Воздушное охлаждение.
Поскольку коэффициент теплоотдачи от нагретых деталей двигателя в воздух примерно в 10-20 раз меньше, чем при жидкостном охлаждении, то для обеспечения требуемого теплорассеивания при воздушном охлаждении приходится применять оребрение цилиндров и их головок. Наличие ребер в 15-20 раз увеличивает наружную поверхность охлаждаемых деталей и позволяет обеспечить поддержание нормального теплового состояния двигателя.
Ребра на поверхности цилиндра и головки образуются при их отливке или могут быть получены путем механической обработки. Форма, число и расположение ребер обусловлены распределением и интенсивностью тепловых потоков через детали и оказывают весьма существенное влияние на их тепловое состояние.
Наибольшую площадь оребрения обычно имеют головки цилиндров, через которые отводится до 50-70% теплоты.
На современных двигателях воздушного охлаждения чаще всего используются трапециевидные ребра (рис. 6 б), которые более удобны в производстве и в то же время имеют высокую тепловую эффективность. Толщина ребер обычно составляет 2—4 мм, а длина колеблется от 50—70 мм в головке до 20—30 мм на поверхности цилиндра. Дальнейшее увеличение длины ребер не дает существенного повышения их теплорассеивающей способности, так как вследствие роста термического сопротивления теплоотдача от наиболее удаленных участков уменьшается.
![]() |
Рис. 6 Конструкция охлаждающих ребер:
а - прямоугольное; б - трапециевидное; в - треугольное.
Тепловая эффективность оребрения зависит от шага ребер. При уменьшении шага увеличивается гидравлическое сопротивление движению воздуха и в случае недостаточного напора уменьшается его циркуляция в межреберном канале. Увеличение шага ребер уменьшает гидравлические сопротивления, но зато сокращает их число и общую теплорассеивающую поверхность. Оптимальным можно считать расстояние между ребрами 4-8 мм
Для обеспечения надежного охлаждения необходимо, чтобы скорость движения воздуха в межреберном канале составляла 25- 40 м/сек. В этом случае обеспечивается необходимая турбулизация воздуха, уменьшается ламинарный пограничный слой на поверхности ребер и увеличивается коэффициент теплоотдачи.
Для снижения затрат мощности на привод вентилятора конструкция оребрения должна обеспечить наилучшее использование охлаждающего воздуха, т. е. его максимальный нагрев в межреберном канале. Последнее помимо целесообразной конструкции оребрения достигается рациональной организацией циркуляции воздуха в системе, что обеспечивается применением экранов, отражателей, направляющих ребер и рефлекторов. Кроме выполнения этой функции указанные элементы играют большую роль в обеспечении требуемой равномерности охлаждения различных участков оребрения.
На рис. 7 показаны схемы организации циркуляции воздуха в двигателях воздушного охлаждения.
Как можно видеть из рисунка наличие дефлекторов вокруг каждого цилиндра уменьшает сечение для входа воздуха в систему оребрения. За счет этого ограничивается количество воздуха, входящее в межреберные каналы каждого цилиндра, и предотвращается его повышенный расход. Кроме того, дефлекторы не позволяют воздуху свободно выходить из межреберного канала и увеличивают путь, на котором совершается теплоотдача.
Наличие дефлекторов улучшает также охлаждение тыльной стороны цилиндра, которая находится в наиболее неблагоприятных условиях.
Поскольку нормальное воздушное охлаждение требует высоких скоростей воздуха, то для обеспечения его циркуляции применяются только высокоэффективные осевые вентиляторы с большим числом профилированных лопаток. Полный напор таких вентиляторов составляет 100-240 мм вод. ст. и обеспечивается за счёт относительно высоких окружных скоростей вращения крыльчаток.
Вентиляторы двигателей с воздушным охлаждением, как правило, имеют неподвижный кожух и иногда выполняются с направляющим и спрямляющим аппаратами. В некоторых конструкциях применяются центробежные вентиляторы.
В зависимости от компоновочных условий вентиляторы могут устанавливаться для работы на нагнетание или отсасывание воздуха. В последнем случае объёмная производительность вентилятора, через который проходит горячий воздух, должна быть увеличена, что при разных аэродинамических сопротивлениях воздушного тракта приводит к повышенной затрате мощности.
![]() |
![]() |
Рис. 7. Схемы организации циркуляции воздуха в двигателях воздушного охлаждения: а - однорядного; б - двухрядного; 1 - дефлектор; 2 - масляный радиатор. |
4. Расчёт системы охлаждения.
Система охлаждения обычно рассчитывается для номинального режима работы двигателя, причём температура окружающей среды принимается равной 40. Системы охлаждения машин, специально предназначены для эксплуатации в тропическом климате, рассчитываются при
. Температура жидкости на выходе из двигателя принимается 90-95 °С.
Расчётное количество теплоты которое должно отводится системой охлаждения, определяется по формуле:
где - относительное количество теплоты, отводимое системой охлаждения;
- удельный расход топлива на номинальном режиме,
;
- номинальная мощность двигателя;
- низшая теплота сгорания топлива.
Относительное количество теплоты , отводимое системой охлаждения, можно найти по данным теплового баланса для подобного двигателя или принять по ориентировочным статистическим данным в пределах: 0.20-0.30 – для карбюраторных двигателей, 0.18-0.25 – для дизелей.
где - коэффициент теплопередачи радиатора
- площадь теплорассеивающей поверхности радиатора,
,
- средняя температура жидкости и воздуха соответственно,
Требуемая поверхность охлаждения радиатора определяется из уравнения теплопередачи:
Величину коэффициента теплопередачи находят по данным тепловых исследований решеток радиатора.
Перепад средних температур при первоначальном определении можно принимать в пределах
Площадь лобовой поверхности радиатора может быть найдена по формуле:
где - коэффициент компактности сердцевины радиатора, равный 600-950 1/м;
- глубина радиатора, м.
Глубину радиатора определяют с учетом указанных выше рекомендаций относительно числа рядов трубок и выбранного их типоразмера. Обычно глубина радиаторов автомобильного типа составляет 40-80 мм, а глубина решеток сердцевины тяжелых колесных и гусеничных машин — 80- 130 мм.
Учитывая требования компоновки радиатора в моторном отсеке, принимают относительную высоту радиатора и определяют размеры его сердцевины:
Высоту:
Ширину:
По найденным размерам сердцевины вычисляется общее число трубок радиатора:
где - шаг трубок по фронту, м
- число рядов трубок.
Расход воздуха через радиатор:
Температура воздуха на выходе из радиатора:
где - температура на входе в радиаторе,
;
;
- средняя теплоемкость воздуха при постоянном давление.
Требуемый расход охлаждающей жидкости находят по уравнению:
где - площадь поперечного сечения трубки радиатора,
;
- скорость жидкости в трубках радиатора, равная 0.7-1 м/с;
- удельный вес жидкости,
Температура жидкости на выходе из радиатора определяется по формуле:
где - температура жидкости на входе в радиаторе, равная 90-95
;
-
;
Зная температуру воздуха и жидкости, можно определить действительный средний температурный перепад:
В заключение расчета целесообразно проверить действительную теплорассеивающую способность радиатора:
Если , найденного по формуле (4.17), необходимо скорректировать ранее принятое значение температурного перепада и повторить расчет поверхности радиатора.
Вместимость системы охлаждения можно найти исходя из условий 4-12-кратной циркуляции в жидкостном контуре, а также по эмпирической удельной емкости:
-для легковых автомобилей:
-для грузовых автомобилей:
Расчет жидкостного насоса при учебном проектировании может быть ограничен выбором его размеров, определением скорости вращения и потребляемой мощности.
Окружная скорость на внешнем диаметре крыльчатки насоса определяется по формуле:
где ,
- углы между направлениями скоростей жидкости на выходе из колеса и окружной скорости;
- расчетный напор насоса, равный 5-15 м вод.ст;
- гидравлический к.п.д. насоса;
Приняв на основании статистических данных наружный диаметр крыльчатки , число ее оборотов можно найти из соотношения:
Мощность, потребляемая насосом:
где - коэффициент подачи насоса;
- общий к.п.д. насоса, обычно равный 0.45-0.6.
Исходными данными для расчета вентилятора являются его производительность и полный набор напор:
(4.32)
где - аэродинамическое сопротивление радиатора(205…600 Н/м2)
- аэродинамическое сопротивление моторного отсека, которое можно принимать равным
.
Секундная производительность вентилятора:
где - расход воздуха, кг/ч;
- удельный вес воздуха, кг/м3 ;
Потребная окружная скорость на периферии лопаток рабочего колеса может быть найдена из уравнения:
где
- безразмерная коэффициент напора вентилятора. Коэффициент напора автомобильных вентиляторов составляет:
-для штампованных лопастей
-для литых профилированных лопастей
Наружный диаметр вентилятора лучше всего принимать равным наименьшему размеру лобовой поверхности радиатора
или
или близким к нему.
Необходимое число оборотов вентилятора:
Диаметр втулки вентилятора можно найти из соотношения:
где - относительная осевая скорость воздуха в вентиляторе, обычно равная 0.2-0.3 для штампованных и 0.30-0.45 для литых профилированных лопастей.
Угол наклона лопастей обычно принимается равным 30-400 , а ширина лопасти – 50-80 мм.
Мощность, потребная вентилятором на расчетном режиме:
где - к.п.д. вентилятора, равный для штампованных лопастей 0.2-0.4 и для литых профилированных лопастей – 0.55-0.65.
Потери на привод вентилятора не должны превышать 5-8% номинальной мощности двигателя.
Дата добавления: 2017-02-13; просмотров: 6182;