Система охлаждения и смазки двигателя карта: КПД, воздух vs вода, режимы смазки

Пока ты весело летишь по задней прямой на скорости, приближающейся к 100 км/ч (а иногда и выше), меньше всего думаешь о том, что прямо за твоим правым локтем каждую минуту происходит около 10 000 маленьких контролируемых взрывов. Топливо сгорает внутри камеры сгорания — отсюда и другое известное название двигателя: «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС).

КПД двигателя

Термический КПД показывает, какая доля химической энергии топлива превращается в механическую энергию на коленвале — измеряется на стенде (дино). Показатель совсем не впечатляющий: у двухтактного двигателя это обычно около 20%, у четырёхтактного — чуть больше. У двухтактника это низкое значение во многом зависит от фаз газораспределения (port timing) и качества продувки (scavenging).

На практике это значит: около 80% доступной энергии не идёт в дело — то есть не крутит коленвал — а превращается в тепло. Примерно половина этого тепла уходит с выхлопными газами, столько же — на охлаждение двигателя, а небольшая часть теряется на трение, работу вспомогательных агрегатов (например, водяного насоса) и шум. Типичное распределение энергии показано на диаграмме ниже.

Термический КПД не стоит путать с другим показателем — механическим КПД. Ещё во времена паровых машин была выведена формула для расчёта теоретической мощности двигателя — на основе давления пара, длины хода поршня, площади поршня и числа оборотов в минуту (формула PLAN — по первым буквам этих величин на английском). Эту теоретическую мощность называют индикаторной, а мощность, измеренную на стенде — эффективной. Механический КПД — это отношение эффективной мощности к индикаторной, и он варьируется в зависимости от конструкции двигателя, но обычно составляет порядка 80% — то есть намного выше термического КПД.

Зачем нужна система охлаждения

Температура горящих газов внутри камеры сгорания и цилиндра превышает 1500°C — это значительно выше температуры плавления материала, из которого сделаны головка цилиндра и сам цилиндр. Если это тепло не отводить, разрушение материала неизбежно.

Кроме того, топливная смесь, поступающая в двигатель, не только сгорает в камере сгорания, но и попутно смазывает подшипники коленвала, подшипник шатуна, поршневой палец, поршневые кольца, а также оставляет масляную плёнку на стенках цилиндра. Если тепло сгорания не отводится должным образом, эта масляная плёнка быстро окисляется и оставляет нагар на поверхности цилиндра, что в итоге приводит к закусыванию (задиру) поршня.

Судя по диаграмме выше, около 40% всей энергии топлива уходит прямиком в выхлопную трубу — значит, системе охлаждения реально нужно справляться только с оставшимися ~35% тепла. На картинговом двигателе встречаются два типа охлаждения: воздушное и жидкостное (водяное).

Воздушное охлаждение

В этой системе тепло проходит через стенки цилиндра и головку цилиндра к их наружной поверхности, откуда рассеивается в окружающий воздух излучением. Чтобы эффективно рассеивать тепло, на наружной поверхности цилиндра и головки отлиты рёбра охлаждения. Рёбра сильно увеличивают площадь поверхности, контактирующей с воздухом, тем самым усиливая теплоотдачу в атмосферу. На скорости теплоотдача становится ещё эффективнее — за счёт движения воздуха вокруг и между рёбрами. Это критически важно, потому что на холостых оборотах двигатель выделяет мало мощности (сжигает мало топлива), а на гоночных скоростях и полностью открытом дросселе двигатель потребляет топливо в разы активнее, сильно нагреваясь — и тогда требуется быстрый отвод тепла.

У воздушного охлаждения есть ряд преимуществ. Во-первых, такую систему проще проектировать и производить. Она также легче водяного аналога — нет водяных рубашек, радиатора и водяного насоса. Она требует меньше обслуживания и не подвержена риску повреждений от замерзания (трещины в рубашках или радиаторе), протечек шлангов и т.п. При правильном проектировании воздушное охлаждение неплохо переносит и очень высокие температуры окружающей среды — например, в пустыне (хотя нас это касается редко). Такой тип охлаждения используется на двигателях Comer C50, Kid-Rok и Mini-Rok.

Жидкостное (водяное) охлаждение

Существует несколько типов систем жидкостного охлаждения, но на картах применяется система принудительной циркуляции с центробежным водяным насосом. Термосифонная система работает за счёт того, что горячая вода, попадая в верхнюю часть радиатора, остывает, меняет плотность и опускается вниз радиатора — на её место сверху поступает новая горячая вода из двигателя. Главная проблема термосифона — очень низкая скорость циркуляции воды по всей системе, совершенно недостаточная для наших задач. Система принудительной циркуляции работает по тому же принципу, но с добавлением центробежного насоса. Насос приводится в действие механически — от двигателя (Rotax) или от задней оси (Rok OKJ и DVS), что резко ускоряет циркуляцию жидкости: например, водяной насос двигателя Rotax 125 см³ обеспечивает расход около 22 литров в минуту при 11 000 об/мин.

Горячая вода из рубашек охлаждения вокруг цилиндра и головки цилиндра подаётся центробежным насосом в верхнюю часть радиатора, где отдаёт тепло в атмосферу излучением, а затем возвращается обратно в двигатель — цикл повторяется. Водяной насос всегда стоит в «холодной» ветви системы — между низом радиатора и обраткой в двигатель. Радиатор — активная часть теплообмена: он состоит из верхнего бачка, нижнего бачка и набора трубок, которые их соединяют. Трубки с водой расположены вертикально и проходят через множество горизонтальных тонких медных или алюминиевых пластин — рёбер (fins). За счёт большой площади поверхности, которую создают эти рёбра, теплообмен с атмосферой значительно усиливается, а на скорости — ещё больше за счёт встречного потока воздуха.

Такой тип охлаждения используется во всех классах Rotax, а также на двигателях OKJ и DVS серии Rok. Перед радиатором также стоит регулируемая заслонка (Rotax) или шторка (Rok) — её положение можно менять, увеличивая или уменьшая проток воздуха через радиатор, что удобно для быстрого прогрева двигателя до рабочей температуры.

Смазка

Смазка в двигателе выполняет сразу несколько функций. Ни одна поверхность не бывает идеально гладкой — всегда есть неровности, связанные с технологией изготовления, а значит при близком контакте движущихся поверхностей возникает трение. С ростом оборотов двигателя растут и силы инерции вращающихся деталей, а вместе с ними — и потери на трение. Причём этот рост не линейный, а пропорционален квадрату оборотов двигателя.

Величина трения зависит от множества факторов: усилия, прижимающего сопрягаемые поверхности друг к другу, их шероховатости, типа смазки между ними и т.д. Если кажется, что шарик подшипника абсолютно гладкий — это вопрос того, каким инструментом и с каким увеличением его измерять. Грубая аналогия: мячик для гольфа, лежащий в конце сада, «на глаз» с 20 метров выглядит идеально гладким, но всё выглядит совсем иначе, если поднести его прямо к носу. Смазка снижает трение и износ между трущимися поверхностями. Помимо трения и износа, трение поверхностей друг о друга также порождает тепло и отбирает мощность.

Режимы смазки

Различают несколько режимов смазки: граничная (boundary layer), гидродинамическая/полная (full-fluid) и смешанная — что-то среднее между первыми двумя, как показано на диаграмме ниже. При граничной смазке между поверхностями есть тонкая масляная плёнка, но они всё же периодически контактируют напрямую. При гидродинамическом (полном) режиме поверхности полностью разделены слоем масла — это может достигаться за счёт достаточного давления, создаваемого насосом, либо за счёт «масляного клина», который образуется из-за вращения одной детали относительно другой. Кстати, если ты слышал про воздушные подшипники (air bearings) — это пример «полной» смазки, где сжатый воздух под высоким давлением удерживает плотно подогнанные детали друг от друга. Такое часто применяется в очень высокооборотистых узлах — например, в бормашине стоматолога.

Смазка также помогает отводить тепло, выделяемое поршнем, цилиндром и подшипниками, охлаждая эти детали. Кроме того, она работает как уплотнитель: попадая в зазоры между цилиндром, поршнем и поршневыми кольцами, масло в значительной степени препятствует утечке газов высокого давления из камеры сгорания в картер.

Типы масла

На картинговом двигателе нет ни масляного насоса, ни даже масляного фильтра — по сути, система смазки здесь полностью «на расход» (total loss). Практически вся топливовоздушная смесь, содержащая масло и попадающая в картер, поднимается в камеру сгорания через продувочные каналы, сгорает и уходит через выхлоп. Лишь небольшая часть этой распылённой смеси — а масла в ней от 20 до 50 мл на литр топлива — «остаётся» в картере в качестве смазки. Поэтому качество масла имеет очень большое значение.

Смазочные материалы делают из животных жиров, растительного сырья или минеральной основы. Масла на основе животных жиров плохо переносят нагрев, становятся восковыми или клейкими, поэтому в двигателях не используются. Растительные масла — например, касторовое — тоже склонны к клейкости и при сгорании оставляют больше сажистых отложений по сравнению с минеральными аналогами. Минеральные смазочные материалы получают из природной сырой нефти — месторождения в Северном море, США, ОАЭ и т.д.

Отдельно существуют синтетические смазочные материалы — искусственно синтезированные химические соединения. Синтетику производят как из химически модифицированных нефтепродуктов, так и из других видов сырья. В картинге класс Bambino, а также все классы серий Rotax и Rok регламентированы на использование синтетического масла в строго определённых пропорциях.

Обслуживание системы охлаждения

Воздушное охлаждение почти не требует ухода за рёбрами — они редко забиваются. А вот система жидкостного охлаждения обслуживания требует. Самое очевидное — то, что нужно проверять визуально в каждый гоночный день:

• Уровень воды в радиаторе, состояние крышки и уплотнительного кольца
• Перепроверить уровень, когда двигатель прогрет до рабочей температуры, при необходимости долить
• Правильность посадки крышки радиатора
• Затяжку всех хомутов на шлангах системы
• Течи на подводящем и отводящем шлангах радиатора, на самих сотах радиатора, на соединениях водяного насоса и корпусе насоса

Если карт «покатался по бездорожью» — проверь, не погнулись ли рёбра радиатора: если да, их можно выправить длинногубцами. Также проверь соты радиатора на предмет забитой грязи — её убирают сжатым воздухом, но ни в коем случае не мойкой высокого давления. Наконец, при обслуживании двигателя механик также должен проверить состояние приводных шестерён насоса, вала привода и крыльчатки.