Вся электронная библиотека >>>

 Топливо, смазки и охлаждающие жидкости >>>

     

 

 

Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости


Раздел: Техника

   

ГЛАВА 8 ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ

§ 23. НАЗНАЧЕНИЕ, ВИДЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

  

Технические требования

 

Назначение охлаждающих жидкостей — воспринимать и отводить тепловой поток от тех зон и деталей двигателя, перегрев которых вызывает нарушение нормальной работы или разрушение. Основной тепловой поток образуется теплотой, которая, согласно второму закону термодинамики, не может быть преобразована в механическую работу. Это та самая теплота, которая должна быть передана холодному источнику. Количество ее зависит от разности температур горячего и холодного источника при заданной массе и теплоемкости рабочего тела. Если бы удалось осуществить адиабатный (без обмена тепла) рабочий цикл, то такой двигатель мог бы работать без системы охлаждения: количество теплоты, которое должно быть отдано холодному источнику, удалялось бы из двигателя с отработавшими газами.

В настоящее время делаются попытки создать такой двигатель, рабочий цикл которого максимально приблизился бы к адиабатическому циклу.

К сожалению, в реальном двигателе часть теплоты, которая должна была бы при адиабатическом цикле превратиться в полезную работу, в процессе расширения рабочего тела отводится через стенки цилиндров, днища поршней, когда газ полностью не расширился, определенная часть теплоты отрабогавших газов уходит в систему охлаждения после их выхода из цилиндра. Отвод теплоты происходит через стенки выпускных канатов, находящихся в головке цилиндра и тоже омываемых охлахдаюшей жидкостью.

Наиболее точно определить количество теплоты Q2, отводимое системой охлаждения, можно только экспериментальным путем, при оценке теплового баланса двигателя. Структура теплового баланса современных двигателей внутреннего сгорания показывает, что система охлаждения должна воспринять и рассеять в пространстве примерно 1/3 тепловой энергии сгоревшего топлива. Это очень большой поток теплоты, соизмеримый с потоком, уносимым отработавшими газами, и с теплотой, превращенной в полезную работу.

Моторные масла и топливо тоже можно отнести к категории охлаждающих жидкостей, поскольку кроме прямых своих функций они способствуют охлаждению узлов и механизмов двигателя, а в ряде случаев их используют только для охлаждения поршней и других деталей.

Эффективное действие систем жидкостного охлаждения во многом определяется физическими и химическими свойствами охлаждающей жидкости. Процесс отвода теплоты от двигателя и передача его в окружающую среду зависят от теплоемкости и теплопроводности жидкости: чем выше показатели, тем лучше охлаждается двигатель. С увеличением теплоемкости увеличивается количество теплоты, которую жидкость способна воспринять при заданном повышении температуры, а с увеличением ее теплопроводности теплота отводится быстрее.

Таким образом, с увеличением теплоемкости можно уменьшить количество жидкости, циркулирующей в системе, а с увеличением теплопроводности — уменьшить скорость ее циркуляции и получить более равномерную ее температуру.

В жидкостных системах охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания применяют два типа охлаждающих жидкостей — воду и низкозамерзающие жидкости (антифризы). Являясь промежуточным звеном в цепи передачи теплоты, охлаждающая жидкость должна удовлетворять ряду определенных требований, несоблюдение которых может вызвать серьезные нарушения в работе системы и всего двигателя в целом. Для этого они должны обладать возможно большей теплоемкостью и теплопроводностью; оптимальной вязкостью (1 мм2/с); температурой замерзания не выше —60 °С; температурой кипения не ниже 120 °С; высокой физической стабильностью.

В то же время охлаждающие жидкости не должны разрушать металлы, из которых изготовлены блок и головка цилиндров, радиатор, отопитель, предпусковой подогреватель, резиновые шланги, и другие материалы, с которыми она соприкасается; не должны образовывать накипь и другие отложения на внутренних поверхностях системы; должны быть нетоксичными и пожаробезопасными. Стоимость их изготовления и сырья должна быть минимальной.

Охлаждающая жидкость должна обладать оптимальной вязкостью. Это требование вызвано тем, что при слишком высокой вязкости жидкости ее циркуляция в системе, как принудительная, так и термосифонная, затруднена, и затраты мощности на привод насоса велики. Вместе с тем при очень малой вязкости устранить подтекание и потери жидкости через уплотнения насоса на стыках патрубков и шлангов значительно труднее. Многолетний опыт показал, что кинематическая вязкость жидкости должна быть близка к вязкости воды, т. е. 0,9—1,1 мм2/с при 20 °С.

Очень неудобно, особенно зимой, если охлаждающая жидкость имеет высокую температуру замерзания, как, например, вода. В этих случаях при длительных перерывах в работе двигателя воду приходится сливать или содержать автомобили в теплых гаражах. Поэтому желательно, чтобы температура замерзания охлаждающей жидкости была возможно ниже (например, не более —60 °С). Вместе с тем для двигателей, работающих летом или в районах с жарким климатом, а также для судовых двигателей это требование необязательно.

Температура кипения охлаждающей жидкости должна быть во всех случаях достаточно высокой (100—120 °С), т.е. на 30—40° выше допустимой рабочей. Совершенно недопустима нестабильность охлаждающей жидкости. Особенно надо следить за качеством воды, за содержанием в ней солей, вызывающих накипь. Образование накипи приводит к снижению теплопередачи и, как следствие, к перегреву двигателя. Поэтому вода, предназначенная для применения ее в качестве охлаждающей жидкости, должна иметь минимальную жесткость. Лучше всего применять дистиллированную, дождевую или снеговую воду.

В последнее время все чаще отказываются от применения воды для охлаждения автомобильных двигателей, применяя специальные жидкости, замерзающие при низкой температуре, — антифризы. Раньше их применяли только зимой, а теперь с разработкой герметичных систем охлаждения антифризы применяют в любое время года как несменяемые жидкости, заливаемые на заводе-изготовителе в систему охлаждения автомобиля на весь срок его эксплуатации (до капитального ремонта). Важное значение имеет стоимость сырья и изготовления жидкости, ее доступность к простота транспортировки и хранения. Особенно перспективны эта жидкости для применения в системах охлаждения, предусматривающих заполнение их на длительный или на весь срок эксплуатации автомобиля.

Самой простой и в то же время доступной охлаждающей жидкостью, достаточно полно удовлетворяющей основным требованиям, является вода. Ее применяли в самых ранних конструкциях двигателей, широко применяют для двигателей с жидкостным охлаждением и для крупных двигателей, таких, как тепловозные и судовые; вода является пока наиболее целесообразной охлаждающей жидкостью.

 

Топливо

 

Являясь источником тепловой энергии в процессе сгорания, топливо до сгорания, благодаря теплоемкости и скрытой теплоте испарения в определенных условиях, может играть существенную роль в понижении тепловой напряженности двигателя. Эта особенность жидких топлив была замечена еще на самых ранних этапах развития двигателестроения и в ряде случаев широко использовалась для охлаждения теплонапряженных де!алей и двигателя в целом. Особенно широко этой способностью топлив пользовались для понижения теплового режима высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов.

В автомобильных двигателях с системой непосредственного впрыскивания топлива в цилиндры факел топлива форсункой направляют всегда в сторону головки выпускного клапана. Этим обеспечивается быстрое и полное испарение топлива и одновременно охлаждение клапана.

В карбюраторных двигателях малой и средней степени форсирования (18—40 кВт/л) охлаждающую способность топлива обычно не используют; наоборот, для интенсивного и полного его испарения впускной трубопровод имеет систему подогрева (жидкостную или газовую), которая компенсирует понижение температуры во впускной трубе двигателя подводом теплоты.

В высокофорсированных двигателях (со степенью форсирования более 45—50 кВт/л) скрытую теплоту испарения топлива часто использовали для снижения их тепловой напряженности.

Особенно эффективно действуют как охлаждающие жидкости такие топлива, как этиловый и метиловый спирты, обладающие высокой скрытой теплотой парообразования. Это свойств спиртов широко используют для снижения тепловой напряженности спортивных, автомобильных и мотоциклетных двигателей.

Снижение температуры повышает не только надежность работы двигателей, но и мощность их, так как благодаря понижению температуры горючей смеси увеличивается ее плотность на 20—25 %.

Для топлив, используемых как охлаждающие жидкости, важны такие физические свойства, как теплота испарения, теплопроводность и теплоемкость ( 32).

 

Масло

 

Моторное масло в двигателе можно использовать как смазывающий и охлаждающий материал. Причем маслом охлаждают наиболее теплонапряженные детали двигателя и, в первую очередь, поршни, система масляного охлаждения которых может быть выполнена различно.

Наиболее простой способ — подача масла под давлением на внутреннюю поверхность днища поршня. Этот способ особенно удобен для двигателей средних размеров с диаметром цилиндров 100—150 мм, так как здесь не требуется специальной усложненной конструкции поршней. Форсунки, подающие масло, могут быть установлены неподвижно на картере двигателя или на верхней головке шатуна. Установка на верхней головке шатуна требует специального канала вдоль всего шатуна или трубки, подводящей масла от нижней головки, смазываемой под давлением, к верхней, причем улучшается ее смазка.

Второй способ масляного охлаждения поршня называют «взбалтыванием».

Для этого в верхней внутренней полости поршня выполнена специальная чашеобразная полость, в которую через форсунку, установленную в верхней головке шатуна, подается масло. Благодаря силам инерции это масло взбалтывается и интенсивно омывает верхнюю внутреннюю поверхность поршня, охлаждая ее.

Наиболее сложны и самые эффективные — циркуляционные и смешанные системы, их применяют обычно в тепловозных и судовых двигателях большой мощности с диаметром шлиндров более 200— 250 мм.

ДЛЯ предварительных расчетов систем масляного охлаждения, кроме вязкости масел, которая оказывает решающее влияние на гидродинамические течения, необходимо знагь их теплоемкость и теплопроводность. Теплоемкость масла примерно в 2 раза меньше теплоемкости воды и зависит от его плотности и температуры. Зависимость теплоемкости от температуры следует учитывать обязательно, так как в режиме охлаждающей жидкости масло может нагреваться до высоких температур (100—150 °С).

 

Вода

 

Наиболее распространенной охлаждающей жидкостью для двигателей внутреннего сгорания является вода. Она удовлетворяет необходимым требованиям, но не всем и не в полной мере. Вместе с тем исключительная доступность воды, ее прахтически повсеместные запасы (водопровод, реки, озера, дожди, снега) делают воду очень удобной для применения. Но есть три существенных недостатка у воды как у охлаждающей жидкости.

1. Вода замерзает при 0°С, что очень осложняет ее применение зимой. К тому же при замерзании вода увеличивает свой объем на 10 %. Поэтому при образовании льда (замерзании) в системе охлаждения возникают давления до 200—300 МПа, что приводит к серьезным повреждениям двигателя и радиатора, после чего требуется сложный и трудоемкий ремонт (сварка, пайка или полная замена блока, головки цилиндров и радиаторг). Поэтому приходится внимательно следить за тем, чтобы не «разморозить» двигатель; сливать воду или, периодически пуская двигатель, прогревать систему. Одно время на некоторых автомобилях устанавливали специальные автоматические пусковые устройства, с помощью которых при охлаждении воды пускали двигатель и останавливали его после прогрева воды до 80—85 °С. Недостаточная надежность автоматов привела к тому, что эти устройства не стали применять.

2.         Вода имеет низкую температуру кипения, что приводит иногда к ее закипанию в радиаторе.

Для предотвращения больших коррозионных износов и поддержания оптимальной вязкости масляной пленки на деталях цилин- дропоршневой группы температуру охлаждающей жидкости необходимо поддерживать в диапазоне 85—95 °С. Эта температура близка к температуре кипения воды, и даже небольшие отклонения от нормальных условий эксплуатации вызывают ее закипание. Кроме того, поддержание температуры на таком уровне ведет к интенсивному испарению воды, что связано с необходимостью часто доливать воду в радиатор. Это тоже неудобно при эксплуатации.

С уменьшением барометрического давления, например, в горных условиях, температура кипения воды понижается, вероятность ее закипания увеличивается, особенно при преодолении крутых подъемов, когда двигатель работает на больших нагрузках и отдача теп- лоты в воду возрастает.

Для увеличения температуры кипения и уменьшения потерь воды при испарении современные системы охлаждения выполняют герметичными. Давление в них повышается до 0,135—0,2 МГ1а, а температура кипения соответственно до 110—120 °С Это уменьшает потери воды от испарения, но приводит к понижению мощности двигателя из-за уменьшения массового наполнения цилиндров. Кроме того, увеличивается склонность топлива к детонации.

3.         Вода содержит минеральные соли, образующие на внутренней поверхности водяной рубашки и радиатора накипь, которая, обладая плохой теплопроводностью, ухудшает теплопередачу и снижает эффектвиность охлаждения.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости

 

Смотрите также:

 

Смазочно-охлаждающие жидкости СОЖ. Применение...

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) применяют главным образом для отвода тепла от режущего инструмента.

 

смазочно-охлаждающие жидкости, в состав...

При обработке деталей на токарном или сверлильном станках применяют смазочно-охлаждающие жидкости, в состав которых входят различные масла...

 

Смазочно-охлаждающие жидкости СОЖ. Масляные...

На машиностроительных и металлургических предприятиях при обработке и прокатке металла применяются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ)...

 

охлаждающие жидкости, жидкости для тормозов...

К специальным жидкостям, применяемым при эксплуатации машин, относятся: охлаждающие жидкости, жидкости для тормозов, жидкости Гидравлические...

 

...с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.

Система охлаждения двигателя — жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.