Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Выбор рациональных аэродинамических параметров системы охлаждения двигателя легкового автомобиля
Петров Кирилл Анатольевич
Ижевск 2012
Работа выполнена в Курганском государственном университете на кафедре "Автомобили".
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Шпитко Георгий Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Филькин Николай Михайлович
кандидат технических наук, доцент Громовой Сергей Владимирович
Ведущая организация: ООО "Испытательно- технический центр "ТЕСТ-Сервис""
Защита состоится 9 февраля 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03при ГОУ ВПО Ижевский государственный технический университет,426069, г. Ижевск, ул. Студенческая 7, корп. 5, e-mail: dissovet@istu.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.
Автореферат разослан " 27 " декабря 2012г.
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направить на имя учёного секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Ю.В. Турыгин
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Значительная доля мощности двигателя легкового автомобиля затрачивается на приведение в действие системы охлаждения. Большая часть таких затрат явно не оправдана. Недооцениваются потери связанные с несовершенной конструкцией воздушной части системы охлаждения. Часто встречаются конструкции, где вопрос эффективности системы охлаждения решается экстенсивным способом, что приводит к большим затратам мощности, к увеличению массы и габаритов элементов системы охлаждения и т.д. Часто проблемы связанные с работой системы охлаждения решаются на заключительной стадии проектирования методом "проб и ошибок".
Снижение аэродинамического сопротивления автомобиля за счет изменения формы кузова практически исчерпало свои возможности. Необходимо рассматривать вопросы аэродинамики автомобиля, связанные с прохождением воздуха через воздушный тракт системы охлаждения. Данный вопрос мало изучен.
Оптимизация системы охлаждения может быть возможна только при условии точного определения тепловыделения двигателя на всех режимах эксплуатации. В настоящее время проблематично с достаточной точностью вычислить тепловыделение двигателя. Существующие методики не позволяют рассчитать тепловыделение двигателя, работающего под различной нагрузкой. Для получения точных данных необходимо проведение экспериментов.
Ужесточаются требования, предъявляемые к системе охлаждения автомобиля. Она должна быть эффективной во всех режимах эксплуатации автомобиля. Например, она должна выполнять свои функции как при движении по скоростной магистрали, где подача охлаждающего воздуха осуществляется, в основном, за счет набегающего потока, так и при движении в городских пробках, где воздух поступает в систему охлаждения, в большей степени, за счет использования вентиляторной установки.
Цель работы. Оценка и совершенствование параметров системы охлаждения двигателя легкового автомобиля, решение практических задач связанных с проектированием и доводкой.
Задачи исследования. Сформулированная цель и анализ проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследования:
1. Исследовать влияние воздуха, проходящего через систему охлаждения, на аэродинамическое сопротивление автомобиля.
2. Усовершенствовать методику расчета тепловыделения двигателя.
3. Исследовать влияние конструктивных параметров сердцевины радиатора на его аэродинамические характеристики.
4. Исследовать возможности применения вентиляторных установок различных конструктивных решений.
5. Провести экспериментальные исследования различных конструкций вентиляторных установок и выяснить их влияние на эффективность системы охлаждения. Определить пути совершенствования вентиляторных установок, с целью оптимизации параметров системы охлаждения.
6. Разработать методологию проектирования "воздушной части" системы охлаждениядвигателя легкового автомобиля.
Научная новизна. Разработаны две математические модели системы "воздухозабор - воздушный тракт системы охлаждения - выпуск". Первая позволяет исследовать аэродинамические свойства системы охлаждения, определять скорость воздуха перед радиатором при движении автомобиля за счет набегающего потока воздуха. Вторая - позволяет определять долю аэродинамического сопротивления системы охлаждения в общем аэродинамическом сопротивлении автомобиля. Разработана методология проектирования воздушной части системы охлаждения двигателя легкового автомобиля для обеспечения заданной эффективности системы при снижении затрат мощности для подачи охлаждающего воздуха за счет использования набегающего воздуха и вентилятора.
Практическая ценность. Усовершенствована методика расчета тепловыделения двигателя, что позволяет с достаточной точностью определять температурный запас системы охлаждения на всех режимах эксплуатации автомобиля на ранних стадиях проектирования. Разработана конструкция вентиляторной установки с жесткими клапанами с принудительным их открытием и закрытием. По сравнению с аналогичной вентиляторной установкой с неполным охватом кожухом радиатора, разработанная конструкция способствует более рациональному использованию набегающего потока и имеет значительно большую производительность. Обладает более высокими характеристиками по сравнению с существующими аналогами.
Методы исследований. В основу исследований положено математическое и физическое моделирование. Исследования опираются на современную теорию аэро- газодинамики. Численные эксперименты были проведены с использованием программного модуля CosmosFloWorksEFD-системы. Практические исследования базировались на аэродинамических методах проведения стендовых экспериментов.
Достоверность и обоснованность. Все исследования опираются на фундаментальные и прикладные познания современной аэро- газодинамики. Достоверность полученных в диссертационной работе данных подтверждается согласованностью теоретических и экспериментальных результатов полученных автором и другими исследователями в лабораторных и дорожных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель, позволяющая определять скорость воздуха перед радиатором при движении автомобиля за счет набегающего потока воздуха; охлаждение двигатель автомобиль
- математическая модель, позволяющая определять долю аэродинамического сопротивления системы охлаждения в общем аэродинамическом сопротивлении автомобиля;
- уточненная методика определения тепловыделения двигателя легкового автомобиля;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению рациональных параметров составляющих элементов системы охлаждения двигателя легкового автомобиля.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на IVвсероссийской научно-технической конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса", г. Екатеринбург, 2006г.; Международном симпозиуме "Автотракторостроение-2009", г. Москва, 2009г.;I Международном симпозиуме "Фундаментальные проблемы науки", г. Москва, 2010г.; Международной научно-технической конференции ААИ "Автомобиле- и тракторостроение в Росси: приоритеты развития и подготовки кадров", г. Москва, 2010г.; IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса", г. Екатеринбург, 2011г.
Публикации. Материалы диссертационной работы представлены в 12 научных публикациях, в том числе 3 статьях по списку, рекомендованному ВАК, 5 тезисах научных докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка использованных источников. Общий объем работы 159 страниц, включая 148 страниц основного машинописного текста, содержащего 69 рисунков, 1 таблицу. Список использованных источников включает 108 наименований на 11 страницах.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определен объект исследований, определена основная цель работы.
В первой главе проведен анализ выполненных ранее исследований, связанных с подачей охлаждающего воздуха для обеспечения работы системы охлаждения двигателя легкового автомобиля, и влиянием этого потока на "аэродинамику" автомобиля. В их числе Э.Е. Хмельницкий, А. Гостелли, К. Тику, Ф. Тенкел, Б. Лехман, А. Какинама, В.Я. Гилев. Вопросами, связанными с влиянием внутренних потоков на аэродинамику автомобиля, занимались В.-Г. Гухо, Е.В. Михайловский, А.Н. Евгафов, Е.В. Королев, Е.В. Ильин, В.В. Бурков, А.И. Индейкин, Н.Н. Бурдастов, Е.Е. Систейкина, М.А. Васильев.
Проведенный анализ работ позволяет сделать следующие выводы:
1. Взаимодействие автомобиля с обтекающим его воздухом, а также взаимосвязь внутренних и внешних потоков и их влияние на аэродинамику являются наиболее сложными вопросами аэродинамики.
2. Характеристики радиаторов и вентиляторов, установленных на автомобиль, не соответствуют тем, которые получены в лабораторных условиях.
3. Для повышения эффективности системы охлаждения используются различные способы интенсификации теплоотдачи радиатора. Целесообразность этих мероприятий не проверяется.
4. Совершенствование системы охлаждения возможно только при условии точного определения тепловыделения двигателя на всех режимах эксплуатации. В настоящее время проблематично с достаточной точностью вычислить тепловыделение двигателя. Существующие методики не позволяют рассчитать тепловыделение двигателя, работающего под разной нагрузкой. Для получения точных данных необходимо проведение экспериментов.
Все перечисленные выше вопросы требуют тщательного анализа и являются задачами настоящего исследования.
Во второй главе моделируются процессы, происходящие при протекании воздуха через воздушный тракт системы охлаждения. Представлены результаты исследования влияния внутренней аэродинамики на аэродинамическое сопротивление автомобиля.
Для выбора рациональных параметров системы охлаждения, необходимо рассматривать проблему подачи охлаждающего воздуха комплексно, с учетом влияния внутренних и внешних факторов. Необходимо найти правильный баланс между возможностью подачи охлаждающего воздуха за сет набегающего потока воздуха и вентилятора, поскольку тот и другой способ сопровождаются затратами энергии. Особенностью легкового автомобиля является то, что оба эти способа одинаково важны.
Для решения этих проблем должны быть созданы математические модели, связывающие внутренние и внешние параметры системы "автомобиль - двигатель - система охлаждения двигателя".
С одной стороны подача воздуха через воздушный тракт системы охлаждения зависит от скорости движения автомобиля, а с другой стороны воздушный поток, протекающий внутри автомобиля, влияет на общую аэродинамику автомобиля. Наибольшее влияние на аэродинамическое сопротивление автомобиля оказывает количество воздуха протекающего через радиатор системы охлаждения. Вначале были определены факторы, влияющие на расход воздуха через радиатор под воздействием набегающего потока. Коэффициент расхода воздуха через воздушный тракт системы охлаждения равен:
.
Для определения параметров, влияющих на расход воздуха, использовалось уравнение Бернулли для двух сечений воздушного тракта в плоскости воздухозаборных отверстий и в плоскости выпускного отверстия на днище автомобиля (рисунок 1).
.
Без учета подогрева воздуха коэффициент расхода воздуха будет равен
(1)
а скорость воздуха через радиатор равна
,
где - коэффициент аэродинамического сопротивления воздушного тракта (воздухозаборных отверстий, предрадиаторной камеры, подкапотного пространства) и радиатора; , и - площади проходного сечения радиатора, впускных и выпускных отверстий, Vа-скорость автомобиля, м/с;, -коэффициенты статического давления на входе и на выходе из воздушного тракта.
Таким образом, скорость воздуха, протекающего через радиатор, зависит от коэффициента статического давления на входе и выходе из воздушного тракта, от сопротивления воздушного тракта и радиатора, размеров радиатора, впускных и выпускного отверстий.
На рисунке 2 показаны графики зависимости коэффициента расхода воздуха через воздушный тракт системы охлаждения от сопротивления воздушного тракта и радиатора .При больших размерах выпускного отверстия коэффициент расхода в большой степени зависит от сопротивления воздушного тракта и радиатора. Чем меньше , тем больше воздуха проходит через тракт. При уменьшении размеров выпускного отверстия коэффициент мало влияет на.
Как было сказано выше на аэродинамическое сопротивление автомобиля оказывает влияние воздушный поток, проходящий через воздушный тракт системы охлаждения. Силу лобового сопротивления системы охлаждения можно определить из уравнения сохранения количества движения: