Двигатель воздушного охлаждения

Двигатель воздушного охлаждения — это тип двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором отвод избыточного тепла от нагретых деталей (головки и блока цилиндров, поршней, клапанов) осуществляется непосредственно потоком воздуха, без использования жидкости (воды, антифриза, масла) в качестве промежуточного теплоносителя. Система воздушного охлаждения является простейшей и исторически одной из первых, но имеет ограничения по эффективности и уровню шума, что определило её нишевое применение.

История

Первые двигатели внутреннего сгорания, в том числе атмосферные газовые двигатели Ленуара и Отто, не имели принудительного охлаждения и полагались на естественную конвекцию воздуха и излучение. Однако уже в конце XIX века, с ростом мощности и степени сжатия, перегрев стал критической проблемой. Немецкий инженер Готлиб Даймлер в 1885 году создал первый высокооборотный бензиновый двигатель (мотоцикл Daimler Reitwagen), который оснащался принудительным воздушным охлаждением от вентилятора, установленного на коленчатом валу. Это стало отправной точкой для развития класса авиационных и мотоциклетных двигателей.

В авиации в 1910–1930-х годах воздушное охлаждение стало доминирующим. Звёздообразные двигатели (например, Pratt & Whitney R-985 Wasp Junior, Wright R-1820 Cyclone) эффективно охлаждались набегающим потоком, что исключало уязвимость радиаторов и водяных насосов от пуль. В СССР широко применялись авиамоторы АШ-62ИР (лицензионная версия Wright Cyclone), устанавливавшиеся на самолёты Ан-2. В автомобилестроении воздушное охлаждение получило распространение в 1930–1960-х годах, особенно на малолитражках и военной технике. Классические примеры — Volkswagen Käfer (1938–2003), Citroën 2CV (1948–1990), Tatra T87 (1936–1950) и Tatra 603 (1956–1975). В СССР выпускались «Запорожец» ЗАЗ-965/966/968 (1960–1994) и грузовик УАЗ-450 (1958–1965) с двигателями воздушного охлаждения.

С 1970-х годов жидкостное охлаждение вытеснило воздушное в легковых автомобилях из-за более жёстких норм по выбросам, шуму и требованиям к стабильности температурного режима. Однако воздушное охлаждение сохранилось в мотоциклах (особенно малого и среднего класса), бензопилах, газонокосилках, авиационных поршневых двигателях и некоторых дизельных генераторах.

Устройство и принцип действия

Система воздушного охлаждения состоит из следующих основных элементов:

• Оребрение цилиндров и головок. На внешней поверхности цилиндров и головок блока отливаются или фрезеруются тонкие металлические рёбра (ламели), увеличивающие площадь контакта с воздухом. Чем больше площадь рёбер, тем интенсивнее теплоотвод. Форма и шаг рёбер оптимизируются для конкретного режима работы.
• Вентилятор (для принудительного охлаждения). В стационарных установках, на автомобилях и мотоциклах без набегающего потока (например, при стоянке) используется центробежный или осевой вентилятор, приводимый ремнём от коленчатого вала. Он создаёт поток воздуха, направляемый на рёбра.
• Дефлекторы и кожухи. Для направления воздуха на наиболее нагретые зоны (выпускные клапаны, свечи зажигания) устанавливаются пластиковые или металлические направляющие (дефлекторы). Кожух (обтекатель) охватывает цилиндры, предотвращая рассеивание потока.
• Масляный радиатор (опционально). В мощных двигателях (например, на Porsche 911 до 1998 года) дополнительно устанавливается масляный радиатор, обдуваемый тем же вентилятором, для охлаждения моторного масла.

Принцип действия: теплопередача от нагретых стенок цилиндра к рёбрам происходит за счёт теплопроводности металла (алюминий, чугун). Затем тепло от рёбер отводится конвекцией в окружающий воздух. Интенсивность охлаждения регулируется скоростью вращения вентилятора (в современных системах — электронно) или изменением угла лопаток.

Классификация

Двигатели воздушного охлаждения классифицируются по способу подачи воздуха:

• С естественным охлаждением (конвекционные). Используются только в маломощных стационарных установках (например, в бензопилах, мотопомпах) или в авиации при полёте. Тепло отводится за счёт естественной конвекции и излучения. Эффективность низкая, но конструкция предельно проста.
• С принудительным охлаждением от вентилятора. Наиболее распространённый тип для автомобилей, мотоциклов, генераторов. Вентилятор, установленный на коленчатом валу (или с ременным приводом), создаёт постоянный поток воздуха, независимо от скорости движения. Обеспечивает стабильную работу в любых режимах.
• С комбинированным охлаждением. В некоторых конструкциях (например, на мотоциклах BMW R-series с 1970-х годов) используется сочетание: набегающий поток воздуха на скорости и принудительное охлаждение от вентилятора при малом ходе или стоянке.

По типу двигателя: двухтактные (бензопилы, мопеды) и четырёхтактные (автомобили, авиамоторы).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота и надёжность. Отсутствие водяного насоса, радиатора, термостата, расширительного бачка, патрубков и антифриза. Меньше потенциальных точек отказа (нет течи охлаждающей жидкости, замерзания, кипения).
• Малый вес. Система воздушного охлаждения значительно легче жидкостной (разница может составлять 20–40 кг для автомобильного двигателя).
• Быстрый прогрев. Двигатель выходит на рабочую температуру за 1–3 минуты, что снижает износ при холодном пуске и уменьшает расход топлива в городском цикле.
• Нечувствительность к низким температурам. Нет риска размораживания блока цилиндров при отрицательных температурах (при условии использования масла соответствующей вязкости).
• Пригодность для работы в пыльных и грязных условиях. Отсутствие радиатора, забиваемого грязью, снижает риск перегрева в условиях бездорожья (например, на тракторах и военной технике).

Недостатки

• Неравномерность охлаждения. Воздушный поток хуже охлаждает задние цилиндры (в рядных двигателях) и выпускные клапаны, что приводит к локальному перегреву, детонации и снижению ресурса.
• Высокий уровень шума. Отсутствие водяной рубашки, которая гасит вибрации и звуки сгорания, делает двигатель воздушного охлаждения значительно более шумным (на 5–15 дБ по сравнению с жидкостным аналогом).
• Ограниченная мощность. Из-за худшего отвода тепла сложнее форсировать двигатель (повышать степень сжатия, обороты). Максимальная литровая мощность двигателей воздушного охлаждения обычно ниже.
• Чувствительность к перегреву. При длительной работе на максимальных оборотах или в жаркую погоду (особенно при стоянке) двигатель может перегреться, что ведёт к задирам поршней, прогоранию прокладки ГБЦ и выходу из строя.
• Зависимость от скорости движения. На малом ходу или при стоянке эффективность естественного охлаждения резко падает, поэтому требуется мощный вентилятор, потребляющий часть мощности двигателя (до 5–10%).
• Сложность регулировки теплового зазора. Из-за неравномерного расширения деталей требуется более точная настройка зазоров клапанов и поршневых колец.

Применение

Авиация

Поршневые авиационные двигатели воздушного охлаждения (звёздообразные и оппозитные) широко применялись до 1950-х годов. Современные лёгкие самолёты (Cessna 172, Piper PA-28) часто оснащаются четырёхцилиндровыми оппозитными двигателями Lycoming и Continental с воздушным охлаждением. В вертолётах (Robinson R22, R44) также используются воздушные двигатели.

Мотоциклы

Большинство мотоциклов малого и среднего класса (до 400–600 см³) оснащаются одно- или двухцилиндровыми двигателями воздушного охлаждения. Классические модели — Harley-Davidson Sportster, Honda CB400, Yamaha SR400. В спортивных мотоциклах с 1990-х годов воздушное охлаждение уступило место жидкостному.

Автомобили

Исторические примеры: Volkswagen Beetle, Citroën 2CV, Fiat 126, «Запорожец» ЗАЗ-968. В современном автомобилестроении воздушное охлаждение практически не применяется. Исключение — некоторые модели Porsche 911 (до 1998 года) и Chevrolet Corvair (1960–1969). В грузовиках и автобусах (Tatra T148, T815) воздушное охлаждение использовалось до 2000-х годов.

Стационарные и малогабаритные двигатели

Бензопилы (Stihl, Husqvarna), газонокосилки, мотоблоки, генераторы, насосы — все они оснащаются двухтактными или четырёхтактными двигателями воздушного охлаждения мощностью до 20–30 л.с.

Военная техника

Дизельные двигатели воздушного охлаждения (например, Deutz BF8L513) устанавливались на некоторые модели танков (Leopard 1, AMX-30) и бронетранспортёров (BTR-80 — двигатель КамАЗ-7403 с жидкостным охлаждением, однако на ранних версиях BTR-60 использовался ГАЗ-49 с воздушным охлаждением). Преимущество — меньшая уязвимость к пулевым попаданиям.

Интересные факты

• Самый мощный серийный двигатель воздушного охлаждения — авиационный звёздообразный Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major (1944 год) мощностью 3500–4300 л.с., имевший 28 цилиндров в четырёх рядах.
• Двигатель Volkswagen Beetle (оппозитный, 4-цилиндровый) производился с 1938 по 2003 год, став самым массовым двигателем воздушного охлаждения в истории (более 21 млн единиц).
• В СССР двигатель воздушного охлаждения МеМЗ-966 (устанавливался на «Запорожец») имел конструкцию с двумя независимыми вентиляторами, каждый из которых обдувал свой ряд цилиндров.
• Современные двигатели воздушного охлаждения для мотоциклов (например, Harley-Davidson Milwaukee-Eight) оснащаются электронным управлением вентилятором и масляным радиатором для улучшения теплового режима.

Критика и ограничения

Основная критика двигателей воздушного охлаждения связана с их неспособностью соответствовать современным экологическим нормам (Евро-5, Евро-6). Из-за неравномерного прогрева и более высокой температуры сгорания возрастает выброс оксидов азота (NOx). Кроме того, повышенный шум и вибрации делают их менее комфортными для пассажиров. В автомобильной промышленности с 1990-х годов воздушное охлаждение полностью вытеснено жидкостным, которое обеспечивает более стабильный тепловой режим, меньший износ и возможность форсирования.

Источники

• «Двигатели внутреннего сгорания. Теория и конструкция» — учебник под редакцией В. Н. Луканина, М.: Высшая школа, 2005.
• «Автомобильные двигатели» — В. М. Архангельский, М.: Машиностроение, 1977.
• «Porsche 911: The Definitive History 1963–1971» — Brian Long, Veloce Publishing, 2007.
• «Volkswagen Beetle: The Car of the 20th Century» — Richard A. Johnson, Motorbooks, 2003.
• «Авиационные двигатели» — А. А. Иноземцев, М.: Воениздат, 1956.
• Технические руководства по двигателям Lycoming O-320 и Continental O-470 (Textron Aviation).
• Стандарты ISO 3046-1:2002 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Характеристики».