Основы расчета жидкостной системы охлаждения

Для расчета системы охлаждения автомобильного или тракторного двигателя исходной величиной является количество отводимого от него в единицу времени тепла Q_охл. Это количество может быть определено из уравнения теплового баланса:

,

где q_охл – доля количества тепла, отводимого от двигателя. Для бензиновых ДВС q_охл = 800–1300 КДж/КВт  с, для дизельных ДВС q_охл = 1100–1150 КДж/КВт  с.

Определив величину Q_охл, находят затем количество жидкости, циркулирующей в системе охлаждения в единицу времени,

,

где С_ж – теплоемкость циркулирующей жидкости.

Для воды С_ж = 4.22 КДж/кг К, для этиленгликолевых смесей С_ж = 2–3.8 КДж/кг К;

t_выхж, t_вхж – температуры выходящей из радиатора жидкости и входящей в него, °С.

Для радиаторов автомобильных и тракторных двигателей значение t_выхж – t_вхж = 5–10  С.

Систему охлаждения двигателя обычно рассчитывают для двух режимов работы двигателя: при номинальной мощности и максимальном крутящем моменте.

Величина поверхности охлаждения радиатора (м²) определяется по формуле:

,

где k – полный коэффициент теплопередачи через стенки радиатора,

t_охлж – средняя температура охлаждающей жидкости в радиаторе, °С;

,

где t^вх_охлж = 90°  С – температура охлаждающей жидкости на входе в радиатор;

t^вых_охлж = 80–85°  С – температура охлаждающей жидкости на выходе из радиатора;

t_охлв – средняя температура проходящего через радиатор воздуха, °С,

,

где t^вх_охлв = 40° С – температура воздуха на входе в радиатор;

t^вых_охлв= 60–70°С – температура воздуха на выходе из радиатора.

Коэффициент k зависит от многих факторов: материала охлаждающей решетки, формы и состояния ее внутренней и наружной поверхностей, характера движения воздушного потока и т. д. Теплопередача радиатора значительно ухудшается при образовании в нем накипи, ржавчины или при покрытии грязью.

Величина k может быть определена по формуле:

,

где a ₁ = 8500–14500 КДж/м² ч К – коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенкам радиатора;

l – коэффициент теплопроводности металла стенок (трубок) ра-диатора. Для латуни значение  = 300–450 КДж/м ч К, для алюминия = 300–350 КДж/м ч К, для нержавеющей стали = 35–70 КДж/м ч К;

b– толщина стенки трубки, м;

a ₂ – коэффициент теплоотдачи от стенок радиатора (трубок) к воздуху,  = 150–1100 КДж/м²чК.

Коэффициент  ₂ в основном зависит от скорости воздуха ?_воз , проходящего через радиатор, и выражается зависимостью:

.

Для предварительных расчетов площади радиатора системы охлаждения можно использовать формулу:

,

где f – удельная площадь охлаждения, м²/КВт.

Для легковых автомобилей f = 0.14–0.3, для грузовых автомобилей f = 0.2–0.4, для тракторов f = 0.4–0.55.

Емкость системы жидкостного охлаждения л. (Ne в КВт) изменяется в следующих пределах: для легковых автомобилей – (0.13–0.35) Ne, для грузовых автомобилей – (0.27–0.8) Ne, для тракторов – (0.5–1.7) Ne.

Размеры вентилятора автомобильного или тракторного двигателя должны быть таковы, чтобы обеспечить подачу воздуха в количестве, необходимом для охлаждения жидкости в радиаторе.

Тип вентилятора определяют по условному коэффициенту быстроходности:

,

где V_воз – производительность вентилятора, м³/с.

,

где  V_воз = 1.07 кг/м³ – плотность воздуха;

С_воз = 1 КДж/кг К – теплоемкость воздуха;

Н – напор вентилятора. Н = 600–1000 Па.

При n_усл = 15–100 используют центробежные вентиляторы, при n_усл = 80–300 – осевые одноступенчатые вентиляторы.

Воздушная система охлаждения

В двигателях с воздушным охлаждением для обеспечения нормального теплового состояния двигателя площади наружных поверхностей головок и цилиндров увеличивают путем их оребрения. От поверхности оребрения тепло, поступающее к ней от стенок камеры сгорания и стенок цилиндра, отводится охлаждающим потоком воздуха.

Положительными особенностями системы воздушного охлаждения являются несложное обслуживание, надежность в эксплуатации, меньший по сравнению с системой жидкостного охлаждения вес и простота конструкции, упрощение эксплуатации двигателя в безводных районах, а также устранение опасности замерзания воды в радиаторе и рубашке двигателя (в случае заполнения их водой) при низких температурах.

Схема движения воздуха, охлаждающего однорядный четырехцилиндровый двигатель, представлена на рис. 3.8. Каналы, по которым движется воздух, разделены на участки: входа воздуха, прохождения воздуха через вентилятор 1, распределения воздуха по цилиндрам,прохождения воздуха по межреберным каналам и отводного трубопровода. В рассматриваемой схеме охлаждаемые поверхности находятся на линии нагнетаемого воздуха. В некоторых случаях воздух через межреберные каналы не нагнетается, а просасывается.

Для получения эффективного и равномерного охлаждения при минимальной затрате мощности в двигателях с воздушным охлаждением применяют дефлекторы. Дефлекторы представляют собой направляющие устройства для подачи охлаждающего потока воздуха к оребренным поверхностям с определенными скоростью и направлением.

Рис. 3.8. Схема системы воздушного охлаждения двигателя

При проектировании системы воздушного охлаждения стремятся обеспечить подачу охлаждающего воздуха в первую очередь к наиболее горячим местам головки цилиндров (перемычки между гнездами клапанов и др.), а также к свечам зажигания (в бензиновых двигателях) и форсункам (в дизелях). Для улучшения теплопередачи поток охлаждающего воздуха должен омывать поверхности охлаждения равномерно и с достаточно высокой скоростью.

Расчет системы воздушного охлаждения автомобильных и тракторных двигателей сводится к определению параметров оребрения двигателя, производительности и размеров вентилятора, а также затрачиваемой на привод вентилятора мощности.

Проведение этого расчета вследствие влияния ряда трудно учитываемых факторов, а также из-за отсутствия данных о взаимозависимости расчетных параметров системы охлаждения весьма сложно и связано с большими трудностями. В особенности сложен теоретический расчет теплопередачи и аэродинамического сопротивления оребрения двигателя. Поэтому на практике при проектировании системы воздушного охлаждения обычно задаются удельной поверхностью оребрения и широко пользуются экспериментальными данными прототипов двигателей.

В начале расчета задаются его исходными параметрами, к которым относятся: а) температура, давление и влажность окружающего двигатель воздуха, б) рабочие температуры деталей двигателя и в) расчетный режим работы двигателя.

В качестве расчетной температуры окружающего воздуха принимают температуру, равную 40 °С.

Превышение рабочих допустимых температур может вызвать нарушение работы (увеличение нагарообразования, коробление головки цилиндра, закоксовывание и зависание иглы форсунки в дизелях, детонацию и калильное зажигание в бензиновых двигателях, повышенный износ цилиндра, поршня и поршневых колец).

Средняя температура у оснований чугунных ребер цилиндров 130–170 °С; у оснований чугунных ребер головки цилиндров 170–220 °С. При алюминиевых сплавах средние температуры соответственно 130–150 и 160–200 °С.

Минимальные температуры внутренних поверхностей цилиндра и его головки стремятся обеспечить не ниже 130–140 °С, т. е. значительно выше точки росы выпускных газов.