Система охлаждения необходима для принудительного отвода теплоты от горячих деталей двигателя и передачи ее в окружающую среду.

Исходная величина для расчета системы охлаждения – количество теплоты, которое необходимо отвести от двигателя в охлаждающую среду в единицу времени. Это количество теплоты можно определить из теплового баланса двигателя, или из эмпирических зависимостей типа

где q– удельное количество отводимой теплоты, кДж/(кВт–ч). Для карбюраторных двигателей q=2900...4300 кДж/(кВт–ч), для дизелей q =2300... 3600 кДж/(кВт–ч).

Количество отводимой теплоты зависит от ряда конструктивных факторов, таких как степень сжатия , отношение S/D, а также от частоты вращения п и от условий эксплуатации (состава смеси, угла опережения зажигания или угла опережения впрыскивания топлива). Для ориентировочных расчетов четырехтактных двигателей (Дж/с) можно подсчитать по эмпирической формуле:

,

где с=0,41...0,47 – коэффициент пропорциональности; i – число цилиндров; D – диаметр цилиндра, см; п – частота вращения коленчатого вала, об/мин; – коэффициент избытка воздуха; m=0,6...0,7 – показатель степени.

Систему охлаждения обычно рассчитывают для режимов работы двигателя N = N_eN и М_К=М_Кmах. Расчет системы жидкостного охлаждения сводится к определению основных размеров водяного насоса, площади поверхности радиатора и подбору вентилятора. При расчете системы воздушного охлаждения определяют площади поверхностей охлаждения ребер цилиндра и головки цилиндра.

Жидкостное охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости используют пресную воду и всесезонные низкозамерзающие жидкости (антифризы) на основе этиленгликоля и спиртоглицериновых смесей.

Вместимость системы жидкостного охлаждения (л) принимают на основе следующих соотношений: для тракторов – (0,5…0,7) ,для грузовых автомобилей – (0,27…0,8) , для легковых – (0,13…0,35) .

Рассмотрим расчет отдельных агрегатов системы охлаждения: радиатора, насоса охлаждающей жидкости и вентилятора. Расчет сводится к определению площади поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от воды к окружающему воздуху.

Расчет радиатора. Основные параметры радиатора: площадь поверхности охлаждения F_p (м²), омываемой воздухом; фронтальная поверхность радиатора (м²); глубина радиатора l (м), т. е. расстояние между передней и задней стенками его решетки по ходу воздушного потока (l = 0,06...0,15 м); коэффициент компактности радиатора , выражающий отношение охлаждающей поверхности к объему радиатора [ = 600...900 м²/м³]; коэффициент оребрения , определяемый отношением площадей поверхностей, омываемых воздухом и жидкостью ( = 3...6).

Площадь поверхности охлаждения радиатора F_P определяют из выражения:

,

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м^а–К); – средняя температура воды в радиаторе, К; – средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, К.

Коэффициент теплопередачи:

,

где –коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке радиатора, Вт/(м² К); – приведенный коэффициент теплоотдачи от стенок радиатора к воздуху, Вт/(м² К); и – соответственно толщина (м) и коэффициент теплопроводности (Вт/(м К) материала стенки радиатора; – коэффициент оребрения для трубчато–пластинчатых радиаторов ( =3...6).

Коэффициенты теплоотдачи и при вынужденном движении жидкостей или воздуха определяют из критериальных зависимостей вида:

,

где , Re, – соответственно критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.

Экспериментальные значения коэффициента = 2300... ...4100 Вт/(м²–К). Значение для трубчатых радиаторов может быть приближенно определено по формуле:

,

где – скорость воздуха, проходящего через радиатор, м/с.

Так как аналитическое определение коэффициента теплопередачи k сложно, то его значения принимают по опытным данным для дизелей 80…100 и для карбюраторных двигателей 140…180 Вт/(м²К). Необходимая массовая подача (кг/с) жидкости насосом через радиатор :

где – удельная теплоемкость циркулирующей жидкости [для воды – 4,178 Дж/(кг–К), для этиленгликолиевых смесей =2,093 Дж/(кг–К)]; – перепад температуры охлаждающей жидкости в радиаторе, К..

При принудительной циркуляции воды в системе температурный перепад = =6...12 К; принимают 353...368 К. Тогда с учетом принятых значений и можно определить среднюю температуру воды в радиаторе:

,

Для тракторных и автомобильных двигателей =358...365 К. Так как в радиаторе теплота передается от воды в окружающую среду, то .

Необходимая массовая подача (кг/с) воздуха вентилятором через радиатор:

,

где – удельная теплоемкость воздуха[ =1000 Дж/(кг–К)].

Температурный перепад ( 7) воздуха в решетке радиатора составляет 20...30 град; . принимают равной 313К. Тогда с учетом принятых значений и можно определить среднюю температуру охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:

,

Для тракторных и автомобильных двигателей =323...328 К. После подстановки в уравнение значений , , k и можно определить площадь поверхности радиатора (м²):

,

Фронтальная площадь поверхности решетки радиатора (м²), выполненная в виде квадрата, для получения коэффициента обдува, равного единице:

,

где = ; – плотность воздуха (кг/м³) при средней его температуре в радиаторе; – скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения машины ( =6...24 м/с).

Конструктивная компактность радиатора характеризуется объемным коэффициентом компактности:

где – объем решетки радиатора ( ), м ; здесь – глубина радиатора, м.

Для автомобильных радиаторов = 900...1100 м .

Глубина радиатора:

.

Для автомобильных радиаторов = 60...130 мм.

Для систем жидкостного охлаждения автотракторных двигателей удельная площадь поверхности охлаждения радиатора f =F_p/N_e (м²/кВт) и удельная емкость системы охлаждения =V_ж/N_e (л/кВт), где V_ж – полная емкость системы (л) равна следующим значениям:

для тракторов = 0,408...0,543, = 0,816...2,04;

для грузовых автомобилей = 0,204...0,408, =0,272...0,816;

для легковых автомобилей =0,136...0,313, = 0,613...0,354.

Расчет насоса охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость в системе охлаждения двигателей циркулирует, как правило, с помощью центробежных насосов с односторонним подводом жидкости.

Исходные данные для расчета: подача насоса V_ж (м³/с), создаваемый насосом напор Н (МПа) и частота вращения колеса п (об/мин).

Расчетная подача насоса:

,

где – объемный КПД насоса ( =0,7...0,85).

Напор, создаваемый насосом, полностью идет на преодоление гидравлических сопротивлений жидкостного тракта и у современных автотракторных двигателей составляет 0.03...0.10 МПа.

Необходимую на привод насоса мощность (кВт) определяют по формуле:

,

где – гидравлический КПД насоса, равный 0,4...0,7; – механический КПД насоса, равный 0,7...0,9.

Далее определяют основные размеры насоса, расчетная схема которого приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Расчетная схема крыльчатки водяного насоса.

Радиус входного отверстия крыльчатки:

,

где – скорость воды на входе в лопасти, м/с; – радиус ступицы крыльчатки, м.

Скорость воды на входе в лопасти принимают (из условий неразрывности струи воды) равной 1...2 м/с. Радиус ступицы колеса выбирают из конструктивных соображений в зависимости от диаметра вала d.

Приближенное значение радиуса выходного отверстия крыльчатки можно определить по формуле:

,

где g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

Остальные размеры насоса выбирают в следующих пределах: толщина лопаток = 3...5 мм; высота лопатки на входе =12...35мм; высота лопатки на выходе ₂= 10...25 мм; число лопаток z = 4...8.

Подбор вентилятора. Вентилятор необходим для создания направленного воздушного потока, отводящего теплоту от радиатора.

В системах жидкостного охлаждения современных автотракторных двигателей в основном применяют осевые вентиляторы, преимущественно пропеллерного типа с одним рабочим колесом. Лопасти пропеллера изготавливают из стали, алюминиевых (0,5...1,7)N_e, для грузовых автомобилей – (0,27...0,8)N_e, для плоских лопастей и 35...40° для выпуклых лопастей. Углы наклона лопастей изменяются от основания к вершине от 95 до 35°.

Для большинства существующих вентиляторов на рабочем режиме =0,1…2; = 0,05...0,09; = 0,3...0,38. Большие значения и соответствуют меньшим значениям .

Подача вентилятора (м³/с):

,

где q – удельное количество теплоты, отводимое от двигателя системой охлаждения, Дж/(кВт–с); N_e – эффективная мощность двигателя, кВт; с_В – теплоемкость воздуха при t=50°...55°С; – подогрев воздуха в радиаторе,.

Статическое давление, развиваемое вентилятором ( ),. расходуется на преодоление сопротивлений воздушного тракта ( )

где –коэффициент суммарного аэродинамического сопротивления трактат – скорость воздуха перед фронтом радиатора, м/с.

Для автотракторных двигателей =600...1000 Па.

Мощность (кВт), потребляемая вентилятором:

,

где – КПД вентилятора, равный для клепанных вентиляторов 0,3...0,4; для литых – 0,6...0,7.

Тип вентилятора определяют по условному коэффициенту быстроходности:

,

где – частота вращения вентилятора.

По найденному значению подбирают прототип вентилятора и уточняют его размеры.

Диаметр лопастей вентилятора (м):

,

где – скорость воздуха, проходящего через вентилятор
(13...30 м/с).

Вентиляторы у V–образных двигателей выбирают с большей подачей, чем у однорядных, из–за повышенных сопротивлений потоку воздуха в подкапотном пространстве. Более широкое распространение получают системы охлаждения с регулируемыми вентиляторами (регулируемый наклон лопастей, электромагнитные муфты, электропривод и др.).

Воздушное охлаждение.В двигателях с воздушным охлаждением теплота от цилиндров и их головок отводится охлаждающим воздухом, омывающим внешние оребренные поверхности этих деталей. Все охлаждаемые поверхности находятся на линии нагнетаемого воздуха. Для более равномерного охлаждения и уменьшения затрат мощности применяют дефлекторы – устройства для подачи потока воздуха с заданной скоростью и направлением. В первую очередь охлаждающий воздух подается в зону перемычки между гнездами клапанов, к свечам зажигания (в карбюраторных двигателях) или к форсункам (в дизелях).

Расчет системы воздушного охлаждения сводится к определению параметров оребрения и расчету вентилятора. За расчетный режим работы двигателя принимают режим максимальной, мощности, при котором теплоотдача в стенки достигает максимума.

Общее количество теплоты (Дж/с), которое необходимо отвести от двигателя через оребрения цилиндра и головки:

,

где В – коэффициент, определяющий долю теплоты, передаваемой площадью поверхности оребрения (для дизелей В=0,25...0,3; для карбюраторных двигателей В=0,28...0,33); N_e – эффективная мощность, кВт; g_e – эффективный удельный расход топлива, кг/(кВт ); Q_H – удельная низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг.

Площадь поверхности оребрения рассчитывают раздельно для головки и цилиндра. Принимают, что от головки цилиндра отводится 45...75%, а от цилиндра 25–55% общего количества отводимой от двигателя теплоты. При этом для дизелей =(0,45...0,6) , и =(0,45...0,55) ,; для карбюраторных двигателей = (0,6...0,75) и = (0,25...0,4) .

Необходимую массовую подачу вентилятором охлаждающего воздуха (кг/с) определяют из выражения:

,

где – средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале температур и , Дж/(кг–К); – температура входящего воздуха ( К); – температура выходящего воздуха ( =353...373 К).

Площадь поверхности охлаждения ребер цилиндра (м²):

,

где – коэффициент теплоотдачи поверхности оребрения, Вт/(м²–К); – средняя температура у основания ребер цилиндра, К.; – средняя температура воздуха в межреберном пространстве, К.

Площадь поверхности охлаждения ребер головки цилиндра:

,

где – средняя температура основания ребер головки, К; –температура воздуха в межреберном пространстве головки, К.

По статистическим данным, средняя температура составляет у основания ребер: из алюминиевых сплавов =403...423, =423...473 К; из чугуна =403...453, =433...5О3 К.

Коэффициент теплоотдачи [Вт/(м²–К)] можно определить по эмпирической зависимости, предложенной Стантоном:

,

где – среднее арифметическое температур ребра и обдувающего воздуха, К; – скорость воздуха в межреберном пространстве, м/с.

Среднюю скорость воздуха в межреберном пространстве цилиндра и его головки принимают 20...50 м/с при диаметре цилиндра D = 75...125 мм и 50...60 м/с при D= 125... 150 мм.

В автомобильных и тракторных двигателях высоту ребер цилиндра по окружности выполняют неодинаковой: меньшая – в направлении продольной и большая – в направлении поперечной оси двигателя, что позволяет уменьшить его длину и массу. Средние размеры ребер для автотракторных двигателей (рис. 4.2) составляют: высота h чугунного ребра 30...50 мм; алюминиевого – 35...70; расстояние l между чугунными ребрами 2,5..3, между алюминиевыми – 3...4; толщина чугунных ребер 2...4, алюминиевых – 1,5...2,5 мм.

Расстояние между цилиндрами двигателя L находят из выражения:

,

где – зазор между вершинами ребер; – номинальная толщина стенки цилиндра.

Суммарные потери давления в тракте:

где – сопротивление оребренных головок и цилиндров; – сопротивление направляющей части воздушного тракта; – потери от скорости воздуха, выходящего из межреберных каналов.

Рисунок 4.2. Расчетная схема оребрения двигателей воздушного охлаждения.

Ориентировочно потеря полного давления в воздушном тракте разных дизелей составляет750...1500 Па при диаметрах цилиндра меньше 100 мм и 1500...2500 Па при D= 100...150 мм.

Вентиляторы двигателей c воздушным охлаждением по конструкции значительно отличаются от вентиляторов при жидкостном охлаждении.

Основные различия: удельный расход охлаждающего воздуха при воздушном охлаждении в 1,5...2,5 раза меньше, а необходимый напор в 2...3 раза больше.

В двигателях с воздушным охлаждением применяют в основном осевые вентиляторы с направляющими или спрямляющими аппаратами, а в некоторых случаях – центробежные вентиляторы.

Исходные данные для расчета вентилятора: массовая подача вентилятора G_B (кг/с), сопротивление тракта H (Па), частота вращения колеса n_в (с ).

Объемная подача вентилятора:

где – плотность воздуха на входе в вентилятор, кг/м³; – объемный КПД вентилятора, зависящий от зазора между вершиной лопасти и кожухом и равный 0,95; – объемный КПД тракта, характеризуемый утечками воздуха в тракте ( =0,9...0,95).

Полное давление (Па), развиваемое вентилятором:

,

где – коэффициент реакции, равный 0,75...0,8.

Мощность, потребляемая вентилятором:

,

где – общий КПД вентилятора, равный ;

– гидравлический КПД вентилятора; –механический КПД вентилятора.