Система охлаждения
Система охлаждения двигателя служит для охлаждения нагревающихся деталей и поддержания нормального температурного режима работы двигателя.
С помощью системы охлаждения для всего диапазона нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя поддерживается его стабильное тепловое состояние, при котором достигаются оптимальные экономические и энергетические показатели работы двигателя.
Нарушение правильного отвода тепла вызывает ухудшение смазки трущихся поверхностей, выгорания масла и перегрев деталей двигателя. Последнее приводит к резкому падению прочности материала деталей и даже их обгоранию (например, выпускных клапанов). При сильном перегреве двигателя нормальные зазоры между его деталями нарушаются, что, обычно, приводит к повышенному износу, заеданию и даже поломке.
Перегрев двигателя вреден еще и потому, что приводит к уменьшению коэффициента наполнения, детонации и самовоспламенению рабочей смеси.
Чрезмерное охлаждение двигателя также нежелательно, т.к. оно влечет за собой конденсацию частиц топлива на стенке камеры сгорания, ухудшению смесеобразования, воспламеняемости рабочей смеси, уменьшению скорости ее сгорания, и, как следствие, уменьшению мощности и экономичности двигателя.
В автотракторных двигателях применяют две системы охлаждения: жидкостную и воздушную.
С помощью системы охлаждения для всего рабочего диапазона нагрузочных и скоростных режимов двигателя поддерживают его стабильное тепловое состояние и обеспечивают необходимую температуру, при которой достигаются оптимальные экономические и энергетические показатели.
Подавляющее большинство автотракторных двигателей имеют жидкостное охлаждение. Это обусловлено большей интенсивностью охлаждения деталей жидкостью, чем воздухом, и гибкостью управления работой такой системы. Воздушное охлаждение получило распространение в дизелях, у которых рабочий процесс улучшается при более высоких температурах поверхности камеры сгорания. В бензиновых двигателях воздушное охлаждение применяют в моделях относительно малой мощности.
В условиях эксплуатации нагрузка и частота вращения двигателя меняется в широких пределах. Поэтому в системах охлаждения предусматривают специальные устройства, автоматически поддерживающие на необходимом уровне температуру охлаждающей жидкости или стенок головки цилиндра (при воздушном охлаждении).
Чтобы эффективно управлять тепловым состоянием двигателя применяют термостаты (рис.5), уменьшающие (перераспределяющие) циркуляцию жидкости в системе, а также устройства в приводе вентилятора, изменяющие его подачу.
Жидкостная система охлаждения.
В большинстве случаев на современных автотракторных двигателях применяют систему закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости, поступающей в радиатор. Сообщение внутренней полости системы с атмосферой осуществляется через специальные клапаны, установленные в верхней части радиатора (рис.1). При чрезмерном повышении давления в системе паровой клапан открывается и выпускает образовавшиеся пары. При остывании двигателя после остановки объем жидкости понижается, и в системе возникает разрежение. В этом случае открывается воздушный клапан 1, соединяющий систему с атмосферой. Блок паро-воздушных клапанов отрегулирован следующим образом: паровой клапан 2 должен открываться при избыточном давлении не ниже 0,05 МПа, а воздушный клапан – при разрежении не выше 0,08 МПа.
 |
Рис.1. Паро-воздушный клапан:
1 – воздушный клапан; 2 – паровой клапан; 3 – пароотводная трубка.
В качестве охлаждающей жидкости используют пресную воду. Существенными недостатками воды являются высокая температура замерзания, и способность растворять соли, которые при нагревании жидкости в системе охлаждения образуют накипи.
В последнее время получили распространение все сезонные низкозамерзающие жидкости (антифризы) на основе этиленгликоля или спиртоглицериновых смесей. Эти жидкости имеют большой коэффициент объемного расширения, поэтому системы охлаждения оборудуются расширительным бачком.
Большая вязкость и меньшая удельная теплоемкость антифризов (таблица 1) обуславливают некоторое снижение эффективности теплоотдачи на теплообменных поверхностях системы охлаждения и возрастание температуры деталей двигателя. При одном и том же уровне температур теплоотдача в радиаторе с антифризом на 8…12% ниже, чем с водой.
Таблица 1.
Физические свойства охлаждающих жидкостей.
Вещество | Температура, 0С | Плотность ρ, кг/м3 | Теплоемкость Ср, кДж/(кг·К) | |
замерзания | кипения | |||
Вода | 0 | 100 | 1000 | 4,2 |
Воздух | - 213 | - 193 | 0,95…1,2 | 1,0 |
Антифриз (тосол) | - 65 …- 45 | 102…117 | 901 | 2,5…3,8 |
 |
Возможные варианты компоновочных схем систем охлаждения представлены на рис.2.
Рис.2. Варианты схем систем охлаждения автомобильных двигателей:
1 – двигатель; 2 – основной вентилятор; 3 – агрегат наддува; 4 – водяной радиатор; 5 – масляный радиатор; 6 – секция водяного радиатора для охлаждения наддувочного воздуха; 7 – водяной насос; 8 – охладитель наддувочного воздуха; 9 – вспомогательный вентилятор.
 |
Рис.3. Схемы системы охлаждения:
а – без расширительного бачка с отводной трубкой; б - с расширительным бачком; 1 – отводная трубка; 2 – термостат; 3 – отводящий трубопровод; 4 – обводной трубопровод; 5 - верхняя часть (бачок) радиатора; 6 – радиатор; 7 – циркуляционный насос; 8 – компенсационный бачок; 9 – трубка, соединяющая верхнюю часть радиатора и расширительный бачок; 10 – трубка, соединяющая расширительный бачок со всасывающей полостью насоса.
Расчетная производительность системы.
Исходной величиной для расчета системы охлаждения является количество теплоты, которое необходимо отвести от двигателя в окружающую среду. Расчет проводится для режима номинальной (максимальной) мощности Neн (кВт) двигателя.
На основании данных испытаний двигателей жидкостного охлаждения различных типов удельное количество теплоты qохл имеет следующие значения:
· бензиновые двига…5700 кДж/(кВт·ч);
· дизели 2270…2900 кДж/(кВт·ч).
Если масло охлаждается рабочим телом системы охлаждения (наличие масляного холодильника), то величину qохл необходимо увеличить на 2…4,5%.
Общее количество теплоты, отводимое в охлаждающую жидкость, соответствует:
Qж = 
qохл ·Neн, Дж/с. (1)
Циркуляционный расход охлаждающего тела через систему в течении 1 с определяют из уравнения:
, м3/с. (2)
где Сж – удельная изобарная теплоемкость охлаждающей жидкости, Дж/(кг·К); принимается с учетом данных таблицы 1;
ΔTж – разность температуры жидкости на входе и выходе системы (на входе и выходе радиатора); для закрытых циркуляционных систем принимается равной 6…15 К;
ρж - плотность жидкости, кг/м3; принимается с учетом данных таблицы 1.
Радиаторы (теплообменники) системы охлаждения.
Радиаторы для охлаждения наддувочного воздуха могут устанавливаться автономно (рис.2 –в) или конструктивно объединяются в одном блоке с основным радиатором системы охлаждения двигателя (рис.2 –а). Радиаторы для охлаждения наддувочного воздуха, которые размещаются впереди водяного и масляного радиаторов (рис.2 –б), обдуваются потоком воздуха основного вентилятора. Эта схема характеризуется повышенными гидравлическими сопротивлениями при охлаждении наддувочного воздуха, которые могут быть на порядок выше, чем системе, выполненной по схеме на рис.2 –в (как, например, для системы семейства дизелей ЯМЗ).
Расчет радиатора обычно сводится к определению его теплообменной поверхности Fр.
Предварительно определяют общее количество теплоты, отводимое в единицу времени от двигателя системой охлаждения, по по приведенной выше формуле (1).
Поверхность теплообмена радиатора рассчитывают как:
, м2, (3)
где kр - коэффициент теплопередачи через теплообменную поверхность радиатора (от жидкости к воздуху); для бензиновых двигателей kр =140…180 Вт/(м2·0С); для дизелей kр =80…100 Вт/(м2·0С);
DTж.в = Tж ср. - Tв ср. - разность средних температур охлаждающей жидкости и воздуха, проходящих через радиатор;
Tж ср = Tж вых – 0,5·DTж = 86…910С;
DTж - повышение температуры жидкости в радиаторе (7…90С);
Tж вых – температура жидкости на выходе из радиатора 90…950С;
Tв ср =0,5·(Tв вх + Tв вых) - средняя температура воздуха, проходящего через радиатор;
Tв вх = Т0 + DTв.вх - температура воздуха на входе в радиатор; температура атмосферного воздуха Т0 на входе в водяной радиатор, за счет подогрева при проходе через жалюзи и масляный радиатор, повышается на DTв.вх = 3…50С; при отсутствии масляного радиатора можно принять Tв вх = Т0; при температуре окружающей среды Т0 = 200С температура воздуха на входе в радиатор Tв вх = 23…250С;
Tв вых = Тв.вх + 0,5·DTв.вых - температура воздуха на выходе из водяного радиатора;
DTв.вых = 20…300С - подогрев воздуха в решетке водяного радиатора; при температуре окружающей среды Т0 = 200С температура воздуха на выходе из радиатора Tв вых = 33…400С.
Циркуляционные насосы системы охлаждения.
Для большинства автомобильных двигателей устанавливают циркуляционные водяные насосы центробежного типа.
 |
Корпус и крыльчатку насосов отливают из чугуна или алюминиевых сплавов. Встречаются конструкции насосов, у которых крыльчатки выполнены из бронзы или пластических материалов. Обычно применяют полузакрытые крыльчатки, то есть крыльчатки с одним диском. Валы насосов изготавливают из стали. Для повышения износостойкости их закаливают или хромируют. Валы центробежных насосов устанавливают на подшипники качения и снабжают для уплотнения рабочей поверхности простыми или саморегулирующими сальниками.
Рис.3. Водяной насос системы охлаждения автомобильного двигателя.
Валы насосов приводятся с помощью клиноременной передачи от коленчатого вала двигателя (рис.3,4). Иногда, как это показано на рис.4, на этом же валу крепят вентилятор системы охлаждения. Часто привод насоса выполняют отдельно от вентилятора (рис.3). Циркуляционные насосы систем охлаждения автомобильных двигателей обеспечивают напор охлаждающей жидкости порядка 0,06…0,12 МПа.
Расчет циркуляционного насоса проводят с целью определения потребляемой им мощности и его основных геометрических параметров.
Расчет производительности насоса проводят с учетом коэффициента подачи hн насоса (hн = 0,8…0,9), учитывающего возможность перетекания жидкости между его корпусом и крыльчаткой из нагнетательной полости во всасывающую полость.
 |
Рис.4. Вариант компоновки водяного насоса и вентилятора системы охлаждения, размещенных на общем приводном валу.
Расчетная производительность насоса Vжр определяется с учетом величины объемного циркуляционного расхода Vж (2):
Vжр = Vж /hн или 
, м3/с, (2-а)
где ηж - коэффициент подачи насоса; ηж = 0,8…0,9.
Входное отверстие насоса должно обеспечивать подвод расчетного количества жидкости. Это достигается при выполнении условия:
Vжр /с1 = π·(r12 – r02), (4)
где с1 - скорость жидкости на входе в насос, м/с; с1 = 1…2 м/с;
r1 и r0 - радиусы входного отверстия крыльчатки и ступицы крыльчатки соответственно, м; радиус ступицы крыльчатки принимается равным половине диаметра вала насоса и приблизительно может быть принят как r0 = 0,01…0,015 м.
Из равенства (4) определяют радиус входного отверстия крыльчатки:
. (5)
Радиус r2 крыльчатки на выходе равен:
r2 = kr · r1, м;
где kr = r2 / r1 - отношение радиусов крыльчатки на выходе из насоса и на входе в него, может быть ориентировочно принят kr =1,5.
Далее определяют мощность, затрачиваемую на привод циркуляционного насоса:
, Вт, (6)
где Рн – создаваемый насосом напор (избыточное давление) в системе охлаждения; для автомобильных двигателей можно принять Рн =0,06…0,12 МПа;
ηГ, ηмех - гидравлический и механический КПД циркуляционного насоса; ηГ = 0,6…0,7; ηмех = 0,7…0,9.
Мощность, затрачиваемая на привод циркуляционного насоса, составляет 0,5…1,0% от номинальной мощности двигателя.
Вентилятор системы охлаждения.
Размеры и производительность вентилятора должна быть такой, чтобы охлаждать жидкость в радиаторе до необходимого уровня. Для обеспечения быстрого прогрева двигателя и экономии энергии применяют приводы для вентиляторов с автоматическим регулированием их производительности или их отключением при непрогретом двигателе. С этой целью используют автоматические муфты (электрофрикционные, гидравлические и др.), а также автономный привод вентилятора от электрического двигателя, управляемого от термочувствительного элемента, установленного в полости системы охлаждения. Работу вентилятора характеризуют коэффициентом давления, который у обычных аксиальных вентиляторов составляет 0,07.
Расчет производительности вентилятора проводят с учетом обеспечения отвода от радиатора теплоты охлаждающим воздухом с использованием формулы (1):
Qж = 
· qохл Neн, Дж/с.
Объемный расход воздуха, подаваемый вентилятором:
, м3/c,
cв - теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); cв = 1000 Дж/(кг·К);
ρв - плотность воздуха при средней температуре в радиаторе, кг/м3;
ρв = 1,05…1,12 кг/м3;
DTв - температурный подогрев воздуха в решетке радиатора:
(DTв = Tв. вых. - Tв. Вх.); DTв. = 20…300С ;
Мощность, затрачиваемая на привод вентилятора:
, Вт,
ηв - КПД вентилятора; ηв = 0,32…0,4 для клепанных вентиляторов; ηв = 0,55…0,65 для литых;
Dрв - сопротивление воздушного тракта (аэродинамические потери); Dрв = 600…1000 Па.
Примечание: вентилятор может иметь автономный электропривод, с входящим в его состав электродвигателем, включение в работу которого производится от термочувствительного датчика, установленного в системе охлаждения.
Термостатирование теплового режима системы.
Для обеспечения автоматического регулирования температуры охлаждающей жидкости во время работы двигателя устанавливают термостат (рис 5).
 |
Рис.5. Термостаты:
а – с жидким (эфир) наполнителем: 1 – перепускные окна; 2 – перепускной патрубок; 3 – основной клапан; 4 – перепускной клапан; 5 – сильфон;
б – с твердым наполнителем: 1 – нижняя рамка; 2 – верхняя рамка; 3 – регулировочный винт; 4 – шток; 5 – буфер-мембрана; 6 – седло основного клапана; 7 – основной клапан; 8 – пружина; 9 – капсула с активной массой (кристаллический воск с медными опилками, церезин); 10 – направляющая втулка; 11 – перепускной клапан; 12 – пружинное кольцо; 13 – пружина; 14 – седло перепускного клапана.
ПРИМЕРЫ расчета агрегатов жидкостной системы охлаждения.
Расчет проводится для системы охлаждения бензинового двигателя легкового автомобиля с номинальной мощностью 90 кВт.
Система охлаждения данного двигателя – жидкостная, замкнутая, с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости.
При работе двигателя нагретая в блоке цилиндров жидкость подается через выпускной патрубок по шлангам в радиатор через термостат. При температуре охлаждающей жидкости, проходящей через термостат, ниже 700С, клапан закрыт. Вследствие этого охлаждающая жидкость в радиатор не поступает, а циркулирует внутри рубашки охлаждения блока цилиндров. При повышении температуры охлаждающей жидкости клапан начинает приоткрываться, и постепенно охлаждающаяся жидкость начинает поступать в радиатор.
При достижении температуры 80...850С клапан полностью открывается, и охлаждающая жидкость проходит через радиатор. После достижения температуры охлаждающей жидкости до 950С включается в работу вентилятор, расположенный за радиатором, создавая, таким образом, искусственный поток воздуха, который увеличивает теплоотдачу от трубок радиатора в окружающую среду.
После радиатора охлажденная жидкость, всасываемая насосом, направляется в рубашку охлаждения.
 |
Рис.6. Функциональная схема системы охлаждения двигателя.
Система охлаждения состоит из (рис.6):
1. Циркуляционный насос (водяная помпа) центробежного типа.
2. Радиатор трубчатого типа.
3. Расширительный бачок.
4. Термостат неразборный, с термосиловым элементом.
5. Вентилятор.
6. Рубашка охлаждения двигателя.
Радиатор.
Количество тепла, отводимого в единицу времени от двигателя системой охлаждения (1):
Qж = · qохл Neн, = ·3780·90 = 94500 Дж/с.
где qохл – коэффициент относительной теплоотдачи в воду;
qохл = 3780 кДж/(кВт·ч);
Neн, = 90 кВт – номинальная мощность двигателя.
Поверхность охлаждения радиатора (3):
м2,
где кр = 100 Вт/(м2·К) – коэффициент теплоотдачи от жидкости к воздуху;
DТр = Тж ср – Тв ср
DТр = 35 К – перепад между средними температурами жидкости и воздуха, охлаждающего радиатор.
Циркуляционный насос.
Расчетная производительность циркуляционного насоса (2-а):
м3/сек = 186 л/мин,
где Сж = 3800 Дж/(кг·К) – теплоемкость охлаждающей жидкости (тосол);
hн = 0,82 - коэффициент подачи насоса;
rж = 1000 кг/м3 - плотность охлаждающей жидкости;
DTж = Tж вх. - Tж вых. = 9 К - температурный перепад жидкости в радиаторе.
Радиус входного отверстия крыльчатки насоса (5):
м,
где с1 = 1,8 м/с – скорость воды на входе в насос;
rо = 0,015 м – радиус ступицы крыльчатки.
Радиус крыльчатки насоса на выходе:
r2 = k2 × r1 = 1.5 × 0.0278 = 0.0417 м.
Мощность, потребляемая циркуляционным насосом (6):
, = 
кВт,
где Рн = 0,1 МПа = 1·105 Па – напор, создаваемый насосом;
ηГ = 0,7 - гидравлический КПД циркуляционного насоса;
ηмех = 0,9 - механический КПД циркуляционного насоса.
Таким образом, мощность, затрачиваемая на привод циркуляционного насоса системы охлаждения двигателя, составляет Nн = 0,42% от номинальной мощности двигателя Ne.
Вентилятор.
Объемный расход воздуха, подаваемый вентилятором:
= 3,7 м3/c.
cв - теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); cв = 1000 Дж/(кг·К);
ρв - плотность воздуха при средней температуре в радиаторе:
ρв = 1,015 кг/м3
DTв - температурный подогрев воздуха в решетке радиатора:
(DTв = Tв. вых. - Tв. Вх.); DTв. = 25 К ;
Мощность, затрачиваемая на привод вентилятора:
= 4930 Вт = 4,93 кВт,
ηв - КПД вентилятора; ηв = 0,6 для литого вентилятора с профилированными лопастями;
Dрв - сопротивление воздушного тракта (аэродинамические потери); Dрв = 800 Па.
Следовательно, мощность, затрачиваемая на привод вентилятора системы охлаждения, составляет Nв = 5,47% от номинальной мощности двигателя Ne.
