Заняття 12 Особливості конструювання деталей СО

1. Особливості конструкції деталей системи охолодження.

2. Особливості розрахунку елементів системи охолодження.

1. Система охолодження призначена для охолодження деталей двигуна, що нагріваються в результаті його роботи. На сучасних автомобілях система охолодження, крім основної функції, виконує ряд інших функцій, у тому числі:

нагрівання повітря в системі опалення, вентиляції та кондиціонування;

охолодження масла в системі змащення;

охолодження відпрацьованих газів у системі рециркуляції відпрацьованих газів;

охолодження повітря в системі турбонаддува;

охолодження робочої рідини в автоматичній коробці передач.

Залежно від способу охолодження розрізняють такі види систем охолодження:

рідинна (закритого типу);

повітряна (відкритого типу);

комбінована.

В системі рідинного охолодження тепло від нагрітих частин двигуна відводиться потоком рідини. Повітряна система для охолодження використовує потік повітря. Комбінована система об'єднує рідинну і повітряну системи.

На автомобілях найбільшого поширення набули система рідинного охолодження. Дана система забезпечує рівномірне і ефективне охолодження, а також має менший рівень шуму. Тому, пристрій і принцип дії системи охолодження розглянуті на прикладі системи рідинного охолодження.

Конструкція системи охолодження бензинового і дизельного двигунів подібні. Система охолодження двигуна має наступне загальне пристрій:

радіатор системи охолодження;

масляний радіатор;

теплообмінник підігріву;

розширювальний бачок;

відцентровий насос;

термостат;

вентилятор радіатора;

елементи управління;

«Сорочка охолодження» двигуна;

патрубки. Радіатор призначений для охолодження нагрітої охолоджуючої рідини потоком повітря. Для збільшення тепловіддачі радіатор має спеціальне трубчасте пристрій.

Поряд з основним радіатором в системі охолодження можуть встановлюватися масляний радіатор і радіатор системи рециркуляції відпрацьованих газів. Масляний радіатор служить для охолодження масла в системі мастила.

Радіатор системи рециркуляції відпрацьованих газів охолоджує відпрацьовані гази, чим досягається зниження температури згоряння паливно-повітряної суміші та утворення оксидів азоту. Роботу радіатора відпрацьованих газів забезпечує додатковий насос циркуляції охолоджуючої рідини, включений у систему охолодження.

Теплообмінник опалення виконує функцію, протилежну радіатора системи охолодження. Теплообмінник нагріває, що проходить через нього, повітря. Для ефективної роботи теплообмінник опалення встановлюється безпосередньо біля виходу нагрітої охолоджуючої рідини з двигуна.

Для компенсації зміни об'єму охолоджуючої рідини внаслідок температури в системі встановлюється розширювальний бачок. Заповнення системи охолоджувальною рідиною зазвичай здійснюється через розширювальний бачок.

Циркуляція охолоджувальної рідини в системі забезпечується відцентровим насосом. У побуті відцентровий насос називають помпою. Відцентровий насос може мати різний привід: шестерінчастий, пасової та ін На деяких двигунах, обладнаних турбонаддувом, для охолодження надувного повітря і турбокомпресора встановлюється додатковий насос циркуляції охолоджуючої рідини, що підключається блоком управління двигуном.

Термостат призначений для регулювання кількості охолоджувальної рідини, що проходить через радіатор, чим забезпечується оптимальний температурний режим в системі. Термостат встановлюється в патрубку між радіатором і «сорочкою охолодження» двигуна.

На потужних двигунах встановлюється термостат з електричним підігрівом, який забезпечує двоступеневе регулювання температури охолоджуючої рідини. Для цього в конструкції термостата передбачено три робочих положення: закрите, частково відкрите і повністю відкрите. При повному навантаженні на двигун за допомогою електричного підігріву термостата проводиться його повне відкриття. При цьому температура охолоджуючої рідини знижується до 90 ° С, зменшується схильність двигуна до детонації. В інших випадках температура охолоджуючої рідини підтримується в межах 105 ° С.

Вентилятор радіатора служить підвищення інтенсивності охолодження рідини в радіаторі. Вентилятор може мати різний привід:

механічний (постійне з'єднання з колінчастим валом двигуна);

електричний (керований електродвигун);

гідравлічний (гідромуфта).

Найбільше поширення отримав електричний привід вентилятора, що забезпечує широкі можливості для регулювання.

Типовими елементами управління системи охолодження є датчик температури охолоджуючої рідини, електронний блок управління і різні виконавчі пристрої.

Датчик температури охолоджуючої рідини фіксує значення контрольованого параметра і перетворює його в електричний сигнал. Для розширення функцій системи охолодження (охолодження відпрацьованих газів у системі рециркуляції відпрацьованих газів, регулювання роботи вентилятора та ін) на виході радіатора встановлюється додатковий датчик температури охолоджуючої рідини.

Сигнали від датчика приймає електронний блок управління і перетворює їх в управляючі на виконавчі пристрої. Використовується, як правило, блок керування двигуном з устанавленнимі відповідним програмним забезпеченням.

У роботі системи охолодження можуть використовуватися такі виконавчі пристрої:

нагрівач термостата;

реле додаткового насоса охолоджуючої рідини;

блок управління вентилятором радіатора;

реле охолодження двигуна після зупинки.

Принцип роботи системи охолодження

Роботу системи охолодження забезпечує система управління двигуном. У сучасних двигунах алгоритм роботи реалізований на основі математичної моделі, яка враховує різні параметри (температуру охолоджуючої рідини, температуру масла, зовнішню температуру та ін) і задає оптимальні умови включення і час роботи конструктивних елементів.

Охолоджуюча рідина в системі має примусову циркуляцію, яку забезпечує відцентровий насос. Рух рідини здійснюється через «сорочку охолодження» двигуна. При цьому відбувається охолодження двигуна і нагрів охолоджуючої рідини. Напрямок руху рідини в "сорочці охолодження" може бути поздовжнім (від першого циліндра до останнього) або поперечним (від випускного колектора до впускного).

В залежності від температури рідина циркулює по малому або великому колу. При запуску двигуна сам двигун і охолоджуюча рідина в ньому холодні. Для прискорення прогріву двигуна охолоджуюча рідина рухається по малому колу, минаючи радіатор. Термостат при цьому закритий.

По мірі нагріву охолоджуючої рідини термостат відкривається, і охолоджуюча рідина рухається по великому колу - через радіатор. Нагріта рідина проходить через радіатор, де охолоджується зустрічним потоком повітря. При необхідності рідина охолоджується потоком повітря від вентилятора.

Після охолодження рідина знову надходить у «сорочку охолодження» двигуна. У ході роботи двигуна цикл руху охолоджуючої рідини багаторазово повторюється.

На автомобілях c турбонаддувом може застосовуватися двоконтурна система охолодження, в якій один контур відповідає за охолодження двигуна, інший - за охолодження надувного повітря.

2. Розрахунок елементів система охолодження виконується на основі визначення кількості теплоти, яка відводиться від двигуна за одиницю часу, кДж/с:

де Н_и - найнижча теплота згоряння палива, кДж/кг; С_пал - годинна ви­трата палива, кг/год.

Для рідинної системи охолодження одним із основних елемен­тів є рідинний насос. Його розрахункову продуктивність знайдемо за формулою:

де η_{п н} - коефіцієнт подачі насоса, η_{п н} =0,8...0,9; V_рід - циркуляційна

витрата охолодної рідини, м³/с.

У свою чергу, циркуляційні витрати охолодної рідини в системі двигуна, м³/с:

Де ρ_рід ^- густина охолодної рідини, кг/м³; С_т - середня теплоємність

охолодної рідини, Дж/(кг К); Δt_рід - температурний перепад охолодної

рідини у радіаторі, який звичайно складає (6...12)°С.

Потужність, яка потрібна для приводу рідинного насоса:

де Р _рід- натиск рідини, який створюється насосом, р_рід = 0,12-10⁶ Па т - механічний ККД рідинного насоса, η_м =0,8...0,9.

Розрахунок рідинно-повітряного радіатора зводиться, в основному, до визначення його поверхні охолодження (м²), необхідної для передачі теплоти від охолодної рідини повітрю:

де Q_охол - кількість теплоти, яка відводиться в систему охолодження, кДж/с; К - коефіцієнт теплопередачі радіатора, Вт/(м²К); t_сер._рід - середня температура рідини у радіаторі, °С; t_{сер.пов} ~ середня температура повітря, яке проходить через радіатор, °С.

Коефіцієнт теплопередачі К у формулі має комплексну будову:

де α_рід - коефіцієнт тепловіддачі від рідини до стінки радіатора, δ₁ - товщина стінки трубки радіатора, м; λ₁ - коефіцієнт теплопровідності металу трубок радіатора, α_пов - коефіцієнт тепловіддачі від стінок радіатора до повітря, Вт/(м² К).

Звичайно К за даними дослідження складає для легкових автомобілей (80...100); для вантажних - (140...180), Вт/(м² К).

Середня температура охолодної рідини у радіаторі приймається у межах: t_серрід =85...92°С.

Середня температура повітря: t_серлов =50...55°С.

У двигунів із системами рідинного охолодження звичайно застосовуються осьові вентилятори. Розрахунок вентилятора зводиться до визначення його основних параметрів: діаметра вентилятора, частоти його обертання, потужності, яка витрачається на його привід.

Кількість повітря, яке проходить через радіатор, рекомендується визначати із рівняння теплового балансу, м³/с:

де р_пов - густина повітря, яка визначається за параметрами навколиш­нього середовища, кг/м³; с_м - середня теплоємність повітря,

кДж/(кг-К); Дг_пов - температурний напір повітря у радіаторі, Δt_пов=(20...30)°С.

Потужність, витрачену на привід вентилятора, слід визначити за залежністю:

де Δ р _тр - гідравлічний опір повітря, який складається із витрат на тертя

та з місцевих витрат,Δ р _тр = (0,6...1,0)10³, Па; η_в - ККД вентилятора, для осьових клепаних вентиляторів η_в =0,32... 0,4, для литих 77_в =0,55...0,65.

Звичайно, ця потужність складає (7...14)% від номінальної потужно­сті двигуна.

Діаметр вентилятора, м:

V_пов - кількість повітря, яке проходить через радіатор, м /с; W_П0В - швидкість повітря перед фронтом радіатора без обліку швидкості руху автомобіля, м/с, W_П0В =(6...24).

Частоту обертання n_вент приймають, виходячи із граничного значення його колової швидкості, яка дорівнює n_вент =70... 100 м/с.

Колова швидкість залежить від напору вентилятора та його конс­трукції, м/с:

де φ_л - коефіцієнт, який залежить від форми лопатей (для плоских ло патей φ_і =2,8...3,5; для криволінійних φ_л =2,2...2,9);

Частота обертання вентилятора при відомій коловій швидкості, хв ¹

Для двигуна з повітряним охолодженням розрахунок системи зводиться до визначення площин поверхонь охолодження ребер цилін­дра та головки двигуна. Кількість охолодного повітря, яке повинно пода­ватись вентилятором, визначається із значення теплоти Q_0Х0Л:

де t_поввх - температура повітря, що входить у міжребровий простір, t_поввх=20°С; t_пов._вих - температура повітря, що виходить з нього, t_поввх = (80...100)°С.

Поверхня охолодження ребер циліндра

де Q _цил ~ кількість теплоти, яка відводиться повітрям від циліндра двигуна, Дж/с; К_в - коефіцієнт тепловіддачі поверхні циліндра, Вт/(м²К); t_цил.о - середня температура у підвалині ребер циліндра, °С; t_поввх - середня температура повітря у міжребровому просторі циліндра, °С.

За даними експериментів середня температура у підвалинах ребер циліндрів складає, °С:

у ребер з алюмінієвих сплавів 130...150;

у ребер із чавуну 130...180.

Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К):

де t_сер - середнє арифметичне температур ребра та повітря, що обдуває, °С; W_П0В - швидкість повітря у міжребровому просторі, м/с.

Середня швидкість повітря у міжребровому просторі циліндра та його головки приймається рівною W_П0В =20...50 м/с при діаметрі циліндра D-75... 125 мм та W_ПОВ=50...60 м/с при D = 125...150 мм.

де Q_Г0Л - кількість теплоти, яка відводиться повітрям від головки цилін дра, Дж/с; t_гол - середня температура у підвалинах ребер головки, °С

Поверхня охолодження ребер головки циліндра:

Середня температура у підвалинах ребер головки г_Г0Л, °С:

із алюмінієвих сплавів 150...200

із чавуну 160...230.

Підбір та розрахунок вентилятора для двигуна з повітряним охоло­дженням має ряд особливостей, і приклад такого розрахунку можна знайти в літературі, яка присвячена тільки таким двигунам.