Przenikanie strumienia ciepła od ładunku w silniku spalinowym do cieczy chłodzącej w dużym zakresie powoduje różnica temperatur między ścianką cylindra i cieczą chłodzącą. Wymianę ciepła między ścianką cylindra a czynnikiem można wyrazić za pomocą wzoru Newtona, wykorzystując współczynnik wymiany ciepła wyznaczony empirycznie na podstawie różnych formuł, np. według Woschniego, Eichelberga lub Hohenberga. W tym celu należy określić także inne parametry, między innymi: temperaturę czynnika, objętość przestrzeni nad tłokiem, średnicę cylindra, średnią prędkość tłoka. Ciśnienie czynnika oraz współczynnik zależą od fazy wymiany ładunku. Współczynnik  równy jest 6,18 dla fazy sprężania, a 2,28 dla fazy rozprężania. Powierzchnię wymiany ciepła wyraża się jako powierzchnię przestrzeni roboczej cylindra ograniczoną tuleją cylindra, denkiem tłoka i głowicą w odpowiednim ujęciu stereometrycznym, a nie jako formę prostych lub prostych łamanych. Do tego celu można wykorzystać także modele osiowosymetryczne, ale nie dla asymetrycznych kształtów denka tłoka i przestrzeni głowicy, w tym kształtu przestrzennego zaworów. Aby obliczyć powierzchnię wymiany ciepła, należy wyznaczyć powierzchnie tulei cylindra, denka tłoka, komory spalania głowicy, kąt obrotu wału korbowego, średnicę cylindra, długość korbowodu, promień wykorbienia oraz współczynnik opisujący powierzchnię komory spalania jako wielokrotności powierzchni koła o średnicy równej średnicy cylindra – dla symetrii. Na tej podstawie można określić wstępne wytyczne co do temperatury czynnika i obiegu cieczy chłodzącej w układzie chłodzenia silnika. Dalsze rozważania wymagają stosowania zaawansowanych modeli 3D przepływu czynników i wymiany ciepła między różnymi materiałami i cieczami eksploatacyjnymi, w tym oleju silnikowego.

Najbardziej obciążone

Ilustracja 1. Elektryczna pompa cieczy chłodzącej.

Podczas analizy obciążeń pochodzących z procesu spalania, na etapie projektowania zestawienia T-P-C według obowiązujących trendów zwiększania sprawności mechanicznej, należy także uwzględnić czynniki warunkujące transport ciepła przez elementy konstrukcyjne tej grupy do cieczy chłodzącej. Jest to związane z uwzględnieniem dużej rozbieżności temperaturowej poszczególnych obszarów roboczych i pośrednich silnika. Najbardziej obciążonymi cieplnie podzespołami silnika są, m.in.: tłok, sworzeń tłokowy, pierścienie tłokowe – przede wszystkim górny pierścień uszczelniający oraz tuleje cylindrów. Szczególnie istotnym parametrem niezbędnym do oceny szybkości rozprzestrzeniania się ciepła i przestrzeni laminarnych jego transmisji z tych obszarów jest przyjęcie odpowiednich danych, między innymi: wymiarów geometrycznych zestawienia T-P-C, rodzaju zastosowanych materiałów na poszczególne elementy mechanizmu głównego silnika, występowania, przylegalności i rodzaju powłok przeciwzużyciowych, jakości i lepkości dynamicznej zastosowanego oleju smarującego, gęstości i temperatury wrzenia cieczy chłodzącej, wydajności układu chłodzenia oraz konstrukcji kanałów przepływowych cieczy i oleju przez kadłub i głowicę silnika. W tym przypadku dużą rolę odgrywają elektronicznie sterowane systemy transmisji i regulacji temperatury.

Film olejowy

W odniesieniu do rozkładu filmu olejowego między powierzchniami ślizgowymi pierścieni tłokowych a gładzią cylindra oraz przepływu mieszaniny gazów przez płaszczyzny przepływowe tego złożenia nawet najdrobniejsza zmiana geometrii tych podzespołów na poziomie mikrometrów wpływa na grubość i pokrycie filmu olejowego oraz straty tarcia wywołane oporem ruchu pierścieni tłokowych. Przewidywanie zmian struktur materiałów i kształtu powierzchni ślizgowych, położenia pierścieni w rowkach tłoka w funkcji OWK oraz obliczenie do 0,1°C/µm2 rozkładu temperatury cieczy eksploatacyjnych i wszystkich powierzchni roboczych jest bardzo trudnym zadaniem. Na takie parametry wpływa głównie przebieg procesu spalania w silniku, który jest zmienny w zależności od obciążenia, prędkości obrotowej silnika i wielu pośrednich parametrów wykonawczych układu zasilania, w tym stopnia zużycia niektórych podzespołów. Dużego znaczenia nabiera tu także sposób eksploatacji silnika przez użytkownika, w szczególności przestrzeganie wytycznych jego eksploatacji i okresów obsługowych, które są indywidualne dla każdego silnika. Jednak są to warunki konieczne do precyzyjnego ustalenia interakcji pomiędzy obciążeniem cieplnym a przewodnością cieplną materiałów i oddawaniem ciepła przez ograniczoną powierzchnię podzespołów do czynnika chłodzącego, a następnie generowanych strat tarcia przez mechanizm główny silnika.

Nawet 2500°C

Temperatura tłoka w dużym stopniu zależy od wartości maksymalnej temperatury czynnika roboczego i okresów jej występowania w komorze roboczej silnika oraz rozkładu pokrycia filmem olejowym powierzchni bocznej tłoka. Temperatura pierścieni tłokowych natomiast może osiągnąć największe wartości w okresie docierania ich powierzchni roboczych oraz przy utracie szczelności przy przedmuchach mieszaniny gazów do skrzyni korbowej przez przestrzeń nośną oleju w obrębie powierzchni ślizgowych. W tym przypadku dużą rolę odgrywa tu sposób podawania paliwa, jego właściwości, przebieg procesu spalania, ilość i wielkość dawek paliwa oraz inne warunki związane z formą doprowadzania powietrza i paliwa do komory spalania. Podczas pracy silnika denko tłoka styka się bezpośrednio z ładunkiem doprowadzanym do komory spalania przez układ dolotowy oraz – w niektórych przypadkach – również przez wspomagający go układ doładowania silnika i recyrkulacji spalin. W procesie spalania temperatura czynnika roboczego może lokalnie wzrosnąć nawet do ponad 2500°C w zależności od konstrukcji układu zasilania silnika i konstrukcji geometrycznej komory spalania. Efektem oddziaływania temperatury czynnika roboczego jest wymiana przez przejmowanie. Warunki wymiany ciepła między czynnikiem roboczym a denkiem tłoka i pakietem pierścieni tłokowych, a w konsekwencji z pozostałymi podzespołami wykonawczymi mechanizmów głównych silnika, ulegają zmianie podczas całego cyklu pracy silnika.

W suwie dolotu prędkość przepływu czynnika roboczego względem płaszczyzny denka tłoka, a w efekcie wyzwalana temperatura i ciśnienie, są nieznaczne w porównaniu z początkowym okresem suwu rozprężania. Z tego względu w okresie trwania tego suwu wymiana ciepła pomiędzy podzespołami mechanizmu głównego a czynnikiem chłodzącym jest nieznaczna. W suwie sprężania prędkość czynnika roboczego ulega zmniejszeniu, ale wzrastają temperatura i ciśnienie, co skutkuje zwiększeniem intensywności wymiany ciepła przez konwekcję. W okresie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, czyli w końcu suwu sprężania i początku suwu rozprężania, wymiana ciepła jest największa i następuje przez konwekcję i promieniowanie przy zmiennym składzie chemicznym czynnika roboczego oraz dużej temperaturze i wysokim ciśnieniu roboczym. Przedział kąta OWK przypadający na proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej i jego moment inicjacji zależą od przebiegu sterowania i metody wywiązywania się zapłonu mieszanki.

Na tej podstawie można stwierdzić, że intensywność wymiany ciepła przez przewodzenie i konwekcję w mechanizmie głównym silnika zmienia się okresowo i ma charakter stochastyczny. Oznacza to, że okresowy udział przestrzenny i wartości temperatur lokalnie występujących na powierzchniach mechanizmów głównych silnika w zależności od kąta OWK są bardzo zróżnicowane i zależą w dużym stopniu od intensywności przepływu gazu przez zamki pierścieni tłokowych oraz przestrzenie występujące pomiędzy powierzchnią boczną i wewnętrzną pierścieni tłokowych a rowkiem tłoka. Stąd zmiany lokalne temperatury w obszarach roboczych silnika mogą wpływać na pokrycie i grubość filmu olejowego pomiędzy powierzchniami ślizgowymi pierścieni a gładzią cylindra. Przyjmuje się, że ponad 80% ciepła doprowadzonego do denka tłoka z czynnika roboczego jest przesyłana przez konwekcję i przewodzenie do ścianek cylindra przez powierzchnię roboczą pierścieni tłokowych i powierzchnię boczną tłoka. Powoduje to zmniejszenie średniej temperatury tłoka w najbardziej obciążonym okresie jego pracy, czyli na początku suwu rozprężania.

Szybkość odbierania ciepła

Intensywność wymiany ciepła przez konwekcję i przewodzenie zależy głównie od odległości osiowej osadzenia pierścieni uszczelniających i pierścienia zgarniającego w rowkach od denka tłoka. Największa ilość ciepła jest odprowadzana przez górny pierścień uszczelniający i to on podlega szczególnym zabiegom konstrukcyjnym z uwagi na zachowanie odpowiednich warunków smarowania przy równoczesnym dążeniu do zmniejszania strat tarcia. Wartość i rozkład temperatury na powierzchni denka tłoka oraz w obszarze osadzenia górnego pierścienia uszczelniającego w silnikach ZI i ZS posiadających system doładowania mają charakter szybkozmienny dla poszczególnych kątów OWK.

Zmniejszenie różnicy temperatur może znacznie wpłynąć na redukcję strumienia ciepła oddawanego przez tłokowy silnik spalinowy do cieczy chłodzącej, co będzie skutkować znaczącym wzrostem sprawności ogólnej silnika. Obecnie producenci tłokowych silników spalinowych dążą do zwiększenia temperatury cieczy chłodzącej do wartości ponad 100°C, co prowadzi do znaczącego zmniejszenia lepkości dynamicznej oleju, a w konsekwencji do zmniejszenia strat tarcia mechanizmu głównego silnika. Takie modyfikacje parametrów pracy układu chłodzenia ściśle związane są z koniecznością zastosowania specjalnych zabiegów konstrukcyjnych umożliwiających tarcie płynne między pierścieniami tłokowymi a gładzią cylindra w całym cyklu pracy silnika dla różnych parametrów użytkowych, w szczególności zróżnicowanego obciążenia i prędkości obrotowej silnika.

Aby zmniejszyć różnicę temperatur między ściankami cylindra a cieczą chłodzącą, należy podnieść znacznie temperaturę cieczy do największej możliwej do zrealizowania wartości definiowanej wytrzymałością i przewodnością cieplną materiału bazowego i warstw wierzchnich powłok izolacyjno-ochronnych ścianek cylindra, tłoka, sworznia tłokowego i pierścieni tłokowych. Takie modyfikacje są bezpośrednio związane ze zmniejszeniem intensywności odprowadzania ciepła z podzespołów mechanizmu głównego silnika i z koniecznością wprowadzenia specjalnych systemów zarządzania przepływem cieczy w układzie chłodzenia silnika. Jednym ze sposobów zmniejszania strat ciepła jest wprowadzenie specjalnych powłok ceramicznych oraz stosowanie dodatkowych kanałów chłodzących w kadłubie, głowicy i tłoku, zabezpieczających części silnika przed wysoką temperaturą. Umożliwia to znaczne zmniejszenie ilości ciepła odprowadzanego przez układ chłodzenia silnika. Głównym wykonawcą tych zabiegów są dwuobwodowe systemy sterowania przepływem cieczy, wielotermostatowe układy oraz elektroniczny system zarządzania intensywnością przepływu cieczy i temperatury silnika.

Termostat

Ilustracja 2. Pompa cieczy chłodzącej dwuobwodowego układu chłodzenia silnika z podwójnym termostatem.

Aby wyjaśnić to zjawisko, należy przytoczyć pewne reguły. W pośrednim układzie chłodzenia termostat reguluje przepływ cieczy chłodzącej w taki sposób, aby utrzymywać na stałym poziomie zadaną temperaturę silnika niezależnie od warunków jego użytkowania.

Termostaty są montowane w dwóch podstawowych konfiguracjach – na wyjściu z silnika lub na wejściu do silnika. W termostacie zamontowanym na wyjściu z silnika strumień cieczy chłodzącej wypływa z głowicy i dzieli się na dwa strumienie prowadzące do obudowy termostatu oraz do nagrzewnicy. Natomiast przez termostat zamontowany na wejściu do silnika przepływa strumień cieczy chłodzącej dopływającej do silnika. W większości silników termostat utrzymuje temperaturę w zakresie od 90 do 115°C. Większe wartości regulacyjne temperatury cieczy chłodzącej wymagają stosowania dodatkowych zabiegów konstrukcyjnych, w tym składów chemicznych cieczy chłodzących w celu zmniejszenia ryzyka doprowadzenia cieczy do wrzenia i powstania korków parowych. W klasycznym termostacie z elementem rozszerzalnym z wkładką z elastomeru stan skupienia parafiny decyduje o zakresie otwarcia trzpienia roboczego. W niektórych silnikach, zawierających termostat o elemencie rozszerzalnym z elastomeru, w korpus zespołu termostatu jest wmontowany termistorowy czujnik temperatury cieczy chłodzącej.

Termostaty sterowane elektronicznie, oprócz takich samych elementów wykonawczych jak klasyczny termostat o elemencie rozszerzalnym z wkładką z elastomeru, są wyposażone w elektrycznie sterowaną grzałkę elementu rozszerzalnego. Na podstawie sygnałów o chwilowych warunkach pracy silnika sterownik silnika reguluje wartością prądu grzałki, która pozwala na chwilową zmianę położenia trzpienia roboczego termostatu i zmianę intensywności przepływu cieczy. Uszkodzenie termostatu sterowanego elektronicznie objawia się brakiem regulacji położenia trzpienia w zależności od obciążenia silnika albo niedomknięciem lub nieotwieraniem się trzpienia we wszystkich warunkach pracy silnika. Taka niesprawność wyklucza efektywną regulację przepływu cieczy, co może doprowadzić nawet do uszkodzenia silnika w przypadku układów wieloobwodowych, np. przegrzania powierzchni roboczych głowicy.

Ciąg dalszy w kolejnym wydaniu.