обикновено водно циркулационно охлаждане има и по-модерно решение. Във автомобил Вартбург 311 вместо голям съд за топлообмен има автомобилен радиатор с горно и долно казанче, без водна помпа. Циркулацията на течността протича по-бавно, но охлаждането е ефективно поради значителната площ за топлоотдаване и принудителното обдухване от вентилатор. Системата е затворена, но притежава паровъздушен клапан за предотвратяване на повишаване на налягането. Такова техническо решение понижава цената на конструкцията, премахва термостата и водната помпа, както и разходите по тяхното обслужване.

* Изпарителна система за охлаждане

Изпарителната система за охлаждане е затворена и е близка до термосифонната. При тази система работната температура на двигателя е по-висока от точката на кипена на охлаждащата течност, от което следва бързо изпаряване и отнемане топлината на двигателя. Парата под налягане, посредством система от тръби и радиатори, се охлажда, кондензира отново в течност и се връща за охлаждане на двигателя. Такава система е използвана в бойните самолети на Германия в края на 30те години по време на Втората световна война. Охлаждащите елементи са монтирани в крилата и са работели ефективно, но такова решение не се оказало удачно. При преки попадения в самолета, поради голямата си площ системата лесно се поврежда и за няколко минути бойната машина излиза от строя.
Термостат

* Принудително циркулационно охлаждане

Принудителното циркулационно охлаждане се реализира със затворена охладителна система. Загрятата във водната риза течност принудително циркулира в охладителната система, задвижвана от центробежна водна помпа. Така от горещия двигателен блок течността по тръба постъпва в автомобилния радиатор, където голямата му повърхност, добрата топлопроводимост на материала от който е изработен и силния въздушен поток от вентилатора на системата бързо отнемат топлината от охлаждащата течност. Топлинният режим се регулира от термостат, който прекъсва циркулацията на течността при студен двигател. Така се оформят два кръга на охлаждане - малък и голям.

- Малкият кръг е този, при който течността циркулира в ограничено пространство между блока на двигателя, водната помпа, термостата и радиатора за отопление на шофьорската кабина. Така двигателят загрява по-малък обем течност и лесно достига до ефективна работна температура.
- Големият кръг включва всички елементи на охладителната система. Течността циркулира от цилиндровата глава на двигателя през термостата, през тръбите до разширителните казанчета на радиатора. Охладената течност чрез водната помпа се вкарва в двигателния блок и цикъла се повтаря. При промяна на работния режим на двигателя и намаляване на температурата на двигателя, термостата намалява сечението на отвора си, с което намалява пропускането и постъпването на течност в радиатора.

Термостат

Предназначен е за бързо прогряване на двигателя при студен старт. В определени случаи, при необичайно снижаване на температурата на околната среда може да регулира охладителната система. Основен елемент е биметална пластина. С повишаване на температурата на охлаждащата течност, биметална пластина започва да отваря или затваря клапан (при някои конструкции има два самостоятелни клапана). Съществуват два основни вида конструкции - с едноклапанен или двуклапанен термостат.

* Едноклапанен термостат

Най-разпространената конструкция. Особеност е, че циркулационната помпа има два входа и един изход, като входът за малкия кръг е с по-малко сечение. При отваряне на термостата охлаждащата течност започва да циркулира през големия кръг, тъй като входът на помпата е с по-голямо сечение, следователно има и по-ниско хидравлично съпротивление. През малкия кръг продължава да циркулира минимално количество течност.

* Двуклапанен термостат

Помпата има вход и изход. Термостатът притежава два самостоятелни клапана, като при ниска температура на двигателя е отворен единият клапан, а другият е затворен. При повишаване на температурата се затваря клапанът за малкия кръг и се отваря този за големия. Съществуват конструкции, при които се използва само един елемент за управление на потока.
Схеми на двуклапанен и едноклапанен термостат
Предимства

* Водното охлаждане обезпечава постоянен оптимален температурен режим на двигателя. Това увеличава неговата надеждност и удължава междуремонтния му ресурс.
* Двигателят работи по-безшумно поради наличиято на водна риза.

Недостатъци

* Термосифонното охлаждане се нуждае от голямо количество охлаждаща течност и непрекъснат надзор на работещата машина.
* Това е по сложна, по-тежка и по-скъпа конструкция от тази с въздушно охлаждане. Изисква и по-високи експлоатационни разходи за обслужване.