Дизельный двигатель воздушного охлаждения

Дизельный двигатель воздушного охлаждения — это тип двигателя внутреннего сгорания, работающий на дизельном топливе, в котором отвод тепла от нагретых деталей (цилиндров, головок блока, поршней) осуществляется потоком воздуха, а не жидкостью (антифризом или водой). Относится к классу двигателей с воздушным охлаждением, которые, в свою очередь, делятся на системы с естественным (за счёт набегающего потока и конвекции) и принудительным (с помощью вентилятора) охлаждением. В дизельных двигателях воздушное охлаждение применяется реже, чем жидкостное, но находит применение в специфических областях, где важны простота конструкции, устойчивость к низким температурам и независимость от системы охлаждающей жидкости.

История

Ранние разработки

Первые дизельные двигатели, созданные Рудольфом Дизелем в конце XIX века, были крупными, стационарными и имели водяное охлаждение. Идея использования воздуха для охлаждения дизеля возникла позже, в начале XX века, в связи с потребностями авиации и военной техники. Одним из пионеров в этой области был немецкий инженер Франц Ланг, который в 1910-х годах разработал первые авиационные дизели с воздушным охлаждением, однако они не получили широкого распространения из-за высокой тепловой напряжённости.

Расцвет в середине XX века

Наибольшее развитие дизельные двигатели воздушного охлаждения получили в 1930–1960-х годах, особенно в Германии и СССР. В Германии компания Deutz AG (ныне часть концерна Deutz) выпускала серийные дизели с воздушным охлаждением для сельскохозяйственной техники, строительных машин и генераторов. В СССР разработкой таких двигателей занимались на Ярославском моторном заводе (ЯМЗ) и Алтайском моторном заводе (АМЗ). Наиболее известным советским дизелем воздушного охлаждения стал двигатель Д-144 (4-цилиндровый, мощностью 50–60 л.с.), устанавливавшийся на тракторы «Т-40», «Т-25» и комбайны.

Современное состояние

В конце XX — начале XXI века дизели с воздушным охлаждением были в значительной степени вытеснены жидкостными аналогами из-за более жёстких экологических норм и требований к снижению шума. Однако они продолжают выпускаться для специализированной техники: малогабаритных тракторов, мотоблоков, компрессоров, сварочных аппаратов, а также для военной техники (например, танки и бронетранспортёры, где устойчивость к повреждениям системы охлаждения критична). В России производство таких двигателей сохраняется на Череповецком литейно-механическом заводе (двигатели серии ЧЛМЗ) и ряде других предприятий.

Конструкция и принцип действия

Основные элементы

Конструкция дизеля воздушного охлаждения в целом аналогична жидкостному, но имеет ключевые отличия в системе охлаждения:

• Цилиндры и головки блока — изготавливаются с развитым оребрением (рёбрами) для увеличения площади теплоотдачи. Рёбра могут быть литыми или напрессованными.
• Вентилятор — в системах принудительного охлаждения устанавливается на коленчатом валу или имеет отдельный привод (ременный, гидравлический). Обеспечивает подачу воздуха через кожух, направляя поток на оребрённые поверхности.
• Дефлекторы и кожухи — направляют воздушный поток, предотвращая его рассеивание и обеспечивая равномерное охлаждение всех цилиндров.
• Масляный радиатор — часто устанавливается отдельно и охлаждается тем же воздушным потоком, так как масло в дизелях нагревается сильнее, чем в бензиновых двигателях.

Принцип работы

Топливо (дизельное) впрыскивается в цилиндр в конце такта сжатия, где оно самовоспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха. Тепло, выделяющееся при сгорании, передаётся стенкам цилиндра и головке, а затем через рёбра рассеивается в окружающий воздух. Вентилятор создаёт принудительный поток, который уносит тепло. Температура головки блока у дизелей воздушного охлаждения может достигать 250–300 °C, что требует применения жаропрочных материалов (чугуна, легированных сталей).

Классификация

По способу охлаждения

• Естественное (свободное) охлаждение — используется только в маломощных двигателях (до 5–10 л.с.), например, в мотоблоках или генераторах. Поток воздуха создаётся за счёт движения самой техники или естественной конвекции.
• Принудительное охлаждение — применяется в большинстве дизелей воздушного охлаждения мощностью от 10 л.с. и выше. Осуществляется с помощью вентилятора, который может быть:
• Осевым (пропеллерным) — создаёт поток вдоль оси двигателя.
• Центробежным — подаёт воздух через спиральный кожух.

По числу цилиндров

• Одноцилиндровые (например, двигатели для мотоблоков, малых генераторов).
• Двухцилиндровые (мотоблоки, компрессоры).
• Четырёхцилиндровые (тракторы, комбайны, лёгкие грузовики).
• Шестицилиндровые (редко, в основном для военной техники).

По расположению цилиндров

• Рядные (наиболее распространённые).
• V-образные (например, двигатели для танков).
• Оппозитные (встречаются редко, в основном в авиации).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Независимость от охлаждающей жидкости — двигатель не боится замерзания, что делает его идеальным для эксплуатации в условиях Крайнего Севера и при низких температурах (до -50 °C).
• Простота конструкции — отсутствие радиатора, водяного насоса, термостата, патрубков и расширительного бачка снижает массу и стоимость, а также уменьшает количество потенциальных точек отказа.
• Быстрый прогрев — воздушное охлаждение позволяет двигателю быстрее достигать рабочей температуры, что снижает износ при холодных пусках.
• Устойчивость к повреждениям — при пробоях радиатора или утечках жидкости в жидкостных системах двигатель выходит из строя, тогда как воздушное охлаждение сохраняет работоспособность даже при частичном повреждении рёбер.
• Меньшая масса — в среднем на 10–20 % легче жидкостных аналогов той же мощности.

Недостатки

• Высокая тепловая напряжённость — из-за меньшей теплоёмкости воздуха (по сравнению с водой) детали двигателя работают при более высоких температурах, что ускоряет износ поршневых колец, цилиндров и клапанов.
• Повышенный шум — воздушное охлаждение требует более интенсивного потока воздуха, что создаёт аэродинамический шум от вентилятора, а также увеличивает механический шум из-за отсутствия демпфирующего эффекта водяной рубашки.
• Неравномерность охлаждения — цилиндры, расположенные с подветренной стороны, могут перегреваться, что требует сложной системы дефлекторов.
• Сложность регулировки теплового режима — в отличие от жидкостного охлаждения, где термостат поддерживает стабильную температуру, воздушное охлаждение сильно зависит от нагрузки, скорости вращения вентилятора и температуры окружающей среды.
• Ограничения по мощности — для мощных двигателей (свыше 300–400 л.с.) воздушное охлаждение становится неэффективным из-за огромных размеров рёбер и вентилятора.

Применение

Сельскохозяйственная техника

Дизели воздушного охлаждения широко использовались на тракторах малого и среднего класса (например, «Т-40», «Т-25», «Беларусь-320»), комбайнах, косилках и другой самоходной технике. В России и странах СНГ до сих пор эксплуатируется значительное количество таких тракторов.

Строительная и дорожная техника

Устанавливаются на виброплиты, компрессоры, сварочные генераторы, бетоносмесители и другую мобильную технику, где важна автономность и устойчивость к пыли (воздушное охлаждение менее чувствительно к засорению радиатора, чем жидкостное).

Военная техника

Дизели воздушного охлаждения применялись в танках (например, советский Т-34-85 с дизелем В-2-34 имел жидкостное охлаждение, но в некоторых модификациях БТР и бронеавтомобилей использовались воздушные дизели). В настоящее время такие двигатели устанавливаются на лёгкие бронетранспортёры и вездеходы.

Маломощные установки

Одно- и двухцилиндровые дизели воздушного охлаждения используются в мотоблоках, мотопомпах, генераторах (мощностью 2–10 кВт) и небольших насосных станциях.

Известные модели

Интересные факты

• Дизельные двигатели воздушного охлаждения широко применялись в авиации в 1930–1940-х годах, в частности, на немецких бомбардировщиках Junkers Ju 86 (двигатели Junkers Jumo 205) и советских самолётах (например, на опытных образцах). Однако из-за высокого веса и низкой удельной мощности они уступили место бензиновым авиадвигателям.
• В СССР в 1960-х годах был разработан уникальный 12-цилиндровый V-образный дизель воздушного охлаждения Д-12 для танков, но он не пошёл в серию из-за проблем с охлаждением.
• Двигатели Deutz с воздушным охлаждением серии FL912/913 выпускались с 1960-х годов и до сих пор производятся по лицензии в Китае и Индии.
• В условиях пустыни (например, в Сахаре) дизели воздушного охлаждения менее подвержены перегреву, чем жидкостные, так как песок и пыль забивают радиаторы жидкостных систем, а воздушные рёбра проще очищаются.

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. В. Н. Луканина. — М.: Высшая школа, 2005.
• Тракторные дизели воздушного охлаждения / А. М. Гуревич, В. И. Коваленко. — М.: Машиностроение, 1978.
• Deutz AG. Техническая документация на двигатели серии FL912/913.
• Каталог двигателей Череповецкого литейно-механического завода (ЧЛМЗ).
• «Дизели воздушного охлаждения: история и перспективы» // Журнал «Автомобильная промышленность», № 4, 2012.