Vzduchové chlazení spalovacích motorů

Vzduchové chlazení je způsob chlazení spalovacích motorů. Oproti kapalinovému chlazení má menší tepelnou setrvačnost, což je výhodné v extrémních teplotních podmínkách. Účelem chlazení je udržet provozní teplotu motoru (85–95 °C) a odvést přebytečné teplo, které není využito k mechanické práci ani není odvedeno výfukem. Jedná se o chlazení přímé (odvod tepla do okolí není zprostředkován jiným médiem).

Účel

Účelem je udržet provozní teplotu motoru. Pokud je teplota motoru vyšší (nedostatečné chlazení, přehřívá se), může docházet k vznícení směsi či paliva dříve, než je ideální. Způsobuje to rázy, nadměrné zatěžování klikového ústrojí, motor je hlučnější, klepe, dochází k přetěžování až degradaci mazacího oleje a může dojít (v lepším případě) k zastavení chodu motoru vlivem vymezení vůlí různou teplotní roztažností dílů a neschopností oleje pokrýt zvýšené ztráty třením. V horším případě může být motor takto těžce poškozen či může dojít až k požáru. S rostoucí teplotou také klesá teoretická tepelná účinnost motoru (vizte Carnotův cyklus). ^{Fakt? Zdroj?}

Při přechlazení dochází ke kondenzaci paliva na stěnách válců a tím ke zředění oleje, později může dojít i k zadření motoru. U vznětových motorů se zvyšuje kouřivost. U vodou chlazených motorů je teplota motoru udržována v rozmezí 85–95 °C, u vzduchem chlazených motorů může být teplota vyšší (pracovní teplota motoru Tatra 148 se pohybuje kolem 160–180 °C).

Princip

Vzduchové chlazení funguje na principu přestupu tepla z motoru přímo do okolního vzduchu. Chladicí vzduch je v přímém kontaktu s motorem, jedná se o chlazení přímé. Kvůli usnadnění přestupu tepla je motor obvykle opatřen žebrováním, které zvětšuje celkovou plochu chlazených částí. Žebrování bývá vyrobeno z materiálů s dobrou tepelnou vodivostí.

Konstrukce

Pro vzduchové chlazení jsou hlava válce a válec, popř. další díly – např. olejová vana, opatřeny žebrováním. Žebrování zvětší povrch, který je ve styku se vzduchem, a tím usnadní odvod tepla do okolí. Používá se hliník a jeho slitiny, ocel, ve zvláštních případech i jiné materiály. Používají se i dvojkovové konstrukce – např. litinový válec s dobrými kluznými vlastnostmi pro styk s pístem s nalitou hliníkovou žebrovanou vnější částí. Proměnnou výškou žebrování po výšce a obvodu dílů se dosahuje více méně stejné pracovní teploty součásti. U motorů malých výkonů a u motocyklů s nezakrytým motorem nemusí být použito ventilátoru – takové chlazení se nazývá náporové. U větších či stabilních motorů se používá nucený oběh vzduchu – pomocí dmychadla, ventilátoru nebo ejektorové chlazení.

Druhy

Náporové chlazení

U tohoto způsobu chlazení není řešena výměna chladicího vzduchu, počítá se s pohybem motoru, při kterém bude kolem chlazených míst proudit vzduch (například jízda motocyklu nebo let letadla). Nevýhodou je zvýšení aerodynamického odporu. Jedná se však o lehký, jednoduchý, levný a účinný druh chlazení, použitelný zejména u malých motocyklů a leteckých motorů. Problémem je možnost přehřátí motoru, pokud se vozidlo pohybuje pomalu a motor je zatížen (jízda do kopce) či možnost podchlazení, když se vozidlo pohybuje rychle a motor není zatížen. Maximální objemový výkon s náporovým chlazením je 74 kW/l.^[1]

Nucené chlazení

Nucené chlazení je nezávislé na pohybu vozidla. Dělí se podle způsobu, jakým je vzduch veden motorem.

Přetlakové chlazení

Výměna chladicího vzduchu je řešena ventilátorem, umístěným na místě vstupu vzduchu do chladicího systému. Používá se hlavně u motorů velkých výkonů s více válci (nákladní vozy Tatra, Praga V3S poháněná polovinou motoru Tatra 111, ale také malých jednoduchých Trabant 500/600/601), zlepšení rovnoměrnosti chlazení se dociluje chladicím pláštěm, tvořeným soustavou plátů (z kovů či plastů), které rozdělují a směrují chladicí vzduch k jednotlivým válcům, popřípadě nestejnou výškou žebrování po obvodě součástí vzhledem k směru proudění chladicího vzduchu. Nevýhodou je příkon ventilátoru a větší hmotnost oproti náporovému chlazení, díky regulaci však odpadají problémy náporového chlazení.

Podtlakové chlazení

Od přetlakového chlazení se liší pouze umístěním ventilátoru, který se nachází na výstupu vzduchu z chladicího prostoru. Ohřátý vzduch je tak vlastně odčerpáván z chladicího systému. Vzhledem k umístění ventilátoru na straně ohřátého vzduchu musí tento transportovat větší objem nižší hustoty než v předešlém případě. Příkladem může být chlazení motoru vozů Tatra 603.

Ejektorové chlazení

Použit stejný princip jako u podtlakového způsobu chlazení, pouze s tím rozdílem, že na konci chladicího pláště je místo ventilátoru umístěn ejektor, do kterého ústí výfukové potrubí. Proud spalin strhává vzduch z chladicího pláště a odvádí difuzorem do ovzduší. Tento systém je však velice hlučný, proto se používal pouze u závodních vozů aby se eliminoval příkon ventilátoru a plný výkon motoru se mohl využít pro pohon vozu (na stejném principu funguje dyšna parních lokomotiv).

Srovnání s kapalinovým chlazením

Výhody oproti kapalinovému chlazení

Oproti kapalinovému chlazení může být vzduchové chlazení lehčí, má jednodušší konstrukci a menší rozměry (proto se používá například u motorových pil, sekaček na trávu), nehrozí únik chladicí kapaliny. Je nenáročné na údržbu, v zimě nehrozí zamrznutí chladicí soustavy (prasknutí bloku motoru), v horku nabízí vyšší potenciál díky absenci omezujícího média zprostředkovávajícího přestup tepla (u vody limit varu 100 °C, ovlivnitelný mírně pouze přetlakem soustavy). Díky menší tepelné setrvačnosti je účinnější a spolehlivější v extrémních teplotních podmínkách. Motor se také rychleji zahřeje na provozní teplotu. Díky vyššímu teplotnímu spádu je chladicí vzduch využit s vyšší účinností, a vzduchové chlazení tak potřebuje ve srovnání s chlazením kapalinovým pro odvedení stejného množství odpadního tepla o 1/3 méně chladicího vzduchu. (I v případě chlazení kapalinového jde v konečném důsledku o chlazení vzduchové, jen s rozdílem použití pomocného média, zprostředkovávajícího přenos tepla mezi chlazenými díly a vzduchem chlazeným chladičem). Odpadá příkon pro pohon kapalinového čerpadla nepřímého chlazení. U víceválcových motorů se nabízí možnost stavebnicové konstrukce z identických komponent válců a hlav zjednodušující výrobu a servis.

Nevýhody

Díky malé tepelné setrvačnosti dochází k většímu kolísání provozní teploty. Konstrukce také vyžaduje větší vůli mezi pístem a válcem z důvodu teplotní roztažnosti dané možnou vyšší provozní teplotou, což způsobuje, že je motor náchylnější ke klepání, může mít vyšší spotřebu oleje a úroveň emisí. Příkon ventilátoru, který spotřebuje kolem 4–10 % výkonu motoru, snižuje celkovou účinnost i výkon (což je nižší – díky množství chladicího vzduchu – nebo adekvátní příkonu ventilátoru chladiče obvykle užívaného u chlazení kapalinou). Motor je hlučnější, protože mezi spalovacím prostorem a okolím není izolační vrstva vody a díky výše uvedeným větším vůlím. Vzduchové chlazení se dá obtížněji regulovat. Díky vyššímu teplotnímu spádu má vystupující chladicí vzduch vyšší teplotu. Chlazené části s žebry a krytováním jsou o něco rozměrnější než díl + vodní plášť a kryt u chlazení kapalinou. Proudění chladicího média motorem musí být rychlejší a průřez kanálů větší, protože vzduch má (i se započtením většího teplotního spádu) řádově 1000x menší tepelnou kapacitu, než stejný objem vody. Teplejší pracovní prostor motoru vede k nepatrně nižší tepelné účinnosti.

Využití

Vzduchové chlazení se využívá u většiny malých motorů, dále u motorů některých motocyklů a téměř všech vrtulových letadel. U některých proudových a turbovrtulových letadel jsou vzduchem chlazeny i lopatky turbíny zevnitř. U motorů osobních a nákladních vozidel se v současnosti už prakticky nepoužívá, jedinou současnou výjimkou je česká automobilka Tatra (v minulosti pak např. i motory Deutz, Continental, Porsche a další).

Odkazy

Reference

Literatura

• OLDŘICH BUREŠ A KOLEKTIV. Traktory a Automobily. Praha: Státní zemědělské nakladatelství, 1986. Kapitola Chlazení motorů, s. 135–146. 

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu vzduchové chlazení spalovacích motorů na Wikimedia Commons