Наиболее сложно определить условия для использования набегающего потока. С одной стороны напор набегающего воздуха должен обеспечивать охлаждение двигателя при движении на высоких скоростях, а также уменьшить мощность вентилятора и сократить время его работы, а с другой стороны избыточное поступление воздуха через воздушный тракт системы охлаждения будет приводить к неоправданному увеличению аэродинамического сопротивления автомобиля. На рисунке 8 показаны зависимости потенциальных условий обеспечения заданного теплоотвода и необходимых условий этого теплоотвода. Задача этого анализа заключается в том, чтобы определить, что нужно, чтобы обеспечить теплоотвод от двигателя представленный на рисунке 7, при этом необходимо, чтобы температурный запас системы охлаждения был на уровне 45єС. Расчеты выполнены по методикам (1) и (2).
Сплошные линии показывают зависимость необходимого расхода воздуха через радиатор для обеспечения заданного температурного запаса при движении по горизонтальному шоссе, и штрихпунктирные линии соответствуют режиму движения на подъем. Коэффициент расхода воздуха выбирается исходя из условия обеспечения подачи воздуха на скоростных режимах движения и исходя из условия обеспечения подачи воздуха при низких скоростях движения вместе с вентиляторной установкой небольшой мощности (линии и ). Определенная возможность задавать необходимый коэффициент у конструктора почти всегда есть. Это можно сделать за счет изменения размеров впускных и выпускных отверстий. Оптимальное значение коэффициента выбирается из условия недопущения избыточного поступления воздуха.
Представленная методология проектирования может быть применена для любых вариантов конструкция вентиляторных установок, конструкций радиаторов и компоновок воздушного тракта. Она позволяет комплексно решить вопросы оптимального выбора параметров всех элементов системы охлаждения при обеспечении заданной эффективности системы охлаждения на всех режимах эксплуатации автомобиля, с минимальными затратами мощности, минимальной массой элементов системы охлаждения и т.д.
У вентиляторной установки с жесткими управляемыми клапанами есть уникальные свойства. Как уже было сказано раньше, такая установка сочетает возможность эффективно использовать набегающий поток воздуха за счет открытия клапанов при высокой скорости движения автомобиля, и обладает максимальной эффективностью при работе вентилятора. Кроме этого, можно использовать закрытие клапанов для ограничения поступления воздуха через воздушный тракт системы охлаждения на некоторых скоростных режимах. Использование набегающего потока возможно при двух положениях клапанов, в открытом и закрытом состояниях. Закрытое положение клапанов дает возможность ограничить избыточное поступление воздуха при высоких скоростях движения, когда в нем нет необходимости. За счет этого уменьшается аэродинамическое сопротивление автомобиля. Этот режим соответствует линии . При этих условиях набегающий поток воздуха обеспечивает необходимый теплоотвод на IV и V передачах при любой скорости движения. На IIIпередаче, когда количества набегающего потока воздуха становится недостаточно, клапаны должны быть открыты, за счет этого поступление воздуха увеличивается. Когда и этого количества воздуха становится недостаточно(II передача), то клапаны должны быть закрыты и включается вентилятор (линия ), такая необходимость может появиться на нагрузочных режимах при движении в городских пробках. Линии и могут быть направленны под другим углом, когда рассматривается компромиссное решение о степени использования набегающего потока и вентилятора. Этот баланс должен рассматриваться с учетом возможности выбора оптимальных размеров радиатора или типа сердцевины радиатора.
На рисунке 8 показаны потенциальные возможности системы охлаждения, на самом деле алгоритм управления вентиляторной установкой зависит от нагрузки двигателя, скорости движения и температуры окружающей среды. Автоматическая система управления должна быть оборудована датчиком температуры охлаждающей жидкости, датчиком нагрузки двигателя (измерением положения дроссельной заслонки или другим способом) и датчиком скорости движения автомобиля. Закрытие и открытие клапанов должно быть обеспечено электроприводом. Параметры для заданного алгоритма управления уточняются при доводке автомобиля.
Наиболее продолжительное время автомобиль будет двигаться при закрытых клапанах и выключенном вентиляторе. За счет этого будет ограничено поступление воздуха через воздушный тракт системы охлаждения. Таким образом, коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля может быть снижен на 0,5-1,0%.При относительно низкой температуре окружающего воздуха (не обязательно отрицательной) этот режим вентиляторной установки может осуществляться практически на всех режимам эксплуатации, включая нагрузочные режимы. Этот режим дает дополнительный эффект при отрицательной температуре - снижается переохлаждение двигателя.
На ранней стадии проектирования любой из элементов "воздушной части" системы охлаждения должен проектироваться с учетом минимизации затрат мощности для подачи охлаждающего воздуха как за счет набегающего потока воздуха, так и за счет вентилятора. Для этого необходимо знать тепловыделение двигателя на всех режимах эксплуатации. Эти результаты могут быть получены с помощью представленной методики (3) или в дальнейшем по уточненным данным, полученным на стенде. Затем должны быть определены наиболее теплонагруженные режимы эксплуатации, включая режим движения в городских пробках. Для выбранного радиатора определяется потребное количество охлаждающего воздуха на этих режимах. Если оптимальное сочетание параметров элементов системы охлаждения не будет достигнуто, то может потребоваться замена радиатора. Устанавливается, за счет какого "способа подачи" будет обеспечиваться подача воздуха, с учетом потенциальных ограничений этих "способов подачи". Это ответственный шаг, от которого будет зависеть объем дополнительных работ при доводке системы охлаждения. Доводка при таком подходе также упрощается, поскольку будет известен путь дальнейших усовершенствований.
Потенциальная возможность подачи воздуха за счет набегающего потока может быть определена в зависимости от скорости движения автомобиля по методике (1). Параметры, входящие в формулу, могут быть взяты от прототипа или получены расчетным путем или экспериментально, в зависимости от стадии проектирования. Затраты энергии на подачу охлаждающего воздуха могут быть оценены с помощью методики (2), т.е. по доле системы охлаждения в общем аэродинамическом сопротивлении автомобиля. Кроме этого должна быть оценена возможность уменьшения этой доли дополнительными конструктивными решениями всех элементов воздушного тракта. Эти мероприятия могут быть направлены на ограничение поступления охлаждающего воздуха на некоторых режимах, когда нет в нем потребности.
При конструировании вентиляторной установки должны быть учтены не только "стандартные" требования по обеспечению заданной производительности. Важное значение имеет равномерность распределения воздушного потока по фронту радиатора, это обстоятельство оказывает большое влияние на теплорассеивающую способность радиатора и на его аэродинамическое сопротивление. Именно вентиляторная установка оказывает наибольшее влияние на равномерность распределения воздуха. Поэтому конструкция вентиляторной установки должна быть такой, чтобы она как можно меньше деформировала поток воздуха.
В третьей главе описывается экспериментальная установка и методика исследований.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований аэродинамических свойств различных вентиляторных установок.
Экспериментальные исследования проводились с различными конструкциями вентиляторных установок, с целью определения их эффективности и влияния на поток охлаждающего воздуха. Эксперименты с вентиляторными установками с полным инеполным охватом кожухом радиатора показали, что вентиляторная установка должна обладать противоречивыми характеристиками, так, с одной стороны она должна иметь малую площадь кожуха для лучшего использования набегающего потока, с другой стороны, кожух должен иметь полный охват, для лучшего использования вентилятора.
Для решения этой проблемы было исследовано несколько вариантов конструкций вентиляторных установок, включая и вентиляторные установки с резиновыми клапанами. Более предпочтительной оказалась конструкция с двумя клапанами рисунок 9. Были проведены исследования, для определения оптимального угла открытия клапанов, которые показали, что оптимальный угол равен 60?, т.к. при таком угле обеспечивается наибольший расход воздуха.
По результатам экспериментов было выяснено, что вентиляторная установка с двумя клапанами имеет сопротивление даже меньшее чем у вентиляторной установки с неполным охватом кожухом радиатора(рисунок 10).
Это объясняется тем, что она имеет меньшее аэродинамическое сопротивление и обладает более равномерным распределением воздушного потока по фронту радиатора.
Обладая определенными достоинствами, вентиляторная установка с клапанами в кожухе при подаче охлаждающего воздуха за счет вентилятора всеже имеетотносительно высокую неравномерность поля скоростей по фронту радиатора, которая связана ассиметричным расположением вентилятора. Для устранения этого недостатка предлагается использовать кожух, изображенный на рисунке 11.
Кожух выполнен с симметричным расположением вентилятора, по обеим сторонам от него расположены отверстия, которые закрываются клапанами. Сначала было исследовано аэродинамическое сопротивление этой вентиляторной установки под действием набегающего потока воздуха. Клапаны, как и в предыдущем варианте, были открыты на угол 60?. Вентиляторная установка с симметричными клапанами имеет чуть меньшее, на 5%, сопротивление, чем с асимметричными клапанами. Такой эффект, как говорилось выше, происходит вследствие более равномерного распределения потока воздуха по фронту радиатора, это можно увидеть на эпюрах поля скоростей по фронту радиатора рисунок 12.
Исследование параметров вентиляторной установки с симметричными клапанами при работе вентилятора показало, что размещение вентилятора по центру дало определенные преимущества. Увеличилась средняя скорость воздуха проходящего через радиатор на 16%. Неравномерность поля скоростей воздуха по фронту радиатора снизилась в три раза. Соответственно эффективность теплоотдачи радиатора при использовании вентиляторной установки с симметричными клапанами будет выше.
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.
Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- жесткие клапаны в кожухе вентилятора обладают неоспоримыми преимуществами перед резиновыми клапанами, как при подаче охлаждающего воздуха при помощи набегающего потока воздуха, так и при помощи вентилятора;
- вентиляторная установка с двумя ассиметричными клапанами показывает неудовлетворительные характеристики при подаче воздуха с помощью вентилятора, наблюдается высокая неравномерность поля скоростей воздуха;
- вентиляторная установка с симметричным расположением клапанов показала самые хорошие результаты. Она обладает наименьшим сопротивлением и лучше всех рассмотренных вентиляторных установок равномерно распределяет поток воздуха, как при использовании набегающего потока, так и при работе вентилятора. По сравнению с вентиляторной установкой с неполным охватом кожухом радиатора она обладает большей эффективностью вентилятора и полностью исключает рециркуляцию воздуха из подкапотного пространства. Если же сравнивать ее с вентиляторной установкой с двумя вентиляторами, то предлагаемая вентиляторная установка обеспечивает лучшее использование набегающего потока, а при работе вентилятора равная производительность может быть обеспечена при меньшем потреблении электроэнергии и значительном снижении массы и стоимости такой установки.
Основные результаты и выводы
1) 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.
2) Усовершенствована методика расчета тепловыделения двигателя, что позволяет с достаточной точностью определять температурный запас системы охлаждения на всех режимах эксплуатации автомобиля на ранних стадиях проектирования.
3) Определены основные факторы, влияющие на эффективность системы охлаждения, затраты мощности на приведение в действие системы и другие технико-эксплуатационные показатели, установлены связи между ними.
4) Определены пути совершенствования параметров системы охлаждения двигателя легкового автомобиля.
5) 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.
6) Проведено трехмерное математическое моделирование вентиляторных установок с различными конструктивными решениями. Проанализированы их аэродинамические свойства при использовании набегающего потока воздуха и при работе вентилятора. Определены положительные и отрицательные качества этих установок и границы их применения.
7) Разработана конструкция вентиляторной установки с симметричными жесткими клапанами с принудительным открытием и закрытием. По сравнению с аналогичной вентиляторной установкой с неполным охватом кожухом радиатора оказывает на 12% меньше сопротивление набегающему потоку воздуха, при работе вентилятора производительность опытной установки на 32% выше по сравнению вентиляторной установкой с неполным охватом, поскольку полностью отсутствует рециркуляция воздуха из подкапотного пространства. Неравномерность поля скоростей по фронту радиатора в опытной установке ниже на 80%.
8) Предлагаемая вентиляторная установка за счет рационального использования набегающего потока воздуха и возможности ограничения поступления охлаждающего воздуха на некоторых режимах движения позволяет уменьшить коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля на 1-2%.