Основные параметры системы

Исходной величиной для расчета элементов системы ох­лаждения является количество теплоты, которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду. На основании данных испытаний двигателей жидкостного охлаждения раз­личных типов удельное количество теплоты q_oxл [в кДж /(кВт·ч)] имеет следующие значения.

Двигатели с принудительным зажиганием.. 2840-5700

Дизели:

быстроходные.......................................... 2270-3700

тихоходные.............................................. 1890-3130

Меньшие значения относятся к более быстроходным двига­телям с большими мощностями и с меньшей интенсивностью охлаждения, а также к двигателям с наддувом; большие - к двухтактным двигателям небольшой мощности. Эти величины от общего количества теплоты, введенной в двигатель с топли­вом, составляют соответственно 18-35, 13,2-19,2 и 10-18,2%. При воздушном охлаждении их значения уменьшаются на 15-18%.

Количество теплоты Q, передаваемое от газов охлаждающе­му телу в единицу времени,

(167)

где и - средние за время теплообмена коэффициенты те­плоотдачи соответственно от газов нагреваемой стенке и от стенки охлаждающему телу; F_r и F_охл - средние площади со­ответственно нагреваемой и охлаждаемой поверхностей; Т_г и Тохл ^_ средние температуры соответственно газов и охлаждаю­щего тела; и - соответственно средний коэффициент тепло­проводности и толщина стенки.

Из уравнения (167) видно, что количество передаваемой че­рез стенку теплоты зависит от рабочего процесса двигателя (влияние и Т_г), размеров цилиндров двигателей (влияние F_r, F_охл, ), материала стенок и интенсивности охлаждения (влия­ние , Т_охл и ). Если материалы деталей камеры сгорания, цилиндропоршневой группы и масла могут выдерживать высокие температуры, то необходимо для повышения топливной экономичности двигателей снижать теплоотвод в охлаждающую сре­ду повышением температуры охлаждающего тела и уменьше­нием площади, воспринимающей теплоту, охлаждаемых по­верхностей и коэффициента теплоотдачи. Это достигается выбором охлаждающего тела, величин и направления скоро­стей его относительно охлаждаемых поверхностей. Наоборот, при выборе менее жаро- и теплостойких материалов или форсирования рабочих процессов необходимо увеличивать теплоотвод, воздействуя на перечисленные выше параметры в обрат­ном направлении.

Удельное количество теплоты q_охл, отводимой в охлаждаю­щую среду, зависит от размеров цилиндров и отношения S/D, влияющих на относительные площади воспринимающих тепло­ту и охлаждаемых поверхностей (f_0XJl = F_0XJl/V_h) (рис 242), степени наддува, определяющей количество выделяющейся теплоты, приходящейся на единицу площади, воспринимающей теплоту (рис. 243). С увеличением частоты вращения q_охл

уменьшается вследствие сокращения времени нагревания сте­нок газами (если при этом не увеличивается период догорания и не возрастает средняя температура газов). При использова­нии высокотемпературного охлаждения снижается на 20-25% суммарный отвод теплоты (рис. 244) в охлаждающую среду и масло (хотя при этом, как правило, увеличивается отвод теплоты в масло) и до 50%-в охлаждающую среду, что очень важно для уменьшения размеров агрегатов систем охлаждения и охладителей.

Экономичность дизелей при этом повышается до 15% и вследствие некоторого улучшения рабочего процесса и увели­чения nм.

Эффективность теплоотвода в охлаждающую среду от сте­нок тем больше, чем меньше вязкость среды и чем выше ее плотность, теплопроводность и теплоемкость. Поэтому темпе­ратура деталей двигателей при охлаждении этиленгликолевыми жидкостями на 10-50°С выше, чем при водяном охлаждении.

При воздушном охлаждении интенсивность отвода теплоты от стенок снижается еще больше. Так, при неподвижных отно­сительно стенок воды и воздуха и при одинаковых ΔT коэффи­циенты теплоотдачи различаются в 30 раз, при движении со скоростью 1-3 м/с воды и 50 м/с воздуха они отличаются в 13-15 раз. При кипении воды интенсивность теплоотдачи превышает интенсивность теплоотдачи в воздух примерно в 40 раз. Поэтому для обеспечения допустимых температур деталей двигателей воздушного охлаждения отношение площадей поверхностей, воспринимающих теплоту от газов и отдающих ее охлаждающему воздуху, увеличивают до 14 раз путем оребрения наружных поверхностей.

Если масло охлаждается рабочим телом системы охлаждения, то величину q_охл необходимо увеличить на 1-4,5%, а при охлаждении маслом поршней - на 5-12,0%. При охлаждении наддувочного воздуха q_охл возрастает на 2-7,5%; при охлажде­нии корпусов турбокомпрессоров-на 2-5%.

Общее количество теплоты (в кДж/ч), отводимое в охлаж­дающую жидкость, можно определить из уравнения (167) или по формуле

(168)

Если данных о значениях и , входящих в выражение (167), или значениях q_охл нет, то для проектируемых четырех­тактных двигателей жидкостного охлаждения можно использо­вать уравнение

где с = 0,41-0,47; i- число цилиндров; D -диаметр цилиндров, см; т = 0,6 - 0,7; n и α - соответственно частота вращения ко­ленчатого вала и суммарный коэффициент избытка воздуха на режиме номинальной мощности.

При воздушном охлаждении значение Q можно оценить по уравнению

(168)

в котором коэффициент В для бензиновых двигателей и дизе­лей выбирают в пределах 0,28-0,33 и 0,25-0,3. С учетом теп­лоты, отводимой от масляного охладителя и картера, значение Q увеличивается на 4-10%.

Для конструирования систем охлаждения важное значение имеет величина подогрева ΔT охлаждающей среды. При малых значениях А Т детали охлаждаются более равномерно, что важ­но для обеспечения малых градиентов температур в деталях. Однако при малых подогревах для обеспечения необходимого теплоотвода увеличивается расход охлаждающего тела, вслед­ствие чего возрастают затраты мощности на привод насосов, вентиляторов, а также масса и размеры охладителей.

Вода может иметь температуру в пределах -2 ÷ -30°С; температура ее подогрева в двигателях во избежание выпаде­ния растворенных солей на охлаждаемых поверхностях не дол­жна превышать 40-50°С. Для обеспечения постоянной вели­чины ΔT к поступающей в двигатель воде добавляют

выходящую из двигателя нагретую воду в количествах, обеспе­чивающих температуру на входе в двигатель в пределах

20-27°С, a ΔT в пределах 15-40°С. В циркуляционных закрытых

системах форсированных и быстроходных двигателей величину

ΔT выбирают в пределах 5-10°С.

При более высокой температуре жидкости на выходе из двигателя не только снижается расход топлива, но и умень­шается коррозионный износ цилиндров, поэтому в циркуля­ционных системах ее повышают до 75-95°С.

При масляном охлаждении поршней, наличии специально подобранных зазоров между поршнем и цилиндром, использо­вании теплозащитных покрытий и масел с присадками темпе­ратуру жидкости можно повысить до 100°С и более.

В случае применения воды при высокотемпературном ох­лаждении систему охлаждения делают замкнутой и давление в ней повышают до 0,12-0,35 МПа. Ориентировочно зависи­мость температуры кипения воды от давления определяется формулой

где р - абсолютное давление в системе, МПа.

Температура окружающего воздуха может быть в пределах - 73÷ +57°С. Работу двигателей воздушного охлаждения в столь широком диапазоне температур обеспечить трудно, по­этому в расчетах температуру воздуха на входе в вентиляторы выбирают в пределах 40-55°С, а подогрев ΔT в пределах 20-80°С.

Для обеспечения работоспособности головок цилиндров, свечей, форсунок, а также масла интенсивность воздушного ох­лаждения должна обеспечить следующие температуры (в °С):

головки цилиндров:

из легких сплавов.............. 150-200

из чугунов.......................... 160-427

цилиндра...................................... 130-180

Ориентировочно коэффициент теплоотдачи [ в кВт/(м²·К)]

от ребер цилиндров можно оценить по эмпирическому уравне­нию (опыты Стантона)

где - средняя арифметическая температур наружной стенки цилиндра и воздушного потока; - средняя скорость воздуш­ного потока, м/с; -плотность воздуха в потоке, кг/м³; D₀ -наружный диаметр цилиндра, мм.

Значения α лежат в пределах 0,175-0,233 кВт/(м²К).