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.

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.