Охлаждение форсированого двигателя

Итак, двигатель был форсирован по мощности применением наддува и очевидно, что в этом случае повысился подвод тепла к ряду деталей или частей двигателя, особенно расположенных вблизи камеры сгорания.

При инженерной оценке считается, что для эффективного охлаждения особо нагретых частей двигателя, находящихся вблизи камеры сгорания, необходимо около 140 литров охлаждающей жидкости на каждый киловатт — час вырабатываемой двигателем энергии. К счастью, применяемые на двигателях системы охлаждения с циркуляцией охлаждающей жидкости с помощью водяного насоса и с холодильником (радиатором) охладителя позволяют обеспечить в среднем допустимую температуру деталей двигателя при значительно меньшем расходе охладителя. Принципы работы системы охлаждения широко известны. Однако, следует подчеркнуть те средства или пути, которыми можно воспользоваться для повышения эффективности системы охлаждения. К ним относятся следующие:

• повышение объёма жидкого охладителя;
• повышение скорости протекания жидкости у охлаждаемых элементов, деталей;
• увеличение поверхности радиатора охлаждения жидкости.

Первые два пути реализуются увеличением производительности водяного насоса. При этом требуется как проектирование нового корпуса насоса, так и новой крыльчатки, так как с изменением производительности меняются и треугольники скоростей на входе и выходе лопаток крыльчатки, меняется равномерность подачи жидкости, что нужно предвидеть.

Принципиально, двигатель с наддувом может успешно в течение довольно длительного времени работать с системой охлаждения, которая была использована на двигателе без наддува. Однако при этом после некоторого времени работы начнут появляться повторные срывы, разрывы потока жидкости в зонах, где имеются наиболее высокие уровни температур, местные паровые пробки, а это приведёт к нарушению теплоотвода, перегреву этих зон. Для исключения этого явления необходимо проанализировать конфигурацию каналов полостей охлаждения и изменить их, с целью устранения узких проходов, дросселирующих течение жидкости, резких поворотов, изменений направления течения охладителя. Хороший результат даёт визуальное исследование цветов разных зон стенок внутренних каналов. Зоны, имеющие повышенную белизну, словно керамическое покрытие, являются зонами повышенных температур. Именно их охлаждению должно быть уделено повышенное внимание. А по результатам этих исследований можно составить «карту» температур с выделением зон особо нагретых. Следует проверить, чтобы в зонах, наиболее термически нагруженных, скорость охладителя несколько превышала 3 м/с, благодаря чему при работе двигателя на полных нагрузках будет обеспечено нормальное функционирование охлаждения этой зоны. Нужно стремиться к устранению больших объёмов полостей, где создаются застойные зоны, снижается скорость протока жидкости. В то же время нельзя увеличивать скорость протока чрезмерным сужением проходных сечений, чтобы не вызвать нарушения сплошности потока. Особое внимание надо уделить зонам между клапанами, зонам, размещённым вблизи форсунки, вблизи камеры сгорания (для разделённых камер). Для этого делают специальные сверления в блоке и головке.

Охлаждение головок цилиндров должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечивалось в первую очередь равномерное температурное поле поверхности огневого днища. Большая неравномерность температур в плоскости днища является причиной высоких температурных напряжений в его отдельных элементах. Особенно большие температурные градиенты имеют место в перемычках между клапанами, а также между клапанами и приливом под вихревую камеру. Днища двигателей вихрекамерного типа отличаются большой неравномерностью температур. Даже у двигателя без наддува перепад температур между центральной и периферийной зонами днища может достигать 220 °С. Значителен перепад температур и по толщине днища (до 100 градусов). Для уменьшения неравномерности температурного поля охлаждающая жидкость должна подводиться прежде всего к наиболее нагретым участкам днища: межклапанным перемычкам, выпускным каналам, приливам под форсунку и свечу зажигания и т.д. Высокая температура стенок выпускного канала ухудшает отвод тепла от седла выпускного клапана. Для равномерного отвода теплоты по всей окружности седла, а также снижения температуры межклапанной перемычки между патрубками впускного и выпускного каналов, следует обеспечивать достаточный проход для охлаждающей воды. Для интенсификации охлаждения наиболее нагретых участков применяют специальные устройства (запрессованные трубки, колпачки. Каналы в приливах), служащие для направленного подвода жидкости к охлаждаемому элементу.

На рисунке приведена схема удачно спроектированных каналов охлаждения в головке вихрекамерного двигателя. Охлаждающая жидкость выходит из полости рубашки охлаждения через сверление А и входит в головку по сверлению Б, закрытому снаружи технологической пробкой. Выход жидкости направлен к сверлению В. В зонах узкостей и резких поворотов потока скорости жидкости не должны существенно превышать 3 м/с. В противном случае возрастают гидравлические потери, необходимо повышать мощность привода водяного насоса и т.д.

Рис. Схема каналов охлаждения в головке вихрекамерного двигателя

В то же время необходимо избегать существенного снижения скоростей жидкости, так как это приводит к повышению температуры воды в этой зоне, возможности вскипания жидкости с соответствующим нарушением режима охлаждения.

Сверления А, Б, В в блоке и головке обеспечивают вход и выход воды на охлаждение. При этом эффективно, с адекватной скоростью омываются зоны размещения клапанов (Г, Д), а также зона камеры сгорания (К), в её верхней части.

Для устранения этого недостатка требуется повышать давление в системе охлаждения, а значит, потери на привод насоса и т.д.