Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода теплоты от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы. Большая часть отводимой теплоты воспринимается системой охлаждения, меньшая -- системой смазки и непосредственно окружающей средой.

В зависимости от рода используемого теплоносителя в транспортных двигателях применяют систему жидкостного и воздушного охлаждения. В качестве жидкого охлаждающего вещества используют воду и некоторые другие высококипящие жидкости, а в системе воздушного охлаждения -- воздух. Наибольшее применение в ДВС находит жидкостная система охлаждения.

При расчёте системы жидкостного охлаждения находят количество жидкости, циркулирующее в системе в единицу времени, теплопередающую поверхность жидкостного радиатора, ряд конструктивных и эксплуатационных параметров жидкостного насоса и вентилятора.

Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения двигателя:

здесь Q охл - количество теплоты, отводимое в охлаждающую среду (см. тепловой баланс двигателя).

ДТ ж - разность температур жидкости на входе и выходе из радиатора, ДТ ж =8-14 К.

с ж и с ж - теплоемкость и плотность охлаждающей жидкости. Для низкозамерзающих жидкостей можно принять с ж = 4000 Дж/(кг·К), с ж? 1070 кг/м 3 .

Расчетная производительность насоса определяется с учетом утечек жидкости из нагнетательной полости во всасывающую:

где з = 0.8 -- 0.9 -- коэффициент подачи.

Мощность, потребляемая жидкостным насосом:

кВт

з м =0.7 -- 0.9 -- механический КПД жидкостного насоса,

с ж - напор, создаваемый жидкостным насосом, с ж =0.10-0.15 МПа.

Жидкостный радиатор

Радиатор представляет собой теплообменный аппарат для воздушного охлаждения жидкости, поступающей от нагретых деталей двигателя. Расчет радиатора состоит в определении поверхности охлаждения, необходимой для передачи теплоты от жидкости к окружающему воздуху, массового расхода жидкости через радиатор и количества обдувочного воздуха.

Поверхность охлаждения радиатора:

где К -- коэффициент теплопередачи радиатора, К=100ч160 Вт/(м 2 · К);

T ср. ж -- средняя температура жидкости в радиаторе, T ср. ж. =358ч365 К;

Т ср.в -- средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, Т ср.в =323ч328 К.

Массовый расход жидкости через радиатор:

с ж - средняя теплоемкость жидкости (см. выше)

G ж - температурный перепад жидкости (см. выше).

Количество воздуха проходящего через радиатор, определяется из условия Q охл =Q в, т.е. вся отводимая от двигателя теплота передаётся охлаждающему воздуху.

Температурный перепад ДТ в воздуха в решетке радиатора составляет 20--30 К. Средняя теплоемкость воздуха с в =1000 Дж/(кг·К).

Вентилятор

Вентилятор служит для создания направленного воздушного потока, обеспечивающего отвод теплоты от радиатора.

Производительность вентилятора определяется исходя из количества воздуха, проходящего через радиатор:

с в - плотность воздуха

где р о =0,1 МПа - давление окружающей среды;

R в =287 Дж/(кг·К) - универсальная газовая постоянная для воздуха;

Т ср.в. - средняя температура воздуха в радиаторе (см. выше).

Мощность привода вентилятора:

здесь ДР тр - аэродинамическое сопротивление конструкции радиатора, ДР тр =0.6ч1.0 кПа.

з в - кпд вентилятора. Для клёпанной конструкции з в =0.32ч0.40 (бензиновый двигатель), для литой конструкции з в =0.55ч0.65 (дизель).

Диаметр вентилятора:

где фронтовая поверхность радиатора:

Скорость воздуха перед радиатором следует принять щ в =15-25 м/с.

Окружная скорость вентилятора зависит от создаваемого им напора и конструктивных особенностей:

М/с

где коэффициент цл для плоской формы лопастей принимается цл =2.8ч3.5.

Частота вращения вентилятора при известной окружной скорости

За последние 15...20 лет в результате многочисленных экспериментальных исследований с применением рассмотренных выше схем испытаний получены обширные данные о поведении грунтов при сложном напряженном состоянии. Поскольку в настоящее время в…

  • Упругопластическое деформирование среды и поверхности нагружения

    Деформации упругопластических материалов, в том числе и грунтов, состоят из упругих (обратимых) и остаточных (пластических). Для составления наиболее общих представлений о поведении грунтов при произвольном нагружении необходимо изучить отдельно закономерности…

  • Описание схем и результатов испытаний грунтов с использованием инвариантов напряженного и деформированного состояний

    При исследовании грунтов, как и конструкционных материалов, в теории пластичности принято различать нагружение и разгрузку. Нагружением называют процесс, при котором происходит нарастание пластических (остаточных) деформаций, а процесс, сопровождающийся изменением (уменьшением)…

    • Инварианты напряженного и деформированного состояний грунтовой среды

      Применение инвариантов напряженного и деформированного состояний в механике грунтов началось с появления и развития исследований грунтов в приборах, позволяющих осуществлять двух- и трехосное деформирование образцов в условиях сложного напряженного состояния…

    • О коэффициентах устойчивости и сопоставление с результатами опытов

      Так как во всех рассмотренных в этой главе задачах грунт считается находящимся в предельном напряженном состоянии, то все результаты расчетов соответствуют случаю, когда коэффициент запаса устойчивости к3 = 1. Для…

    • Давление грунта на сооружения

      Особенно эффективны методы теории предельного равновесия в задачах определения давления грунта на сооружения, в частности подпорные стенки. При этом обычно принимается заданной нагрузка на поверхности грунта, например, нормальное давление р(х), и…

      Решений плоской и тем более пространственных задач консолидации в виде простейших зависимостей, таблиц или графиков очень ограниченное число. Имеются решения для случая приложения к поверхности двухфазного грунта сосредоточенной силы (В…

    На фото схема системы охлаждения двигателя Nissan Almera G15


    Система охлаждения двигателей стандартного типа охлаждает его нагреваемые детали. В системах современных автомобилей она выполняет и другие функции:
    • охлаждает масло системы смазки;
    • охлаждает воздух, циркулирующий в системе турбонаддува;
    • охлаждает отработавшие газы в системе их рециркуляции;
    • охлаждает рабочую жидкость автоматической коробки передач;
    • нагревает воздух, циркулирующий в системах вентиляции, отопления и кондиционирования.
    Есть несколько способов охлаждения двигателя, от применения которого зависит тип используемой системы охлаждения. Различают жидкостную, воздушную и комбинированную системы. Жидкостная - отводит от двигателя тепло при помощи потока жидкости, а воздушная - потока воздуха. В комбинированной системе оба этих способа объединены.

    Чаще других в автомобилях используется жидкостная система охлаждения. Она равномерно и достаточно эффективно охлаждает детали двигателя и работает с меньшим шумом, чем воздушная. Основываясь на популярности жидкостной системы, именно на её примере и будет рассмотрен принцип действия систем охлаждения двигателя автомобиля в целом.

    Схема системы охлаждения двигателя


    На фотографии схема системы охлаждения двигателя автомобиля ВАЗ 2110 с карбюратором и ВАЗ 2111 с инжектором (оборудование для впрыска топлива).


    Для бензинового и дизельного двигателей применяются схожие конструкции систем охлаждения. Их стандартный набор элементов следующий:
    1. обычный, масляный радиатор и радиатор охлаждающей жидкости;
    2. вентилятор радиатора;
    3. центробежный насос;
    4. термостат;
    5. теплообменник отопителя;
    6. расширительный бачок;
    7. рубашка охлаждения двигателя;
    8. система управления.

    Рассмотрим каждый из этих элементов по отдельности:

    1. Радиаторы.

    1. В обычном радиаторе нагретая жидкость охлаждается встречным потоком воздуха. Чтобы повысить его эффективность, в конструкции используется специальное устройство трубчатого вида.
    2. Масляный радиатор предназначен для уменьшения температуры масла системы смазки.
    3. Для охлаждения отработавших газов системы их рециркуляции задействуют третий вид радиаторов. Он позволяет охлаждать топливно-воздушную смесь при её сгорании, благодаря чему меньше образовывается оксидов азота. Дополнительный радиатор снабжен отдельным насосом, который также включен в систему охлаждения.
    2. . Для повышения эффективности работы радиатора в нём используется вентилятор, который может иметь различный приводной механизм:
    • гидравлический;
    • механический (соединен на постоянной основе с коленчатым валом мотора автомобиля);
    • электрический (работает от тока аккумулятора).
    Наиболее распространен электрический вид вентиляторов, управление которым осуществляется в достаточно широких пределах.

    3. Центробежный насос. При помощи насоса в системе охлаждения обеспечивается циркуляция её жидкости. Центробежный насос может быть оснащен различным типом привода, например, ременным или же шестеренным. У двигателей с турбонаддувом помимо основного может быть использован дополнительный центробежный насос для более эффективного охлаждения турбокомпрессора и наддувочного воздуха. Для управления работой насосов используется блок управления двигателем.

    4. Термостат. При помощи термостата осуществляется регулировка количества жидкости, попадающей в радиатор. Устанавливается термостат в патрубке, ведущем к радиатору от рубашки охлаждения мотора. Благодаря термостату можно управлять температурным режимом системы охлаждения.

    В автомобилях с мощным двигателем может быть использован несколько иного вида - с электрическим подогревом. Он способен обеспечить регулирование температурного режима жидкости системы в двухступенчатом диапазоне при трех рабочих положениях.

    В открытом состоянии такой термостат находится во время максимальной работы двигателя. При этом температура охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, понижается до 90 °С, благодаря чему снижается вероятность детонации двигателя. В остальных двух рабочих положениях термостата (открытое и полуоткрытое) температура жидкости будет поддерживаться на отметке 105 °С.

    5. Теплообменник отопителя. Поступающий в теплообменник воздух нагревается для последующего его использования в отопительной системе автомобиля. Для повышения эффективности работы теплообменника его размещают непосредственно на выходе охлаждающей жидкости, прошедшей через двигатель и имеющей высокую температуру.

    6. Расширительный бачок. Вследствие изменения температуры охлаждающей жидкости меняется и её объем. Чтобы компенсировать его, в систему охлаждения встраивается расширительный бачок, поддерживающий объем жидкости в системе на одном уровне.

    7. Рубашка охлаждения двигателя. В конструкции такая рубашка представляет собой каналы для жидкости, проходящие через головку блока двигателя и блок цилиндров.

    8. Система управления. В качестве элементов управления системы охлаждения двигателя в ней могут быть представлены следующие устройства:

    1. Температурный датчик циркулирующей жидкости. Датчик температуры преобразует величину температуры в соответствующую величину электрического сигнала, который подается на блок управления. В тех случаях, когда система охлаждения используется для охлаждения отработавших газов или в других задачах, в ней может быть установлен ещё один температурный датчик, устанавливаемый на выходе радиатора.
    2. Блок управления на электронной основе. Получая от датчика температуры электрические сигналы, блок управления автоматически реагирует и выполняет соответствующие воздействия на другие исполнительные элементы системы. Обычно, блок управления имеет программное обеспечение, выполняющее всю функции по автоматизации процесса обработки сигналов и настройки работы системы охлаждения.
    3. Также, в системе управления могут быть задействованы следующие устройства и элементы: реле охлаждения мотора после его остановки, реле вспомогательного насоса, термостатный нагреватель, управляющий блок радиаторного вентилятора.

    Принцип работы системы охлаждения двигателя в действии


    Налаженная работа охлаждения обусловлена наличием системы управления. В автомобилях с современными двигателями её действия основаны на математической модели, в которой учтены различные показатели параметров системы:
    • температура смазочного масла;
    • температура жидкости, используемой для охлаждения двигателя;
    • температура наружной среды;
    • другие важные показатели, влияющие на работу системы.
    Система управления, оценивая различные параметры и их влияние на работу системы, компенсирует их влияние регулированием условий работы управляемых элементов.

    С помощью центробежного насоса осуществляется принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе. Проходя через рубашку охлаждения жидкость нагревается, а попав в радиатор - остывает. Нагревая жидкость, сами детали двигателя остывают. В рубашке охлаждения жидкость может циркулировать как в продольном (по линии цилиндров), так и в поперечном направлении (от одного коллектора к другому).

    От температуры охлаждающей жидкости зависит круг ее циркуляции. Во время запуска двигателя он сам и охлаждающая жидкость холодные, и чтобы ускорить его нагрев жидкость направляется на малый круг циркуляции, минуя радиатор. В дальнейшем, при нагревании двигателя, термостат нагревается и меняет свое рабочее положение на полуоткрытое. Вследствие этого охлаждающая жидкость начинает течь через радиатор.

    Если встречного потока воздуха радиатора недостаточно для понижения температуры жидкости до требуемого значения, включается вентилятор, образующий дополнительный поток воздуха. Охлажденная жидкость вновь попадает в рубашку охлаждения и цикл повторяется.

    Если в автомобиле используется турбонаддув, то он может быть оснащен двухконтурной системой охлаждения. Первый её контур охлаждает сам двигатель, а второй - наддувочный поток воздуха.

    Смотрите познавательное видео про принцип работы системы охлаждения двигателя: