Проектирование строительных и дорожных машин

Рис. 14.5, б свидетельствует о том, что увеличение скорости жидкости vж в решетке радиатора целесообразно до определенного предела (в выполненных конструкциях 0,4–0,8 м/с), после которого повышение теплоотдачи незначительно.

Из рис. 14.5, в видно, что изменение скорости воздуха перед фронтом радиатора vв оказывает значительное влияние на эффективность теплоотдачи Q и энергетические потери р, обусловленные аэродинамическим сопротивлением радиатора. Оптимальные значения скорости воздуха, продувающего радиатор (перед фронтом радиатора), находятся в пределах 10–20 м/с.

Приведенные на рис. 14.5, б и в зависимости даны для трубчатопластинчатого радиатора при глубине охлаждающей решетки 95 мм и разности средних температур жидкости и воздуха 60 °С.

Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта системы охлаждения оценивается суммой перепадов статического давления на всех участках тракта. Аэродинамическое сопротивление радиатора может быть выражено в виде потери напора Нр или перепада давления рр (Па):

где р – коэффициент аэродинамического сопротивления радиато-

ра, определяемый опытным путем;

vв – скорость воздуха перед фронтом радиатора, м/с; ρв – массовая плотность воздуха, кг/м3.

Взависимости от конструкции охлаждающей решетки скорости

иплотности воздуха он изменяется в широких пределах – от 3 до 8–10. Большие значения , имеют место при меньшей скорости воз-

духа. Аэродинамическое сопротивление рр радиаторов транспортных машин примерно пропорционально глубине решетки и достигает значения 800–1200 Па. Сопротивление горячего радиатора на 3–8 % больше, чем холодного.

Аэродинамическое сопротивление всего воздушного тракта может быть выражено суммарной потерей напора

300

где тр – коэффициент аэродинамического сопротивления воздушного тракта.

фронтальная площадь радиатора, м2), получим

H âVâ2 ,

2Fô2ð

т. е. H f Vâ . Эта функция называется аэродинамической харак-

теристикой воздушного тракта.

Вентилятор подбирается по заданным оборотам пвент и требуемым значениям напора Н и расхода воздуха Vв (рис. 14.6), определяемым точкой пересечения А характеристики вентилятора (кривая 1) и аэродинамической характеристики воздушного тракта (кривая 2).

Рис. 14.6. К определению расхода воздуха вентиляторной системой охлаждения

Мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, Вт

Nâåí ò H Vâ ,

âåí ò

где вент – КПД вентилятора.

301

Коэффициент полезного действия центробежных вентиляторов лежит в пределах 0,3–0,6; осевых – 0,3–0,7 и зависит от совершенства аэродинамической формы лопастей. Следует иметь в виду, что окружная скорость по наружному диаметру вентилятора Dнар

vÂí àðnâåí ò

îêð 60

ограничивается величиной 100–110 м/с по акустическим соображениям.

Расход жидкости Vж (м3/с), циркулирующей в системе охлаждения, зависит от количества тепла Q (кВт), отводимого от двигателя:

где tж – перепад температуры жидкости в радиаторе;ж – плотность жидкости, кг/м3;

сж – удельная теплоемкость жидкости, кДж/кг-К, равная для воды 4,19; для этиленгликоля 2,9.

Требуемая площадь проходного сечения радиатора со стороны жидкости Fж зависит от расхода Vж и скорости vж жидкости:

Fæ Væ . væ

При этом задаются оптимальные значения vж и tж. Число ходов радиатора со стороны жидкости определяется конструктивно-ком- поновочными соображениями и зависит от требуемой площади охлаждающей поверхности радиатора со стороны воздуха.

Расчетная производительность водяного насоса определяется с учетом возможных утечек жидкости из напорной полости во всасывающую:

Væ.ð Væ ,

где = 0,8–0,9 – коэффициент подачи.

302

Потери напора в водяном тракте системы охлаждения Нж состоят из потерь на трение Hòð и местных потерь Hì ï . Водяной насос при заданной производительности должен создавать напор

Hæ Hæ Hòð Hì ï .

Местные потери напора могут быть определены по формуле

где ì ï – коэффициент местного сопротивления. Для прямоугольного колена и резкого расширения ì ï = 1; для внезапного сужения ì ï = 0,5; для плавного расширения ì ï = 0; для закругления

ì ï = 0,24–0,35.

Потери напора на трение зависят от длины l трубопровода и его эквивалентного диаметра dэ:

бы диаметром d эквивалентный диаметр dэ = d; для плоской трубы

dý 4Fòð , где Fтр и Sтр – соответственно площадь и периметр попе-

Sòð

речного сечения трубы.

При последовательном включении участков жидкостного тракта расходы жидкости на разных участках равны, а потери напора суммируются. На параллельных участках равны потери напора, а суммируются расходы жидкости.

Мощность (кВт), потребляемая водяным насосом, может быть определена по формуле

Nâí Væ.ð Hæ ,

1000 í .ã

303

где Vж.р – расчетная производительность водяного насоса, м3/с; Hж – требуемый напор, Па;

н.г = 0,6–0,7 – гидравлический кпд насоса. Для автотракторных двигателей обычно Nвн = (0,005–0,01)Nе; где Nе – эффективная мощность двигателя.

Высокотемпературное охлаждение. Высокотемпературное охлаждение двигателя является одним из весьма действенных путей повышения эффективности жидкостной системы охлаждения. При высокотемпературном охлаждении температура воды на выходе из рубашки двигателя может достигать 120 °С и более, а избыточное давление в водяной системе – более 100 кПа. Эти обстоятельства должны учитываться при конструировании элементов водяного тракта. Должны быть обеспечены повышенная прочность и надежность трубопроводов, водяных резервуаров, пайки, соединений и уплотнений.

Повышение температуры охлаждающей жидкости приводит к некоторому увеличению как индикаторного, так и механического КПД двигателя. При этом износ двигателя, как правило, не увеличивается. Допустимое значение верхнего предела температуры зависит от типа двигателя, степени его форсирования и других факторов. Существенной причиной ограничения верхнего предела температуры является возможность недопустимого разжижения масла, следствием чего может быть повышенный износ и снижение КПД двигателя. При высокотемпературном охлаждении увеличивается доля тепла, отводимого отработавшими газами и рассеиваемого деталями моторной установки, в связи с чем доля тепла, отводимого жидкостью, уменьшается на 5–15 %. Количество тепла, передаваемого радиатором системы охлаждения от жидкости к воздуху, пропорционально температурному напору. Если при прочих равных условиях (той же конструкции системы охлаждения, неизменных расходе воздуха и температурах) повысить среднюю температуру жидкости (например, с 95 до 115 оС), то среднелогарифмический температурный напор увеличится почти в 1,5 раза. Однако полная реализация такого повышения эффективности радиаторной установки невозможна без соответствующего увеличения расхода воздуха, а для чего необходимо более чем трехкратное увеличение мощности вентилятора. При этом изменятся коэффициент теплопередачи и КПД вентилятора, а также потребуются существенные конструктивные переделки всей системы охлаждения.

304

По опытным данным при неизменном количестве рассеиваемого тепла переход на высокотемпературное охлаждение двигателя позволяет в 1,5–2 раза уменьшить габариты радиаторной установки

изаметно снизить потери мощности на привод вентилятора и водяного насоса.

Воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении тепло от цилиндров двигателя передается непосредственно воздуху.

Впервые созданные двигатели внутреннего сгорания имели воздушное охлаждение. Дальнейшее развитие двигателестроения привело к использованию водяного охлаждения, т. к. воздушное было недостаточно эффективным. Исключение составляли авиационные

ималолитражные двигатели. В настоящее время прогресс, достигнутый в технике воздушного охлаждения, вновь ставит вопрос о его более широком распространении.

Вдвигателях с жидкостным охлаждением на систему охлаждения приходится до 20 % всех неисправностей (течи в радиаторах

иместах соединений, образование накипи, трещины в водяной рубашке двигателя, выход из строя уплотнений и т. д.)

Воздушная система охлаждения требует значительно меньше ухода, менее подвержена температурным воздействиям, конструктивно проще, находится в постоянной готовности к действию. Двигатели с воздушной системой охлаждения имеют меньший вес и габариты, экономичнее, значительно быстрее прогреваются. Для их охлаждения требуется на 30 % меньший расход воздуха. Соответственно уменьшаются и затраты мощности. Существенный недостаток ДВС с воздушным охлаждением – повышенная шумность.

Основной задачей проектирования воздушной системы охлаждения является обеспечение необходимой теплоотдачи от двигателя к воздуху при возможно меньшем расходе воздуха и минимальном аэродинамическом сопротивлении.

14.4. Система смазки

Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся поверхностям деталей двигателя, хранение, очистку и охлаждение масла. В двигателях внутреннего сгорания преобладает трение скольжения, которое при наличии смазки принято разделять на жидкостное, граничное, полужидкостное и полусухое.

305

При жидкостном трении трущиеся поверхности полностью разделены слоем масла и сила трения обусловлена его вязкостью. При граничном трении поверхности разделены тончайшим граничным слоем смазки и сила трения определяется молекулярным взаимодействием между трущимися поверхностями и граничным слоем масла. При полужидкостном и полусухом трении масляный слой разрушается и на различных участках трущихся поверхностей одновременно может иметь место жидкостное, граничное и сухое трение.

Подводимое к трущимся поверхностям масло уменьшает силы трения и износ, охлаждает поверхности трения, удаляет с них продукты износа, уменьшает коррозию деталей. Потери на трение и износ минимальные при жидкостном трении. Поэтому необходимо так организовывать подвод масла к трущимся деталям, чтобы максимально способствовать образованию жидкостного трения.

Все моторные масла применяются со специальными присадками, обеспечивающими повышение их антикоррозийных, моющих и антиизносных свойств.

Всовременных двигателях внутреннего сгорания наиболее нагруженные трущиеся детали смазываются под давлением, например подшипники коленчатого и распределительного валов, иногда поршневые пальцы, толкатели клапанов. Другие детали смазываются разбрызгиванием. В форсированных двигателях масло иногда используется для охлаждения днища поршня.

У двигателей с мокрым картером циркуляция масла в системе обеспечивается шестеренным насосом. Через маслоприемник с сетчатым фильтром масло поступает в главную масляную магистраль, откуда по каналам в перегородках картера, коленчатом вале и шатунах подводится к коренным и шатунным подшипникам, подшипникам распределительного вала и поршневым пальцам. Остальные детали смазываются разбрызгиванием. Давление, количество и температура масла контролируется при помощи манометра, маслоизмерительного стержня и термометра.

Вгусеничных машинах чаще применяются двигатели с сухим картером, из которого масло откачивается в масляный бак. При системе смазки с сухим картером имеется возможность уменьшить высоту двигателя, снизить расход масла, обеспечить больший срок его службы.

306

Количество тепла, отводимого от двигателя циркулирующим маслом, зависит от теплового режима работы подшипников и тепловой нагрузки двигателя. У современных транспортных двигателей теплоотдача в масло составляет 1,5–2 % от тепла, вводимого в цилиндры двигателя с топливом. В двигателях, где масло используется для охлаждения поршней, теплоотдача в масло значительно больше.

Количество масла (циркуляционный расход), которое должно прокачиваться через двигатель, определяется по формуле

где Qм – теплоотдача в масло;м – плотность масла; см – теплоемкость масла;

t – нагрев масла в двигателе.

Средние значения этих величин обычно составляют: м = 850 кг/м3;

см = 2 кДж/(кг-К); t = 10–15 К.

В связи с выгоранием и утечками расход масла в современных двигателях составляет 1–3 % от расхода топлива. В связи с этим для обеспечения достаточного запаса хода машины в систему смазки должно быть заправлено определенное количество масла.

Для обеспечения требуемого давления масла при работе двигателя на любом режиме производительность масляного насоса должна быть значительно выше циркуляционного расхода

Ví 2,0...3,5 Vö .

Повышенная производительность насоса обеспечивает нормальное давление масла в системе в случае увеличения зазоров по мере износа двигателя, а также при повышении расхода масла из-за уменьшения его вязкости при высокой температуре. Избыток масла перепускается редукционным клапаном из полости нагнетания в полость всасывания. В системах смазки с сухим картером производительность откачивающей секции должна быть в 1,5–2,5 раза больше производительности нагнетающей секции.

Масляные насосы. В качестве масляных насосов применяются, как правило, шестеренные насосы с шестернями внешнего зацеп-

307

ления. Они просты в изготовлении, надежны в работе, имеют малые габариты и вес. В системах смазки с сухим картером масляный насос располагают обычно снаружи двигателя, что упрощает подвод масла к насосу и отвод его в бак.

Применение в насосах шестерен с косыми зубьями обеспечивает более равномерную подачу масла и плавную работу насоса. При этом необходимо, чтобы при любом угловом положении шестерен имелась контактная линия, перекрывающая всю длину зуба.

Сечение входного патрубка насоса должно обеспечивать скорость протекания масла в пределах 0,3–0,6 м/с, выходного – 0,8–1,5 м/с. Расчетные скорости масла в маслопроводах принимаются равными

1–2,5 м/с.

Размеры шестерен насоса определяют исходя из его производительности (л/с):

Ví 0,17 10 7 Dhbn î í ,

где D – диаметр начальной окружности шестерни, мм; h – высота зуба, мм;

b – длина зуба, мм;

п – частота вращения шестерни, об/мин;он – объемный КПД насоса.

Меньшие габариты насоса заданной производительности получаются при рациональном сочетании малого диаметра шестерен с большим модулем зубьев. Окружная скорость на внешнем диаметре шестерен не должна превышать 8–10 м/с во избежание резкого падения он из-за влияния центробежных сил. Коэффициент подачи он может изменяться в широких пределах (0,4–0,9) в зависимости от температуры и вязкости масла, оборотов, давления, величины радиальных и торцовых зазоров. Для расчета можно принимать он = 0,7–0,8.

Мощность, необходимая для привода масляного насоса, зависит от расхода масла и перепада давления между полостями нагнетания и всасывания:

где мн = 0,85–0,9 – механический КПД насоса.

308

Очистка масла. Надежная очистка масла от механических примесей в современных машинах осуществляется при помощи фильтров грубой и тонкой очистки.

Фильтры грубой очистки могут иметь сетчатые, пластинчатощелевые, ленточно-щелевые и проволочно-щелевые фильтрующие элементы. Сетчатые фильтрующие элементы изготавливаются из проволоки с числом клеток от 25 до 300 на 1 см2 и задерживают частицы размером до 0,1 мм. Ленточно- и пластинчато-щелевые фильтрующие элементы могут задерживать частицы размером 0,04–0,09 мм.

Фильтры тонкой очистки масла задерживают частицы до 1 мкм, обладают сравнительно большим сопротивлением и включаются параллельно. Через них проходит до 10 % масла, нагнетаемого насосом. Фильтрующие элементы бывают картонные, бумажные, фетровые, с поглощающей массой. Для того чтобы к подшипникам двигателя подавалось наиболее чистое масло, целесообразно после тонкой очистки подавать масло к полости всасывания нагнетающей секции насоса. Фильтрующие элементы фильтров тонкой очистки масла после их загрязнения, как правило, к дальнейшему употреблению непригодны и заменяются новыми.

В настоящее время все более широкое применение для очистки масла находят реактивные масляные центрифуги, в которых механические частицы, загрязняющие масло, отделяются центробежными силами. Центрифуги обладают существенными преимуществами:

высокая степень очистки масла, фильтрующие свойства и пропускная способность почти не зависят от загрязнения ротора;

отсутствует необходимость замены элементов при периодическом обслуживании.

Ротор должен промываться через 200–300 ч работы двигателя. Центрифуга в зависимости от ее конструкции и параметров может быть использована как для грубой, так и для тонкой очистки масла, может быть включена в систему смазки последовательно или параллельно.

Хорошая очистка масла достигается при частоте вращения ротора центрифуги 5000–7000 об/мин и расходе до 0,17 л/с. При этом давление масла на входе в центрифугу составляет 0,4–0,6 МПа.

Охлаждение масла. Для охлаждения масла, выходящего из двигателя, используются масляные радиаторы. В настоящее время при-

309