Совершенствование методов проектирования сложных изделий машиностроения предполагает, в том числе, сокращение времени и трудозатрат на разработку и выпуск конструкторской документации. Это в полной мере относится к дизелям, разработка которых требует значительных предпроектных исследований. Среди их систем важная роль сохраняется за системой охлаждения, определяющей технический уровень не только самого дизеля, но и объекта, в состав которого он включен.
В статье рассмотрено изучение вопросов проблемы охлаждения мотоотсека в подкапотном пространстве, внедрение конструкции блока охлаждения двигателя с разнесенными поодаль друг от друга радиатором ОЖ и охладителем надувочного воздуха.
Ключевые слова: охлаждение, радиатор, блок охлаждения, расход.
Целью работы является:
‒ Проведение теоретических и экспериментальных исследований и разработка на их основе улучшенной конструкции системы охлаждения в части монолитного блока охлаждения грузового авто в подкапотном пространстве.
Поставлены следующие задачи:
‒ Теоретически и экспериментально исследовать влияние рабочих параметров агрегатов системы охлаждения (жидкостно-масляного теплообменника, вентилятора, охладителя) на показатели охлаждения грузового дизеля. Обосновать выбор наиболее эффективных схем и типов агрегатов, входящих в систему охлаждения.
‒ Экспериментально исследовать влияние параметров температуры охладителя наддувочного воздуха и радиатора охлаждающей жидкости на показатели системы охлаждения.
‒ Реализовать пути совершенствования системы охлаждения автомобиля.
Подкапотное пространство автомобиля — сложная система, в которой располагаются и работают системы автомобиля и их составляющие: двигатель, тормозная система, коробка перемены передач, и т. д. Эти системы автомобиля располагаются в подкапотном объеме и работают в условиях при определенной температуре. В этом пространстве источником тепла является двигатель. Тепло выделяется как самим двигателем, так и его системами. Особенно этому способствует система охлаждения. Теплота выделяется «источниками», которые неравномерно распределены по всему объему пространства. В областях подкапотного объема температура будет разной. У двигателей грузовых автомобилей диапазон установившегося температурного режима достаточно велик и составляет от 40 до 70 0С. В окружающую среду выделяется много тепла, часть из этого тепла тратится на нагрев узлов подкапотного пространства, а часть переносится в подкапотном объеме потоками воздуха. Потоки создают аэродинамическое сопротивление и снижают температурный режим работы двигателя а/м, что негативно сказывается на его характеристиках эксплуатации. Часть элементов подкапотного объема должна работать в определенном температурном диапазоне. При таких температурах достигаются оптимальные топливно- экономические и тягово-скоростные характеристики двигателя. Для поддержания определенной температуры двигателя в нужных пределах в системах охлаждения предусматривается термостат. При условиях эксплуатации его недостаточно: при движении авто при низких температурах внешней среды с маленькой нагрузкой, температура двигателя выходит за пределы режима. Чтобы выяснить реальные температурные условия работы подкапотного пространства было проведено ряд экспериментов. Для этого объем подкапотного пространства оснастили датчиками температуры — термопары ХА (хромель-алюмель) и многоканальная измерительная система Almemo 5690–2, точность измерения
1,0 0С. Термопары имеют достаточно низкие значения показателя тепловой инерции — до 3 секунд. Датчики подключали к устройству контроля температуры (измерительная система тягово-динамического стенда фирмы «Froude Hofmann» тип 01950), которое позволяло снимать результаты с 8 каналов. Предел погрешности измерения входного параметра (без учета погрешности датчика) составляет ±0,5 %.
Устройство контроля температуры подключали к компьютеру, который принимал сигналы датчиков. Сигналы датчиков фиксировались с интервалом в 5 секунд, так как это обусловлено показателем тепловой инерции датчиков. Изначальная температура двигателя составляла около 20 0С. Результаты регистрировались в течение 33 минут. За это время двигатель успевал нагреться, и несколько раз был включен вентилятор системы охлаждения.
Форма зависимости формируется в основном наличием разного рода препятствий на пути движения воздушных потоков. Проведя анализ, можно сделать вывод: чем выше скорость движения автомобиля, тем температура в областях подкапотного объема становится близкой к температуре окружающей среды. Если учесть теплый период, когда температура окружающей среды высока и элементы подкапотного пространства прогреваются до большой температуры, то «продувание» подкапотного объема, в результате которого понижается температура, будет полезным, но в холодных условиях, отрицательная температура скажется негативно на работе отдельных узлов и элементов. Сравнивая зависимости в режимах исследования можно предположить, что ни одна точка подкапотного пространства не сохраняет свою температуру постоянной. В реальных условиях наблюдается все описанные выше зависимости. Большое число элементов подкапотного пространства изготовлены из резинотехнических материалов, для которых решающую роль на ресурс оказывают процессы старения. Главными факторами старения являются температура и время. Перепады температуры могут привести к снижению ресурса изделий. Воздух оказывает негативное влияние и на двигатель: воздух, подогретый радиатором, обдувает двигатель и его узлы, при этом температура поверхности двигателя, которая находится рядом с радиатором, понижается, а с противоположной стороны двигатель нагревается от выпускного коллектора, температура которого выходит за пределы рабочей температуры двигателя. В результате разницы температур в материале узлов двигателя могут возникать напряжения, которые негативно сказываются на их работе.
Испытания проводились на тягово-динамическом стенде фирмы «Froude Hofmann» тип 01950. Автомобиль нагружался тормозным устройством стенда до режима максимальной мощности двигателя. Передняя часть автомобиля обдувалась воздушным потоком, имитирующим движение автомобиля со скоростью 30 км/ч. Термостаты системы охлаждения принудительно не блокировались, система охлаждения двигателя заполнялась жидкостью марки ОЖ-40 «Лена».
Был рассмотрен блок охлаждения, включающий в себя радиатор и охладитель наддувочного воздуха, выполненный в монолитной конструкции. Была построена 3D модель данного блока и были произведены расчеты в программе NX [1]. При данной схеме с помощью термопар на определенном режиме были получены следующие значения распределения температур воздуха:
Нагревающая мощность подводимая к охладителю наддувочного воздуха — 50 кВт,
Нагревающая мощность подводимая к радиатору — 150 кВт,
Температура воздуха на входе +50 °С,
Усредненная температура после первого радиатора +58,5 °С,
Усредненная температура после второго радиатора +80,4°С.
Значимость элементов системы по сопротивлению потоку воздуха распределяются следующим образом:
- Радиатор и охладитель наддувочного воздуха.
- Решетка заборная.
- Двигатель затрудняющий свободный выход воздуха за вентилятором.
Выводы по результатам расчета исходной конструкции.
При внесении в модель данных по характеристикам компонентов, без учета потерь, были выявлены признаки недостаточности эффективности системы охлаждения.
Причинами этого может быть:
- Более низкая производительность вентилятора, установленного на автомобиле, по причине не соответствия каких- либо параметров при работе.
- Более высокая теплоотдача от двигателя.
- Недостаточно корректный расчет.
Определены направления для увеличения количества охлаждающего воздуха:
‒ Снижение сопротивления охладителя наддувочного воздуха за счет организации дополнительных окон для прохода воздуха к основному радиатору;
‒ Увеличение площади проходного сечения заборной решетки;
‒ Более эффективное продувание всей площади радиатора за счет уменьшения «затененных» мест;
‒ Снижение противодавления от поверхностей двигателя за вентилятором. Расчет теплового баланса со снижением расхода воздуха с 6,3 до 4,1 м3/с при сохранении данных по теплоотдаче двигателя 200 кВт. оказался близок к полученным экспериментальным данным.
Теплота, подводимая к ОНВ — 83 кВт;
Теплота, подводимая к основному радиатору — 250 кВт;
Температура окружающего воздуха +25°С.
Рис. 1. Зависимость температуры охлаждающей жидкости от температуры
Рис. 2. Зависимость температуры охлаждающей жидкости по времени
Вывод:
Конструкция, полученная из расчетов, блока охлаждения согласно расчетам снижает температуру основного радиатора на 8,8°С.
Повысилась температура охладителя надувочного воздуха на 13,8°С. При необходимости расход через него может быть увеличен за счет перекрытия каналов обхода воздухом. Общий расход воздуха увеличился на 9,5 %.
Литература:
- Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. / Р. И. Галлагер, — М.: Мир, 1984. -428 с.
