,
кроме этого сила равна
,
где - коэффициент лобового сопротивления связанный с прохождением воздуха через систему охлаждения.
Была получена следующая зависимость:
(2)
Чем больше воздуха протекает через воздушный тракт системы охлаждения, тем большебудет коэффициент аэродинамического сопротивление автомобиля. Кроме этогокоэффициент аэродинамического сопротивления зависит от относительной площади впускных и выпускного отверстий (рисунок 3).
Избыточное поступление воздуха через воздушный тракт приводит к неоправданному росту аэродинамического сопротивления автомобиля. Потребное количество воздуха для охлаждения двигателя легкового автомобиля определяется для всех режимов эксплуатации автомобиля. Для реализации заданной потребности необходимо найти оптимальный баланс, подачи воздуха за счет набегающего потока и вентилятора. Обеспечивая необходимый теплоотвод за счет набегающего потока на максимальной скорости, расход набегающего воздуха может быть избыточным на меньших скоростях движения, когда тепловыделение двигателя небольшое. В этом случае может быть предусмотрено принудительное регулирование расхода воздуха за счет ограничения проходного сечения воздухозаборных или выпускного отверстий. Доля внутреннего потока воздуха в общей аэродинамике автомобиля может быть снижена за счет более рационального использования этого потока для охлаждения радиатора.
Следующей задачей, решаемой в работе, было усовершенствование методики расчета тепловыделения двигателя легкового автомобиля. Зная величину тепловыделения двигателя на любом режиме, можно найти оптимальный баланс между использованием набегающего потока и вентилятора.
Нагрузка на двигатель в различных условиях эксплуатации меняется в широких пределах, вместе с этим изменяется и тепловыделение двигателя, например, движение автомобиля на подъем при езде с прицепом или движение с максимальной скоростью могут происходить при одинаковых оборотах коленчатого вала, но тепловыделение двигателя при этих режимах будет разным. В настоящий момент нет методики для расчета тепловыделения двигателя при таких режимах. Поэтому предлагается методика, основанная на теоретических и экспериментальных данных, позволяющая рассчитывать тепловыделение двигателя при любой нагрузке. Достаточно знать эффективный расход топлива.
Теплота, передаваемая охлаждающей среде равна:
(3)
где c=0,42 - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей; i - число цилиндров; D - диаметр цилиндра, см; n - частота вращения двигателя, мин-1; mЧ= -0,00003ge+ 0,62441618 - коэффициент учитывающий нагрузку на двигатель; Hu - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; ДHu - количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива, кДж/кг; б - коэффициент избытка воздуха;ge - удельный расход топлива.
Для определения поправочного коэффициента mЧбыли использованы результаты стендовых испытаний автомобиля, при которых замерялась тепловыделение двигателя на различных режимах, при разной нагрузке.
Представленная методика дает возможность определить основные направления оптимизации системы охлаждения двигателя легкового автомобиля. Зная тепловыделение двигателя, можно определить основной параметр, характеризующий эффективность системы охлаждения - температурный запас системы:
,
где - температура кипения охлаждающей жидкости, температура кипения зависит от состава этой жидкости и давления в водяном контуре; - температура воды на входе в радиатор; - температура окружающего воздуха, принимается в зависимости от назначения автомобиля.
Температурный запас можно определить для любой нагрузки двигателя, такой метод позволяет найти оптимальные параметры системы охлаждения.
Для обеспечения заданного температурного запаса необходима определенная скорость воздуха перед радиатором. На ранней стадии проектирования может быть оценен диапазон использования набегающего потока, определены режимы, для которых требуется использование вентиляторной установки и ее необходимая мощность и т.д. На последующих стадиях проектирования ряд параметров может быть уточнен.
Представленная методика позволяет рассчитать с достаточной точностью скорость воздуха необходимую для достижения заданного температурного запаса.
К радиатору системы охлаждения двигателя легкового автомобиля предъявляются противоречивые требования. С одной стороны он должен быть способен рассеять тепло при самом нагруженном режиме работы двигателя и высокой температуре окружающего воздуха. С другой стороны на него накладываются ограничения по габаритам, массе и энергозатратам и т.д.
Существует несколько способов увеличения теплорассеивающей способности радиатора, касающихся его воздушной части:
- увеличение площади радиатора;
- уменьшение шага оребряющих пластин;
- использование поверхностей сложной формы, турбулизирущих поток в пристенном слое.
Сначала была проанализирована возможность увеличения теплоотдачи за счет увеличения площади радиатора.
Исследования показали, что в реальных условиях увеличение площади радиатора необязательно будет приводить к пропорциональному увеличению теплоотдачи радиатора. Теплоотдача увеличивается пропорционально площади только в том случае, когда сохраняется скорость воздуха, проходящего через радиатор, т.е. когда пропорционально возрастает расход. На самом деле, если не предпринимать дополнительные меры для увеличения расхода воздуха, то теплоотдача возрастет не на много. Кроме того, такой способ неизбежно приведет к увеличению массы и увеличению стоимости.
Чем придется "заплатить" за увеличение теплоотдачи радиатора за счет изменения шага оребряющих пластин хорошо видно на рисунке 5. За исходную точку возьмем радиатор с шагом пластин 1,75мм.
Скорость воздуха V1 через радиатор в данном случае будет определяться пересечением кривой аэродинамического сопротивления радиатора и воздушного тракта системы охлаждения автомобиля с графиком расходно-напорной характеристики вентилятора. При этом падение давления на радиаторе составит ДР 1. Если заменить этот радиатор другим с шагом пластин 1,3мм, то при использовании прежнего вентилятора скорость воздуха станет равна V2, а падение давления на вентиляторе составит ДР 2. Это позволит увеличить теплоотдачу радиатора на 15%, при этом мощность вентилятора возрастет на 6% (без учета изменения КПД). Если для нового радиатора обеспечить скорость воздуха равной V1, то теплоотдача радиатора возрастет на 20%, для этого потребуется увеличить мощность вентилятора на 30%, для того чтобы обеспечить соответствующий напор ДР?1.Если оставить мощность вентилятора прежней, то на новом радиаторе скорость будет равна V3, при этом теплоотдача радиатора возрастет всего лишь на 2%.
Казалось бы, замена радиатора с шагом пластин 1,3мм дает неплохой результат по увеличению теплоотдачи радиатора. Как было сказано, теплоотдача увеличивается на 15% при небольшом увеличении мощности вентилятора на 6%, но если при использовании радиатора с шагом 1,75мм также увеличивать мощность вентилятора на 6%, то теплоотдача радиатора увеличится уже на 20% (на рисунке 5 этот вариант не показан).
Отсюда можно сделать вывод, что для выбора рациональных параметров системы охлаждения, с целью снижения затрат мощности и обеспечения заданной эффективности системы охлаждения, необходимо учитывать представленные обстоятельства. Так, при выборе радиатора, в котором используются различные способы интенсификации теплоотдачи, необходимо рассматривать вопросы, связанные с затратами мощности для подачи охлаждающего воздуха, для получения заявленной эффективности. Интенсификация теплообмена всегда связана с увеличением аэродинамического сопротивления. В таком случае для получения нужного эффекта увеличения теплоотдачи необходимо увеличить производительность вентилятора, что скажется на увеличении затрат энергии на привод вентилятора, целесообразность таких мер должна быть оправдана.
Вопросы, связанные с эффективным использованием набегающего потока воздуха при движении автомобиля и выбором радиатора, также имеют неоднозначный характер. Поэтому окончательное решение в пользу того или иного варианта выбора радиатора должно учитывать и это обстоятельство.
В последнее время все чаще стали применяться вентиляторные установки с двумя вентиляторами. В основном они используются на легковых автомобилях с кондиционером, для лучшего охлаждения радиатора кондиционера, либо на автомобилях с большой мощностью двигателя.
Рассмотрим плюсы и минусы такой конструкции вентиляторной установки. Вентиляторы для анализа выбирались в соответствии с сопротивлением воздушного тракта системы охлаждения, исходя из обеспечения заданного расхода воздуха через радиатор. Вначале расчеты были выполнены аналитическими методами. На рисунке 6 представлены результаты этих расчетов.
Вначале была рассмотрена вентиляторная установка с одним вентилятором. Для анализа был выбран электровентилятор W3G280-EQ20 фирмы "Ebm-papst". Вентилятор имеет диаметр лопастей 280мм, мощность электродвигателя 200Вт и массу 2,4кг. В этом случае расход воздуха составил 0,446 м 3/с (рисунок 6а).
Для анализа вентиляторной установки с двумя вентиляторами для обеспечения заданных условий охлаждения в наилучшей степени подошел вентилятор W3G280-EQ20. В результате применения двух вентиляторов расход увеличился всего лишь на 37% и составил 0,612 м 3/с (график б). При этом общая масса двух вентиляторов составит 4,8кг. С учетом КПД электродвигателей, потребляемый ток двух вентиляторов по сравнению с одним будет заметно больше.
Как видно из рисунка при параллельно работающих вентиляторах их давление будет равно давлению при их автономной работе, а производительность будет равна сумме производительностей обоих вентиляторов.
Если бы сопротивление воздушного тракта (включая радиаторы системы охлаждения и кондиционера) было меньше (график г), то теоретически эффект от двух вентиляторов был бы больше, т.е. расход воздуха увеличился больше. На самом деле выбранные вентиляторы в этой зоне имели бы боле низкий аэродинамический КПД.
В качестве альтернативной вентиляторной установки рассматривался вариант с использованием вентилятора W3G300-RQ28. Вентилятор имеет диаметр лопастей 300мм, мощность электродвигателя 320Вт и массу 2,5кг. Таким образом, мощность электродвигателя была увеличена на 60% по сравнению с мощностью вентилятора W3G280-EQ20.
Для обеспечения корректного анализа при выборе вентиляторов пришлось ограничиться номенклатурой вентиляторов производимых одной фирмой. Дело в том, что вентиляторы кроме прочих параметров могут отличаться друг от друга технологиями изготовления самого вентилятора и электродвигателя (масса, электрический КПД, относительный диаметр ступицы и т.д.). В данном случае не удалось подобрать вентилятор расходно-напорная характеристика которого проходила бы через рабочую точку параллельно работающих двух вентиляторов. Поэтому в этом случае расход воздуха составил 0,588 м 3/с (график в), что на 4% меньше чем у вентиляторной установки с двумя вентиляторами. При этом масса данного вентилятора меньше чем масса двух вентиляторов на 48% и меньше потребляемый ток.
Затем исследования вентиляторных установок различных конструкций проводились численным методом, с использованием программного модуля FloWorks, предназначенного для решения задач аэро- и гидродинамики при использовании метода конечных элементов.
Численные способы решения задач аэродинамики являются перспективным методом разработки и доводки автомобиля, так как в некоторых случаях могут заменить проведение дорогостоящих экспериментов.
При исследованиях моделировалась подача охлаждающего воздуха, как при помощи набегающего потока воздуха, так и при помощи вентилятора. Вентиляторная установка с двумя вентиляторами сравнивалась с вентиляторными установками различных конструкций.
По результатам исследований установлено, что применение вентиляторной установки с двумя вентиляторами в некоторых случаях является неоправданным решением, в первую очередь из-за значительного увеличения массы системы охлаждения, увеличения потребления электроэнергии для осуществления подачи охлаждающего воздуха и т.д. Во многих случаях альтернативным решением можно считать применение вентиляторной установки с одним вентилятором с улучшенными характеристиками. Все будет зависеть от конкретного автомобиля, от тепловыделения двигателя, условий эксплуатаций и т.д. В качестве альтернативы вентиляторным установкам с неполным охватом кожухом радиатора и вентиляторным установкам с двумя вентиляторами предлагается вентиляторная установка с жесткими клапанами в кожухе. Она показала хорошие результаты, поскольку удачно сочетает возможность использования напора набегающего воздуха и эффективную работу вентилятора.
Проектирование любого из элементов "воздушной части" системы охлаждения двигателя легкового автомобиля должно рассматриваться комплексно с учетом всех аспектов связанных с подачей охлаждающего воздуха. Наиболее сложно это выполнить на ранней стадии проектирования. В первую очередь необходимо рассматривать эффективность системы на всех режимах эксплуатации, при этом затраты энергии должны быть минимальными как на режиме высоких скоростей, когда используется набегающий поток воздуха, так и нагруженных режимах при малой скорости, когда включается вентилятор.
На рисунке 7 показана зависимость тепловыделения двигателя на разных режимах эксплуатации от скорости автомобиля и от нагрузки (3) . На любой передаче тепловыделение двигателя увеличивается с ростом оборотов коленчатого вала и скорости движения, это связано с увеличением аэродинамического сопротивления автомобиля. При увеличении нагрузки, например движение на подъем, при тех же оборотах коленчатого вала тепловыделения возрастают.