Меню раздела

Охладители поршневых и комбинированных двигателей


Теплота, отводимая в охлаждающую жидкость внутреннего контура (воду, ТОСОЛ, антифриз) и смазочное масло, а также теплота, воспринимаемая при охлаждении наддувочного воздуха, передается охлаждающему теплоносителю в соответствующих охладителях. Охлаждающим теплоносителем в судовых установках является забортная вода, а в установках наземного транспорта - атмосферный воздух. В последнем случае, когда для рассеивания теплоты используется атмосферный воздух, теплообменники называют радиаторами.
Целесообразность применения того или иного теплоносителя может быть охарактеризована следующими относительными значениями теплоотдачи.
Для обеспечения надежной работы деталей, образующих рабочую полость, и приемлемых технико-экономических показателей двигателя температура воды во внутреннем контуре должна поддерживаться в пределах 340-365К, а в высокотемпературных системах охлаждения достигать 400 К. Рабочая температура масла в двигателе при использовании термостойких присадок может быть доведена до 340-360 К, что способствует уменьшению износа в парах трения и механических потерь. Максимальное значение температуры наддувочного воздуха (400-410 К) ограничено допустимой тепло-напряженностью деталей цилиндропоршневой группы, а минимальное (323-333 К)-значительным ухудшением процесса сгорания.
Используемая в судовых двигателях в качестве охлаждающего теплоносителя речная и озерная вода может иметь значительную жесткость, высокую степень загрязнения частицами или микроорганизмами, а морская вода является агрессивной средой, способствующей возникновению электрохимической коррозии и эрозии конструкционных материалов. Для ограничения выделения солей и осадков снижают температуру забортной воды на выходе из системы охлаждения, а на морских судах применяют протекторную защиту от электрохимической коррозии.
Масло и воздух при нормальной влажности (8-10 г/м3) не оказывают корродирующего воздействия, однако, как в масляных, так и в воздушных полостях при работе охладителей образуется слой отложений, в результате чего ухудшается теплообмен/
В судовых установках прокачку забортной воды осуществляют через каждый теплообменник или автономным, или навешенным на двигатель насосом. Обычно для охлаждения наддувочного воздуха используют отдельный контур забортной воды, который подключается параллельно контуру, общему для охладителей масла и пресной воды (рис. 257, а). Такая схема соединения контуров охлаждения дает возможность повысить экономичность двигателя при работе на номинальном режиме. Однако при работе на частичных режимах, особенно на режимах малых нагрузок (от 0,2 до режима холостого хода), наддувочный воздух для поддержания экономичности двигателя следует не охлаждать, а подогревать. Поэтому в судовых установках в зависимости от режима работы забортная вода может направляться с помощью делителя потока сначала в охладитель наддувочного воздуха, а затем в охладители масла и воды или наоборот. Возможно также применение такой схемы включения теплообменников, где забортная вода последовательно проходит охладители масла, наддувочного воздуха и воды.
В тепловозных установках в качестве охлаждающего теплоносителя используют атмосферный воздух, и теплообмен осуществляется в теплообменниках-радиаторах. В связи с тем, что атмосферный воздух как охлаждающий теплоноситель значительно уступает забортной воде, схема системы охлаждения тепловозных двигателей по сравнению с судовыми более сложная. На рис. 257,6 приведена схема установки охладителей на тепловозе. Преимуществом схемы является то, что охлаждающая вода после радиатора поступает в масляный охладитель, а затем уже подогретая-в охладитель наддувочного воздуха. Это положительно влияет на рабочий процесс двигателя на режимах малых нагрузок. Недостатком схемы является возможность переохлаждения масла и наддувочного воздуха зимой. Для устранения этого недостатка используют схему с автономным контуром охлаждения наддувочного воздуха. В этом случае имеется возможность осуществить как подогрев наддувочного воздуха в результате перепуска горячей воды из основного контура охлаждения двигателя, так и полностью отключить охладитель наддувочного воздуха на частичных режимах и в холодное время года.
При использовании компактных и высокоэффективных теплообменных поверхностей возможно применение такой схемы компоновки охладителей, в которой отсутствует промежуточный контур охлаждающей воды. Использование этой схемы позволяет получить более высокие степени охлаждения наддувочного воздуха и в 2 раза уменьшить общую массу охлаждающих устройств по сравнению со схемами, где вода является промежуточным теплоносителем.
Применение охладителей наддувочного воздуха для автотракторных двигателей не вносит существенных изменений в основные схемы компоновки системы охлаждения. Однако тип охладителя наддувочного воздуха (водяной или воздушный) и его конструкция в большой степени определяются общей конструктивной схемой основной системы охлаждения.
Водяные радиаторы, используемые для охлаждения наддувочного воздуха и устанавливаемые в системах с автономным жидкостным низкотемпературным контуром (рис. 258, а\ работают так же, как основные радиаторы охлаждения воды. В некоторых случаях их выполняют в одном блоке с основным водяным радиатором двигателя.
Воздушные радиаторы, включенные в воздушный тракт основной системы охлаждения двигателя, обычно устанавливают перед водяным и масляным радиаторами, и они омываются воздухом, температура которого мало отличается от температуры окружающей среды. Наружные и внутренние поверхности охлаждения таких радиаторов выполняют с учетом различия условий теплоотдачи воздушных потоков, находящихся под повышенным (наддувочный воздух) давлением. Существенным недостатком этой схемы являются повышенные гидравлические потери при охлаждении наддувочного воздуха, которые могут быть на порядок (и более) выше, чем в системе, выполненной по схеме на рис. 258, а. От указанного недостатка свободны системы, схема которых показана на рис. 258, в, и используемые на некоторых дизелях семейства Я М3. К материалам используемым в охладителях двигателей внутреннего сгорания, предъявляют следующие требования: достаточная прочность и пластичность, высокая теплопроводность, стойкость против коррозии, технологичность и низкая стоимость. С точки зрения удовлетворения этих требований наиболее пригодными материалами для изготовления во до-водяных и водо-воздушных теплообменников являются медь, алюминий и сплавы на их основе. Стальные водяные радиаторы имеют по сравнению с медными большую массу, низкую теплопроводность и недостаточную коррозионную стойкость. Использование защитных цинковых покрытий не обеспечивает надежной противокоррозионной защиты радиаторов. Поэтому сталь, как правило, используют почти исключительно для изготовления масляных радиаторов.
Для изготовления теплообменников применяют медь марок М1, М2 и М3, содержащих медь (согласно ГОСТ 859-78*) в пределах 99,9-99,5%. На основе меди получают различные сплавы, которые обладают высокими механическими и технологическими свойствами, например, сплав меди с цинком.
Наиболее легким и перспективным материалом является алюминий высокой степени чистоты (типа А ДО или АД1); сплав алюминия с марганцем (типа АМц); сплав алюминия с магнием (типа АМг). Однако у алюминия и сплавов на его основе недостаточная стойкость к эрозии и коррозии по сравнению с медью и ее сплавами. Поэтому монометаллическим алюминиевым материалам предпочитают биметаллические, у которых поверхность, соприкасающуюся с агрессивной средой (например, морской водой), изготовляют из материала, стойкого к эрозии и коррозии, а наружную сторону-из алюминиевого сплава. Для морской воды и ряда других агрессивных сред при изготовлении теплообменников используют мельхиор МНЖМц 30-1-1, а также титан марки ВТ1-00.
В настоящее время при изготовлении теплообменников комбинированных двигателей внутреннего сгорания все шире применяют пластмассы, различные композиционные материалы, резины, синтетические клеи и т.д.