Chłodzenie powietrzem do lamusa?

Dodano dnia: 01/04/2019

Już wkrótce nastąpi wiosenna pogoda, wyższe temperatury otoczenia i będzie więcej pracy dla naszych maszyn. Przy wyższych temperaturach otoczenia zaczynamy baczniejszą uwagę zwracać na górną temperaturę pracy silnika. Czy jest dobrze chłodzony, czy nie występują kłopoty z utrzymaniem widełek optymalnej pracy? Charakterystyka przebiegu temperatury jest inna dla każdego6 typu silnika i jego systemu chłodzenia. Zasadniczo od dziesięcioleci konkurowały ze sobą dwa rodzaje układów chłodzenia: wodny i powietrzny. Obydwa układy mają zalety i wady. Jednak ostatnimi czasy ten drugi system, mimo kilku zalet wydaje się przegrywać.
Dostając się do cylindra silnika wysokoprężnego, sprężone powietrze osiąga temperaturę rzędu 1000-1200^oC. W tym momencie następuje wtrysk rozpylonego paliwa, a temperatura powstałej mieszanki jest tak wysoka, że zapłon odbywa się samoczynnie. Wytwarza się znaczna ilość energii, która nagrzewa ścianki cylindrów i tłoki. W skutek rozszerzania się materiałów pod wpływem nadmiernego rozgrzewania silnika może nastąpić zatarcie tłoków, porysowanie cylindrów, zatarcie łożysk i inne uszkodzenia. Dodatkowo zmniejsza się współczynnik napełnienia, a więc i moc silnika, pogarsza smarowanie i wzrastają opory tarcia. Dlatego układ chłodzenia musi być tak dobrany, aby zapobiec nadmiernemu rozgrzewaniu części silnika.

Graniczne temperatury poszczególnych części silnika dla układu chłodzenia powietrznego i wodnego.

Z ciepła uzyskanego ze spalenia paliwa, zaledwie 30% zużyte zostaje na pracę mechaniczną. Reszta uchodzi z gazami spalinowymi i jest odprowadzana przez czynnik chłodzący.
Weźmy dla przykładu silnik Zetora 25, który spala w ciągu godziny 5,7 kg oleju napędowego o wartości opałowej 10 000 kcal/kg, dając moc 27 KM. Z przemnożenia 5,7×10000 daje nam 57000 kcal/godz. Tyle ciepła dostarcza silnik Zetora. 30% procent tej wartości to 17 000 kcal/godzinę. Taka ilość zostaje zamieniona na efektywną pracę silnika. Aby zapewnić właściwą temperaturę pracy silnika Zetora 25 w ciągu godziny przepływa przez jego układ chłodzenia 2300 litrów wody, która na wyjściu z jego silnika zazwyczaj ma 86^oC a na wejściu do silnika 80^oC.

Bilans cieplny silnika wysokoprężnego z lat pięćdziesiątych.

Zarówno układ cieczowy jak i powietrzny mają bardzo trudne zadanie utrzymania silnika w optymalnych widełkach temperatury 80-90^oC. Układ cieczowy jest bardziej skomplikowany w porównaniu z powietrznym i wymaga dużej dbałości w codziennej eksploatacji. Różnice widać już w samej konstrukcji silnika. Silnik chłodzony cieczą jest wyposażony w kanały w bloku przez, które przepływa ciecz chłodząca. Ciecz musi być następnie schłodzona w chłodnicy. Dodatkowo, aby nie dopuścić do nadmiernego wzrostu temperatury silniki są wyposażane w wentylator tłoczący zimne powietrze wprost na chłodnicę. Generalnie układ chłodzenia cieczą mimo lokalnych przegrzań dość dobrze spełnia swoją rolę.
W układzie powietrznym cała konstrukcja jest dużo prostsza, lżejsza i tańsza. Można porównać dwa niemal identyczne 4 cylindrowe, wysokoprężne silniki Deutza z lat pięćdziesiątych, o mocy 75KM typu F4L 514 chłodzony powietrzem i F4M 513 z systemem wodnym. Pierwszy silnik waży 420kg drugi zaś 533kg. Widać zatem, iż w przypadku systemu powietrznego zaoszczędzamy około 21% masy silnika. A to jest już dużo.

Porównanie masy niemalże identycznych silników Deutza F4L 514 chłodzonego powietrzem i F4M 513 z systemem wodnym. Różnica wynosi aż 113 kg na korzyść tego pierwszego.

Również zapotrzebowanie mocy pobierane przez układ cieczowy jest nieco wyższe do 2000 obr/min. W latach pięćdziesiątych badania przeprowadzone w Niemczech na ówczesnych 4 cylindrowych silnikach diesla wykazywały, iż układ chłodzenia wodnego przy 1500 obrotach na minutę „zabiera” z silnika aż 2,8 KM; w tym momencie system chłodzenia powietrznego zadowala się 2,2 KM. Nieznacznie mniej, ale wraz ze wzrostem obrotów już przy 2200 pierwszy układ potrzebuje 6,5KM, natomiast zapotrzebowanie drugiego wzrasta i prawie wyrównuje się z tym pierwszym pobierając 6,4KM.

Wykres zapotrzebowania mocy dla poszczególnych elementów układu chłodzenia silnika przy określonych obrotach. Badania wykonano w na początku lat pięćdziesiątych.

Objaśnienie:

PS – konie mechaniczne

n Motor – obroty silnika

Kühlwasserpumpe – pompa wodna

Kühlgebläse – dmuchawa

Ventilator – wentylator wodnego układu chłodzenia

Ventilator + Kühlwasserpumpe – cały układ chłodzenia wodnego

Cylindry silnika chłodzonego powietrzem mają bogate żebrowanie zwiększające znacznie powierzchnię wymiany ciepła. Bardzo często w tych jednostkach stosuje się dodatkowe chłodzenie oleju.

Głowica cylindra silnika Deutz F4L 514 oraz użebrowanie cylindra.

Jest to spowodowane tym, że w znacznie większym stopniu przejmuje on rolę czynnika chłodzącego w stosunku do silników cieczowych. Najprostszym rozwiązaniem są żebrowane miski olejowe. W silnikach większej mocy stosowano dodatkowe chłodnice oleju.

W mniejszych silnikach chłodzonych wiatrakiem, obniżenie temperatury oleju odbywa się głównie po przez odprowadzenie ciepła w żebrowanej misce olejowej.

Jednak dmuchawa nie jest w stanie zapewnić optymalnej pracy silnika. Biorąc pod uwagę codzienną eksploatację, zanieczyszczenia żeberek chłodzących, wlotów powietrza etc, szacuje się, iż temperatura takiego silnika jest częstokroć wyższa o około 15-25% od wymaganej.

Wyskalowanie tarczy termometru odległościowego w silnikach chłodzonych powietrzem dochodzi do 130˚C. To nie pomyłka. Tu czujnik mierzy temperaturę oleju. Latem może ona dochodzić do 120˚C.

Największy problem stanowi ustawienie cylindrów względem dmuchawy. Pierwszy cylinder znajdujący się najbliżej wiatraka jest chłodniejszy od ostatniego. Szczególnie ma to duże znaczenie przy długich rzędowych silnikach. W przypadku nośnika narzędzi RS-09 napędzanego 2 cylindrowym silnikiem widlastym, nie stanowi to problemu. Gdyż obydwa cylindry znajdują się w takiej samej odległości od dmuchawy.

W nośniku narzędzi RS-09/122 obydwa cylindry znajdują się w jednakowej odległości od dmuchawy – są zatem jednakowo chłodzone.

Niektórzy producenci silników o dużej mocy starali się zaradzi temu stosując system oddzielnych dmuchaw dla każdego cylindra. To rozwiązanie dawało to dość dobre rezultaty, natomiast zabierało więcej mocy silnika.

W dużych silnikach chłodzonych powietrzem w celu wyrównania chłodzenia na poszczególnych cylindrach stosowano oddzielne wentylatory dla każdego cylindra. Na zdjęciu Eicher Mammut lat z sześćdziesiątych.

Bardzo ważne zalecenie w przypadku silników chłodzonych powietrzem dotyczyło wyższych obrotów silnika, by wiatrak kręcił się z wyższą prędkością tłocząc do silnika więcej chłodnego powietrza. Wadą dla tego typu zalecenia była praca na niższym biegu i wyższe zużycie paliwa.
Generalnie silnik chłodzony powietrzem jest prostszy w obsłudze. Jedyne zalecenia dotyczą regularnego czyszczenia ożebrowania, kanałów dolotowych i napięcia paska wentylatora. Nie ma potrzeby martwic się wyciekami i zamarzaniem cieczy. Pracując na takich samych obrotach, porównywalne silniki zużywają podobną ilość paliwa.

Napęd dmuchawy silnika Deutz F4L 514.

Co zatem spowodowało, iż współcześnie silnik z powietrznym układem chłodzenia odszedł do lamusa? Przede wszystkim normy hałasu. Współcześnie, aby osiągnąć obowiązująca normę Euro3 jest to bardzo trudne zadanie dla producentów. Dlatego praktycznie w krajach europejskich i USA całkowicie zarzucono stosowanie tego typu silników.

Rafał Mazur