Выбор рациональных аэродинамических параметров системы охлаждения двигателя легкового автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

.



Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

,

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.

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%.

9) Выполнены экспериментальные исследования вентиляторных установок с различными конструктивными решениями. Определены оптимальные параметры вентиляторных установок, позволяющие сочетать высокие характеристики при использовании для охлаждения набегающего потока воздуха и эффективность при работе вентилятора.

10) Установлено, что совершенствование "воздушной части" системы охлаждения должно проводиться комплексно с учетом требований по использованию набегающего потока и вентилятора, при этом кроме обеспечения заданной эффективности системы охлаждения должны быть установлены критерии минимальных затрат энергии, массы, габаритов и т.д.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе в 3 изданиях рекомендуемых ВАК

1. Петров А.П., Леонов А.Ю., Петров К.А. Движение потока воздуха через сердцевину автомобильного радиатора. Материалы IV всероссийской научно-технической конференции. "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса": Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006, С.121-124.

2. Петров А.П., Леонов А.Ю., Петров К.А. Роль вентилятора в формировании потока воздуха по фронту радиатора в системе охлаждения двигателя. Вестник Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 43. Транспорт. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - С. 86--90.

3. Петров А.П., Петров К.А. Концепция моделирования условий обтекания автомобиля воздушным потоком// Автомобильная промышленность, - 2008. - №2, - С. 19-20.

4. Петров А.П., Петров К.А. Зависимость Сх автомобиля от потока воздуха через систему охлаждения// Автомобильная промышленность, - 2008. - №3, - С. 19-22.

5. Петров А.П., Петров К.А. Влияние внутренних потоков на аэродинамику легкового автомобиля. Материалы международного симпозиума "Автотракторостроение - 2009". М.:МГТУ "МАМИ", 2009. - С.235-245.

6. Петров К.А. Расчет тепловыделения двигателя легкового автомобиля. Сборник научных трудов аспирантов и соискателей КГУ. Вып. XII. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. - С. 21-22.

7. Петров А.П., Петров К.А. Влияние конструкции клапанов на эффективность вентиляторной установки. Вестник СибАДИ. Выпуск 2(16). Изд-во ГОУ ВПО Сибирская гос. автомоб.-дорож. академия. 2010. -С.16-23.

8. Петров А.П., Петров К.А. Методика определения влияния неравномерности поля скоростей воздуха по фронту радиатора на коэффициент его аэродинамического сопротивления. Фундаментальные проблемы науки. Т.1. - Труды I Международного симпозиума. - М.: РАН, 2010. - С. 63-71.

9. Петров А.П., Петров К.А. Взаимосвязь внешней и внутренней аэродинамики легкового автомобиля. Материалы международной научно-технической конференции ААИ"Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовки кадров". М.: МГТУ "МАМИ". 2010. С.250-257.

10. Петров А.П., Петров К.А. Влияние аэродинамических свойств сердцевины радиатора на прохождение воздуха в системе охлаждения двигателя легкового автомобиля. Сборник материалов IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса". Екатеринбург, УГТУ-УПИ. 2011. С.143-146.

11. Петров А.П., Петров К.А. Баланс энергетических затрат и критерии оптимизации системы охлаждения легкового автомобиля. Вестник МАНЭБ. Том 16, №3, Санкт-Петербург. 2011, С. 60-63.

12. Петров К.А. Сравнительный анализ аэродинамических свойств вентиляторных установок. Вестник Курганского гос. ун-та.- Серия "Технические науки". -Вып. 6. -Курган: Изд-во Курганский гос.ун-та, 2011.С. 24-27.

Размещено на Allbest.ru

...