Заняття 11 Основи конструювання системи охолодження

1. Основи конструювання системи охолодження.

2. Аналіз конструкції системи охолодження різних типів, їх оцінка.

1. Системи охолодження призначені для підтримання теплового стану двигуна шляхом регульованого відведення теплоти від деталей, нагрітих у результаті контакту з гарячими газами і поверхнями тертя. Основними загальними вимогами до системи охолодження є:

- недопустимість перегріву та переохолодження ДВЗ;

- експлуатаційна надійність;

- невеликі витрати потужності ДВЗ на роботу системи;

- компактність;

- мінімальна вага;

- техніко-економічна обґрунтованість.

У автомобільних двигунах застосовуються системи охолодження двох типів: рідинна та повітряна. Кожна з них має свої переваги та недоліки.

Рідинна система охолодження має перед повітряною такі переваги: краще регулюється і забезпечує більш рівномірну і низьку середню температуру деталей; зменшує шум ДВЗ; забезпечує менші габаритні розміри ДВЗ за довжиною (на 10...15%); сприяє полегшенню запуска двигуна. У свою чергу, недоліками цього типу системи охолодження є: більша уразливість системи через можливість підтікання і замерзання рідини в експлуатації; збільшення часу, необхідного для прогрівання; вища коштовність.

При проектуванні основні параметри рідинної системи охолодження вибирають таким чином, щоб забезпечити потрібне тепловідведення при їзді автомобіля на вищій передачі з малою швидкістю (12...15 км/год) при високій температурі навколишнього середовища (40 °С).

Враховуючи можливість режимів роботи автомобільних двигунів, ця система охолодження двигуна повинна мати у своєму складі елементи, які стабілізують тепловий стан двигуна: термостати, автоматичні муфти приводу вентилятора, датчики температури та інші. При їх застосуванні вдається зменшити витрати потужності двигуна на привід агрегатів системи охолодження і одночасно знизити експлуатаційні витрати двигуном палива.

Рідинна система охолодження складається із: оболонки (сорочки) блока циліндрів і головки двигуна; рідинного насоса; термостата з рідинним або твердим заповнювачем; вентилятора; радіатора; жалюзей, патрубків, шлангів, роздільної труби, краників та ін.

На автомобілях цю систему застосовують виключно закритого типу з вимушеною циркуляцією та двома видами елементів регулювання.

Закритий тип системи не має безпосереднього зв'язку із навколишнім середовищем і дозволяє підвищити температуру кипіння охолоджуючої рідини, що відкриває можливість для зменшення втрат теплоти палива та підвищення ККД, а значить, і економічності двигуна. Під час спільної роботи обох систем регулювання легше досягається постійна середня температура охолоджуючої рідини при різних експлуатаційних умовах та забезпечується мала різниця температур рідини на виході із двигуна і на вході в нього. У тих випадках, коли застосовується тільки перша система регулювання, збільшується різниця температур, особливо при роботі двигуна з малим навантаженням та при низькій температурі навколишнього середовища.

Перший із елементів системи регулювання - автоматично діючий термостат, який регулює кількість рідини, що надходить у радіатор для охолодження. При цьому температура на виході із двигуна підтримується на рівні 90...95 °С при будь-якому режимі його роботи. Залежно від положення клапана термостата змінюється співвідношення між потоками рідини, що проходить через радіатор і минає його.

Друга система регулювання,складається з жалюзей, які розміщаються перед радіатором і дозволяють змінювати кількість повітря, що проходить крізь нього.

2. Системи охолодження виконують ряд важливих функцій які забезпечують надійну і тривалу роботу двигуна при різних режимах та кліматичних зон.

На рис. 2 зображена схема системи охолодження рядного двигуна, циліндри якого охолоджуються рідиною, яка примусово циркуляє по всій їх висоті. Відцентровий насос 7 подає охолодну рідину у розподільну трубу 8, яка її рівномірно розподіляє у просторі між окремими циліндрами. Рідина підводиться до нижньої частини циліндра, що дозволяє запобігти утворення застійних зон та пароповітряних пробок, які порушують циркуляцію і охолодження. Із оболонки циліндрів рідина надходить до головки, а від неї по трубопроводу 5 до термостата 2. У термостаті рідина розділяється на два потоки: один поступає у верхню частину, радіатора, а другий по обвідному трубопроводу 3 повертається у двигун. Патрубок 6 служить для відведення повітря від насоса при заповненні системи та пари, що утворюється при роботі двигуна. У деяких двигунах застосовані системи з підводом охололої рідини безпосередньо до головок циліндрів, звідкіля відносно невелика її кількість надходить у блок, а основна маса - у радіатор. Циркуляція рідини у блоках забезпечується звичайно за рахунок відсмоктування рідини насосом через торцеві вікна.

В умовах експлуатації у системі охолодження утворюється пара, наявність якої може порушувати циркуляцію рідини. Запобігти цього можна, застосувавши одне з таких рішень: створення у радіаторі вільного об'єму, який складає 4...5% від усього об'єму системи; застосування системи охолодження з розширювальним бачком; установка паровідвідних трубок; використання повністю герметично запаяних систем із підвищеним внутрішнім тиском (до 0,2 МПа).

Схема систем з розширювальним компенсаційним бачком 8 показана на рис. 3. Через розширювальний бачок заливають і доливають рідину у процесі експлуатації. Пари рідини і повітря, що утворюються у системі, відводяться по трубці 1 у розширювальний бачок, котрий одночасно зв'язаний трубкою 9 із верхньою частиною 5 радіатора 6 та трубкою 10 із всмоктувальною порожниною насоса 7. Об'єм розширювального бачка досягає 25...30% об'єма системи. При наявності розширювального бачка радіатори виготовляють без доповнюючих компенсаційних об'ємів.

У закритих системах охолодження внутрішній об'єм сполучається з навколишнім середовищем через пароповітряний клапан, встановлений у верхній частині радіатора і відрегульований на надмірний тиск 0,09 МПа (рис. 4).

Перспективними системами охолодження є повністю герметизовані системи, які заповнюються всесезонною рідиною з високою температурою кипіння (до 120°С) і мають гарантоване збереження герметичності під час експлуатації [5].

Застосування в системі охолодження рідин, які замерзають при більш низьких температурах порівняно з водою (антифризів), знижує теплообмін та підвищує температуру деталей двигуна. Наприклад, підвищення температури кипіння охолодної рідини до 120°С збільшує температуру деталей циліндро-поршневої групи на 10...12°С. Теплоємність антрифризів на 15% нижча, а в'язкість у 5...7 разів більша, ніж у води. Але антифризи не утворюють накипу і мають кращі антикорозійні властивості. Радіатор є одним із основних елементів системи охолодження. Це - теплообмінний апарат, частіше рідинно-повітряного типу. Охолодження відбувається в його серцевині, яка обдувається повітрям. За конструкцією вони бувають трубчасті, пластинчасті, стільникові (рис. 5). Найбільше розповсюдження отримали трубчасто-пластинчасті радіатори (рис. 5, а), у яких охолодна рідина проходить по трубках і які працюють при відносно високому тискові. Трубки монтуються у декілька рядів у шахматному порядку або під кутом до повітряного потоку (рис. 5, г, д). Частота розміщення трубок визначається їх кроком по фронту tф та по глибині tгл, частота розміщення пластин - кроком по висоті радіатора tпл. Для сучасних автомобільних радіаторів розміри трубок змінюються у таких межах: ширина а =13...20 мм; товщина b = 2...4 мм; товщина стінок δтр=0,13...0,2 мм; крок трубок по фронту tф=10...15 мм, по глибині tгл = 16...25 мм. У пластинчатих радіаторах товщина пластин складає b = 0,08...0,12 мм, крок пластин по висоті tпл = 2,5...4,5 мм.

Трубки радіатора звичайно виготовляють із латуні, а пластинки - із латуні або міді, тобто матеріалів, які мають високий коефіцієнт теплопередачі. Останнім часом все ширше застосовуються алюмінієві радіатори. Це дає змогу використовувати менш дефіцитний матеріал, значно зменшити вагу радіатора, але потребує серйозного удосконалення технології їх виготовлення.

Середня швидкість повітря, віднесена до перерізу перед фронтом радіатора, змінюється у автомобільних радіаторів у межах 1УП0В = 7... 12 м/с.

Опір радіатора проходженню повітря складає Арр = 200...300 Па. Тем-пература повітря під час проходження крізь радіатор підвищується на 20...30°С. Габаритні розміри радіатора визначаються умовами компоновки радіатора на автомобілі, кількістю теплоти, яка відводиться радіатором, швидкістю руху повітря та рідини у трубках (пластинах) радіатора, конструктивними параметрами елементів, що складають його (розміщенням, числом трубок (пластин), матеріалом, із якого виконані, та ін.).

Рідинний насос забезпечує циркуляцію рідини у системі охолодження. Звичайно в автомобільних двигунах застосовують насоси відцентрового типу (рис. 8.56). Передаточне число між валом крильчатки та колінчастим валом у швидкісних двигунах обирають близьким до одиниці. Натиск, який утворює насос, вибирають із умови подолання усього опору системи. Він звичайно складає 0,05...0,15 МПа. Швидкість рідини у випускних каналах насоса не перевищує 2,5...З м/с, атвитрати потужності на його привід становлять 0,5... 1% від номінального значення потужності двигуна.

Вентилятор забезпечує обдування радіатора просмоктуванням через його серцевину атмосферного повітря. На двигунах з рідинним охолодженням за умовами компоновки установлюються осьові вентилятори (рис. 8.57). Обдування двигуна та його навісних агрегатів проходить без зміни напрямку повітря у підкапотному просторі. Для більш ефективного використання фронтової поверхні радіатора та організації руху'повітря під капотом слід застосувати направляючий кожух 12 (рис. 8.52). У цьому випадку відстань між вентилятором та радіатором може досягати 80...100 мм. При відсутності направляючого кожуха ця відстань не перевищує 10...15 мм. Потужність, витрачена на привід вентилятора, пропорційна частоті його обертання у третьому ступені і складає 5...8% від номінальної потужності двигуна. Щоб поліпшити експлуатаційну економічність автомобілей, на них установлюють вентилятори, які вимикаються за допомогою фрикційних, гідравлічних та електромагнітних муфт або автономного приводу від електродвигуна. Крім того, їх можна обладнати механізмом зміни кута атаки лопатей вентилятора, датчиком теплового стану двигуна та іншим. Гідравлічні муфти роблять автономними або включають у систему змащення двигуна. В автомобільних двигунах привід вентилятора здійснюється безпосередньо від колінчастого вала за допомогою клинової передачі з пристроями автоматичного або періодичного ручного натяжіння пасів в експлуатації. Колові швидкості пасів не повинні перевищувати ЗО...35 м/с. Передаточні числа приводу вентилятора становлять 1...1.5. Лопаті вентилятора штампують із листової сталі товщиною 1,2...1,6 мм і приклепують до ступиці. Повітряна система охолодження складається із: оребрених головок та блока; вентилятора (осьового або відцентрового); дефлекторів (рис. 8.58).

Вона має такі позитивні якості: проста за будовою та в експлуатації, забезпе-чує швидке прогрівання двигуна після запуску; має невелику масу.

Недоліками системи такого типу є: залежність ефективності роботи системи від режиму роботи двигуна; гірша рівномірність відведення теплоти по висоті ци-ліндра; шумність роботи; більші витрати потужності на привід вентилятора.

Повітряний тракт системи охолодження - це система повітряних каналів, які визначають траєкторію руху охолоджуючого повітря по поверхні двигуна. Елементами повітряного тракту є: повітрозабірний патрубок, вентилятор, повітророзподільний кожух, циліндри та їх головки, дефлектори, повіт- ровідвідний кожух.

Вентилятор є основним робочим органом повітряної системи охолодження, і він не обов'язково повинен розміщуватися на початку або в кінці повітряного тракту. Крім того, конструктивно вентилятор інколи виконується не зв'язаним із повітряним трактом.

Привід вентилятора потребує до 13% від ефективної потужності двигуна. На один кіловат за одну годину потужності двигуна необхідно витрачати приблизно до 150 м3 повітря.

При будь-якому способі подавання охололого повітря воно повинно, в першу чергу, поступати до найбільш нагрітих деталей двигуна. Крім того, повинна застосовуватися система дефектування, яка забезпечує більш рівномірне розподілення температур за циліндрами та їх висотою при менших витратах енергії на це.