Система охлаждения необходима для принудительного отвода теплоты от горячих деталей двигателя и передачи ее в окружающую среду.

Исходная величина для расчета системы охлаждения – количество теплоты, которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду в единицу времени. Это количество теплоты можно определить из теплового баланса двигателя, или из эмпирических зависимостей типа

где q– удельное количество отводимой теплоты, кДж/(кВт–ч). Для карбюраторных двигателей q=2900...4300 кДж/(кВт–ч), для дизелей q =2300... 3600 кДж/(кВт–ч).

Количество отводимой теплоты зависит от ряда конструктивных факторов, таких как степень сжатия , отношение S/D, а также от частоты вращения п и от условий эксплуатации (состава смеси, угла опережения зажигания или угла опережения впрыскивания топлива). Для ориентировочных расчетов четырехтактных двигателей (Дж/с) можно подсчитать по эмпирической формуле:

,

где с=0,41...0,47 – коэффициент пропорциональности; i – число цилиндров; D – диаметр цилиндра, см; п – частота вращения коленчатого вала, об/мин; – коэффициент избытка воздуха; m=0,6...0,7 – показатель степени.

Систему охлаждения обычно рассчитывают для режимов работы двигателя N = N_eN и М_К=М_Кmах. Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определению основных размеров водяного насоса, площади поверхности радиатора и подбору вентилятора. При расчете системы воздушного охлаждения определяют площади поверхностей охлаждения ребер цилиндра и головки цилиндра.

Жидкостное охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости используют пресную воду и всесезонные низкозамерзающие жидкости (антифризы) на основе этиленгликоля и спиртоглицериновых смесей.

Вместимость системы жидкостного охлаждения (л) принимают на основе следующих соотношений: для тракторов – (0,5…0,7) ,для грузовых автомобилей – (0,27…0,8) , для легковых – (0,13…0,35) .

Рассмотрим расчет отдельных агрегатов системы охлаждения: радиатора, насоса охлаждающей жидкости и вентилятора. Расчет сводится к определению площади поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от воды к окружающему воздуху.

Расчет радиатора. Основные параметры радиатора: площадь поверхности охлаждения F_p (м²), омываемой воздухом; фронтальная поверхность радиатора (м²); глубина радиатора l (м), т. е. расстояние между передней и задней стенками его решетки по ходу воздушного потока (l = 0,06...0,15 м); коэффициент компактности радиатора , выражающий отношение охлаждающей поверхности к объему радиатора [ = 600...900 м²/м³]; коэффициент оребрения , определяемый отношением площадей поверхностей, омываемых воздухом и жидкостью ( = 3...6).

Площадь поверхности охлаждения радиатора F_P определяют из выражения:

,

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м^а–К); – средняя температура воды в радиаторе, К; – средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, К.

Коэффициент теплопередачи:

,

где –коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке радиатора, Вт/(м² К); – приведенный коэффициент теплоотдачи от стенок радиатора к воздуху, Вт/(м² К); и – соответственно толщина (м) и коэффициент теплопроводности (Вт/(м К) материала стенки радиатора; – коэффициент оребрения для трубчато–пластинчатых радиаторов ( =3...6).

Коэффициенты теплоотдачи и при вынужденном движении жидкостей или воздуха определяют из критериальных зависимостей вида:

,

где , Re, – соответственно критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.

Экспериментальные значения коэффициента = 2300... ...4100 Вт/(м²–К). Значение для трубчатых радиаторов может быть приближенно определено по формуле:

,

где – скорость воздуха, проходящего через радиатор, м/с.

Так как аналитическое определение коэффициента теплопередачи k сложно, то его значения принимают по опытным данным для дизелей 80…100 и для карбюраторных двигателей 140…180 Вт/(м²К). Необходимая массовая подача (кг/с) жидкости насосом через радиатор :

где – удельная теплоемкость циркулирующей жидкости [для воды – 4,178 Дж/(кг–К), для этиленгликолиевых смесей =2,093 Дж/(кг–К)]; – перепад температуры охлаждающей жидкости в радиаторе, К..

При принудительной циркуляции воды в системе температурный перепад = =6...12 К; принимают 353...368 К. Тогда с учетом принятых значений и можно определить среднюю температуру воды в радиаторе:

,

Для тракторных и автомобильных двигателей =358...365 К. Так как в радиаторе теплота передается от воды в окружающую среду, то .