автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование вездеходного тракта системы жидкостного охлаждения двигателя легкового автомобиля

Челябинский госудэрствсЕвнЗ тохнгчесзшЗ университет

r¿í 0.J

ü ; -i Па правах рукописг'

Не троп ¿гаксалдр Павлович

ССВТиШЖГЕОБАШЗ ЕОЭЛИЕОГО ТРАКТА

c::o?::r; SUJÍCCTEOPO ОХЯШШШ

JK'ÎI^ÎÎZÎ ЛгГМОВОШ АВТСМОКИЯ

C5.C6.C3 - a-¿TCííGíi!jni 2 трахтсрц ttî.C-J.ffî - TKLionua дпагател!

АЗТ0РЕ1~Р.47 диссертация на ссискгшгэ учоноЗ стопони кандидата тохтагшсхшс наук

Работа выполнена на кафедре "Автокобшш" Курпшского ма-оиностроателыюго института.

Научные руководит та:

доктср техгслчзскп наук. профессор, академик ATP A.C. Терехов

кандидат технических наук, доцент Г.Н. Вйктко

Официальные оппонента:

доктор технических наук, продетое. акадэ!ш< АТР Б.А. Уьиш^эт.и

кандидат тонических наук, депонт Л.К. Зайцев

Бедудяя организация: АО "Вольский автомобильной (г. Тольятти)

1&бод"

Защита состоится 9 <2$* (¿гш^-^и? 1993 г. в /.$ чьсов на заседании спащшхизпрова1Шого/?совэт^ К 053.13.02 при Челябинском государственной техническом университете (адрес: 454030, г. Челябинск, пр. ш. В.И. Ленина, 78).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека уиаверсктс-та. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять ученому секретарю соЕета по вышеуказанному адресу. •

Автореферат разослан их>Я ¿^¿ээз г.

© Курганский машшостроительный институт. 1933

Ученый секретарь ешциапизщювашого совета . . -кавдгдат технических наук В.В. Хестков

ОЗЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуз.ть:юсть тема. Для работы систем жидкостного охлазде-еия двигателя легкового автомобиля тратится значительное количество анэргии, причем больпая часть для подачи охлаэдамцего воздуха. При работе вентилятора происходит прямое потребление энергии, 8 подача воздуха под действием набегающего потока происходит за счет увеличения аэродинамического сопротивления автомобиля.

В настоящее время задача конструирования воздушного тракта услокншшсь тем, что растет мощность делгатзлей автомобилей и их максимальная скорость, а, с другой стороны, условия работы системы охлааденая все более ухудшаются. Это правде всего связано с хэсткики требовзнияг.и к аэродинамической форме автомобиля, приведшими к снижению линии капота, когда все меньше места остается для размещения радиатора к выгодного размещения воздухсзаборного отверстия, уменьшается площадь проходного сечения воздухозаборник отверстий. Плотная компоновка канала воздушного тракта также затрудняет движение охлаждающего воздуха.

Накоплен большой опыт по вопросам обеспечения подачи воздуха для охлаждения двигателя автомобиля, но традиционный-подход к этой проблеме, по ряду вышеперечисленных причин, уае не отвечает современным требования!.». До сегодняшнего дня основным методом конструирования воздушного тракта остается метод многократных изуенекип. Но сущоствушпэ методнси доводки воздушного' тракта кэ приспособлена к новым условиям конструирования, и поиск оптимальной конструкции тракта сопровождается большими еес-мс я и матэриальнымп затратами.

Цель работы. Разработка методики поиска опижаль;:::."! конструкции воздушного тракта системы :щдкостного охлаждьжя двигателя легкового автомобиля на стадии доеодки, обеспечивающей со-!фап;5Нио вромеш доводки систем! охлагчения и повышение ее зф-фектиькости.

Научная новизна. Разработана эффективная методика анализа конструкшш воздушного тракта системы кидкостяого охлаадешгя двигателя легкового автомобиля. Определены факторы, формирующгв поле скоростей охлаждавдого воздуха по фронтальной поверхности радиатора. Получены зависимости для определения влияния неравномерности поля скоростей воздушного потока на тепловую эффективность и аэродинамическое сопротивление радиатора.

Рпактячвскзя ценность. Разработашкй расчетный механизм

г

позволяет на стадии проектирования и ражих стадиях довода-си автомобиля более точно оценить эффективность системы оллалдпния. Реализованная методика испытаний дает возможность, целенгправлэ-но, в короткие сроки с минимальными затрата:«, осуществлять доводку воздушной части системы охлаждения д/лтателя автомобиля. Даны рекомендации, позволяющие получать конструкции передней части воздушного тракта, обоспечивзюцув равномерный подеод воздуха к радиатору, и снизить аэродина!,пиеское сопротивление тракта.

Реализация результатов работа. Методика испытать", связанных с осуществлением измерения скорости охлаждающего воздуха внедрена на Волжском автомобильном заводе в отделе. доводки двигателей и получила положительный отзыв. Результаты работы используются в учебном процессе Курганского машиностроительного института для проведения лабораторных занятий.

Апробация работы. Основные пологеппя диссертационной работа докладаались: на Научно-практической кон*зрз;:ц::и "Разработка и применение новой техники, технологии и автс:: ..тлоърованяих систем в промышленности" (г. Курган, 1933); на II (1933), III (1989) и IV (1990) Уральском семинаре "Проблемы проектирования конструкций", Уральское отделение академии наук СССР, Ииасс; на Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкта (г. ииасс, 1991).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, выводов и заклвчения, приложения и содержит 105 страниц основного текста, 56 иллюстраций (43 стр.) и список литературы из 110 наименований и 9 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса и постановка задачи. Броведен аналитический обзор исследований, по вопросам подачи воздуха в систем жидкостного охлаздения двигателя, в опубликованных работах L.k. Будим, А.И. Буравцова, В.В. Буркова, Б.Я. Гилева, Б.А. Добряко-ва, А.И. Евграфова, В.А. Ыамедогз, М.Г. Пантюхгпа, н.Т. Умирова, В.В. Силнмонова, Э.Е. Хмельницкого, М.Е. Олсон, В.Г.Гухо, Чу, А. Костеллн, П. Габриэль, Д. Глорданвнко, X. Катагири, D. Танигути, U. Судзуки, Г. Феякель, К. Тику к т. д.

Как показал анализ отечественной, литературы теоретические разработки по вопросам обеспечения двшиния воздуха в системе охлаздэния (значителыше в свое вреш) давно ез отвечает потреб-

ностям развития отечественной автомобильной 'промышленности.

Обзор зарубежной печати показал, что накоплен большой экспериментальный материал в этом направлении и начаты активные теоретические обобщения и проработки. До сегодняшнего дня основным остается эксперпгэнтальнкй метод разработки воздушного тракта.

Внутреннее течение воздуха через капал систем охлаядения имеет существенное влияние на аэродинамическое сопротивление движении автомобиля. Система охлавдения легкового автомобиля дает увеличение аэродинамического сопротивления автомобиля до 10 л более процентов.

Тенденция развития современного легкового автомобиля все более усложняет проблему конструирования воздушного тракта системы охлевднкя. ИзмэннЕшеся условия подачи охлакдавдего воздуха заставляют искать новые подходы для совершенствования воздушного тракта системы охлаждения.

Для подачи охлакдаицего воздуха необходим затраты энергии, но часто этот процесс сопровождается неоправданными потерял. Среди них выделены две - это снигение теплоотдачи радиатора в связи с неравномерным распределением скорости потока воздуха по фронтальной поверхности радиатора и азродаша\шчаские потери. В первом и во втором случае эти потери приходится компенсировать дополнительными затратами энергии.

подвергнуты анализу мэтодтгкп испытаний и доводки воздушного тракта. Воздушный тракт л эффэктквность подачи охлаждающего воздуха в основном оценивается по сопротивлению элементов тракта и расходу воздуха. Методики ко;,крепил других параметров воздушного потока, применяемые обычно, приводят к большим искажениям реальных величин.

Исходя из анализа состояния'вопроса, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследовать физическую картину формирования потока охлаг-дащого воздуха, его движение и распределение по фронтальной поверхности радиатора. Установить факторы влияющие к а равномерность распределения потока воздуха и оценить возможность выравнивания воздушного потока по радиатору и еншшния аэродинамического сопротивление тракта.

2. Усовершенствовать методику расчета теплоотдачи радиатора с учетом неравномерного поля скоростей охлавдащего воздуха по фронтальной поверхности.

3. Определить параметры шля скоростей воздушного потока и

его Бзвпмодаястао с радиатором, приводите к сштншэ топлоот-дата пэадэдаэго. Разработать методику определения степени скиеэ-EZ2 теплоотдачи радаатора из-за неравномерности потока воздуха.

4. Опродалзть влияние неравномерности воздушного потока, про-хэдязего через радиатор, на его обдее аэродинамическое сощэогав-яеше.

5. Рсзработать квтодпку доводке воздушого тракта системы аадкостного охлаздения двигателя легкового автомобиля.

Тоораткчосккй анализ движения воздуха по воздушному тракту система охлаждения и поиск путей совершенствования тракта. Поче-вд происходят кзрагзомерное распределение воздушого потока по • Сронтальшй по2«рхноск радиатора и как выро'внять гтот шток? Более полно отвэтагь па эти вопросы можно, изучив физическую картону движения воздуха по воздушному тракту системы охлааде-нзя. Необходимо выяснить картину движения воздуха в прэдрадиа-торзоа кокере» поскольку именно здесь происходит формирование и распределение штока, проходящего черэг сердцевиЕу радиатора. Бра втом воздухозаборше отверстия, предрадиаторная камера и радиатор составляют больную часть аэродинамического сопротивления воздушного тракта.

Прадраднаторзая камера представляет собой ограниченный со всех сторон объем в пера дней стенке которого имеется входное отверстие, а вадкзй стенкой слуетт радиатор, прячем эта стенка еж;от полупроницаамыз свойства.

Распространение потока воздуха в условиях свободного и стесненного пространства исслэдозапо Г.Н. Абрамовичем, М.11. Гри-нгтлшым, В.Н. 'ТалиэЕам, И.А. Шепелевым и др. На основании анализа dts¿ работ югно заключить, что поток, втекающий в предра-дааторнув кекэру, нэ сразу заполняет всс поперечное сечение ка-шра. Поело отрыве от кройся воздухозаборного отверстия поток ЕйЭЗТ чзтхув форму п двшэтея б вида струп (более половины пути . до радзатсра). Лйаь на некотором расстоянии перед радиатором юруя кэляат направление и растекается по поверхности радиатора. Ере 2 то™ радиатор глюлпяет деояхэе - действие: с одной стороны радатор язлязгея препятствием да прохоццзшк воздуха и вынук-даат поток сэрэрасарэдехяться по поперечному ссчепна камеры, по, с ípyroü сторона поток, пропикзз? чарэз ого сердцевину на том саз ese утасп». So CvTj рзглрэдоявгзэ воздегшаго потека по (^шгадьЕсй гозорггаггк ргдазтора завзсат ш только от консгрук-гзй создугозабаразг отарс-ка и срздаадиаторпоЕ катары г но к от

проницаемости радиатора (аэродинамического сопротивления).

В предрадааторпой каморе при перераспределении воздупкого потока происходит слотый процесс. Радиатор в этом процессе играет особую роль. Подобная проблема распределения воздуха сила исследована И.Л. Повхом. Он исследовал а~1яниэ сетки, установленной в трубе, на выравнивание поля скоростей воздушного потока по поперечному сечению канала. Было установлено, что сетки с разным аэродинамическим сопротивлением оказывают на поток различное выравнкЕапцее действие. Получена зависимость степени вы-равниващого действия сетки от ее проницаемости. Такие яэ действие на поток воздуха оказызает радиатор в предрадиаторной камере.

На практике возмогло такое явление, что возникает при движении потока воздуха по Z-образному колену, исследованному И.Е. Идельчиком. Такое колено в зависимости от расстояния мевду осями подводящего и отводящего каналов имеет разное аэродинамическое сопротивление. В начале при увеличении мезгосеього расстояния сопротивление Z-образного колена резко увеличивается, а при достижении некоторой максимальной величины - увеличение мег:осевого расстояния приводит к плавному уменьшению сопротивления.

Предрадиатэрная камора таксе мохзт быть рассмотрена в виде Z-обрэзного колена: воздухозаборнсе.отверстие, сама камера и радиатор составляют определенные части колена. При этом радиатор играет роль своеобразной 'стешси канала и одновременно является рассредоточенным отверстием второй часта колена. В данном случае межосявое расстояние - это расстояние.меаду осью соотзетстЕукией части сердцевины радиаторе, т.е. той части Z-образноа траектории потока воздуха аэродинамическое сопротивление которой рассматривается. При определенном сочетании конструкции, геометрических размеров воздухозаборного отверстия, предрадиатерной камеры, радиатора и аэродинамического сопротивления радиатора возмогла ситуация, когда на участки площади радиатора находящиеся, на максимальном удалении от оси воздухозаборного отверстия мохе т, попасть большее количество Еоздухз чем на близлежащие. Такое явление будет возможным, когда сопротивление участка пути до дальней точки радиатора будет менте, чем до блпзззей. Участок радиатора, находящийся напротив воздухозаборного• отверстия всегда получит максимальное количество воздуха, поскольку поток в этом месте не испытывает искривления, и сопротивление этого участка пути мини-' мальное.

С22этагко£ харкав zttuoax у. распределения потока в

грО£р££2СЯСр2Эй КЗКЭрО ДЗОТ I-ОЗМОЭГОСТЬ ПрЭЕИЛЬНО ГЮЗДОЙСТВОВЗТЬ

23 усгс£2Я спосоиствукзо равномерному распределении штока по Срез?? радиатора а уц-ЗЕЬпенга аэродинамического сопротивления тргзта. Для S7ZX цздз£ с продрадааторюй камере могут сыть уста-sosasru всезоз::э;зуэ паправлявдпе элементы к. д. Кроме этого, ккзз £пцкес::о£ картина движения потока воздуха позволяет разработать гф^охтнззуа штодяку экспериментальных исследований. .

Еетпкио неравномерно распределенной скорости воздуха_на

теплоотдачу v общее аэродинамическое сопротивление радиатора. Кгззстео, что радиатор рассеивает меньше количество тепла при сйдусэ его потоке:.; воздуха, емзкспм неравномерную спюру скоростей, чгп ща обдуве- его рапнсмэрг^а потеком при том se расходе. В роаяьга условен: пэ иезгда удается получить высокую равномерность распределения скорости воздгха по поверхности радиатора. Еэотощ нэоззздгма количественная оценка стопэни снижения теплоотдача радаатора да определения целесообразности выполнения мэ-рецрглгга по исхенэнга конструкции воздушного тракта с целью вы-passscaszfi голя скоростей.

F2S33 расчет теплоотдачи радиатора с учетом неравномерного соля скоростей охлаздащ-эго воздуха в конструкторской практике СаЛ ограничен, поскольку считалось, что это связано с большим оЗьеасм егеслитвлъшх работ. В настоящее время препятствий для этого нет. Для стих целей бала разработана методика и программа, ярэдаазЕВ'-гонная для выполнения кнгенорных расчетов.

Ыэидака расчета теплоотдачи радиатора с учетом неравномерности воздуенэго потока основана на следующем принципе: сердце-вша радиатора разбивается па определенное количество алеменгер-шх участков, кадцый элемент, в свою очередь, считается самостоятельна! теплообмоноиком. Скорость воздуха через кавдй элемент садается в соответствии с впкроЗ поля скоростей, полученной в результате измерений скорости охлзздэвдзго воздуха на участках радиатора, установленного на макете или на автомобиле. Для ш-чгадакгя используется стандартная тепловая характеристика серд-цззилы радиатора. По stoS иэтодаке иогзт Сыть рассчитан радиатор о zzCi£¿ копгаэствоы ходов к заходов охлаздаидей ".щкоста.

Расист изстсогся с определения температура евдкости на евдо б радаахэр t's, прадалагая, что радиатор обдуваете- равно-гараа ара то:- ио расходе :сак в заданном поле скоростей.

:-.га parjps геэгго Суда? 22», чом теиюратура аадкостк на

входа в радиатор прл' реальном поле скоростей воздуха, поэтому она используется как начальное итерационное приближение.

• Затем начинается основной- расчетный цикл. Расчет ведется отдельно для каадой параллельной "струйки квдкостз", количество которых соответствует количеству рядов элементов (яа которые разбит радиатор) в поперечном сечении хода радиатора. Расчет начинается с первого ряда элементов ст входного патрубка. В первом итерационном цикле предполагается, что температура на входе в первые эломепты хода равна температуре определенной для равномерного поля. Используя уравнение теплового баланса меаду теплотой, подведенной с жидкостью к элементу, и теплоотдачей этого элемента можно найти разность томператур жидкости на входе и выходе из элемента. Одновременно с этим вычисляется количество теплота, рассеянной элементом. Так по каадой "струйке" хода.

Далее вычисляется температура кидкоста на выходе из элемента. В свою очередь жидкость с этой тегаературой поступает на вход следующего элемента. В копцэ хода яидкость, прошодпая через элементы, суеипзается в коллекторе и приобретает среди арифметическую температуру "слиез;!Хся струек". Ззтем поток вновь условно делится по элементам и расчет прэдолкается по следущему ходу радиатора до выпускного патрубка.

По окончанию цикла происходит проверка условия вштолнешм теплового баланса систем» охла:хдения в целом/ Если условие не выполняется, производится увеличеш:э из шаг температуры хг-дкости на входе в радиатор г и аычислэпия повторяются до тех пор, пока условие не будет выполнено с заданной степенью точности. Температура *ж при которой условие исполняется и есть искомая температура.

В процоссе вычислений происходит коррекция теплоемкости и плотности охлакдакцей жидкости в соответствии с ее температурой и теплофизичзеккмн свойствами.

Исследованы факторы, вызыванию снигвниэ теплоотдачи радиатора из-за норавнокерно распределенной скорости воздуха по фронтальной поверхности радиатора. Как показал анализ, теплоотдача рззшх радиаторов в разной степени зависит от неравномерности поля скоростей охландавдэго воздуха.

Коэффгцгеот реализации потенциальных сеойств радиатора к зависит от двух факторов: коэффициента неравномерности поля скоростей V а коэффициента чувствительности радиаторз к неравно-узриэстз полл О, з =1- Су. КсэЯэдган? неравномерности пелл ско-

е

poetes Езрагаэт огносательноо отклонение локальной скорости воз-даго га фронтальной поверхности радиатора ст среднего значения скорости:

(ш

I." г

«g»

V

7„

о о

гдо о; - среднеквадратичное отклонение скорости воздуха по фронту радаатора;

Уо - средняя скорость потока воздуха проходящего через радиатор;

я - капчзство участков, Е2 которых изггерепа скорость;

- величина скорости воздуха па локальном участке. Для внчзелалия коэффициента чувствительности теплоотдачи . радатора к неравномерности поля, по специальной методике, получено внрзгашю:

и "

4ff(7)dr- [/[70-х] *ЗГ{У0*Х)]Х

é> « —£-

[/[V*MV#

гдо f{?) - функция теплоотдачи радаатора от скорости воздуха;

% - значимый диапазон разброса локальной скорости воздуха.

Енотиий двапьзон разброса получец с помощью описанной выге методики е Слизок значению

а

X й — •

Елся тепловую характеристику радаатора, можно легко определит; кооФ5вдй«я х со заданной неравномерности поля. Величина эг всегда изньез единица.

Расчеты аогсазсли, что наибольшая величина С получается пр: ьижа значениях сродноС скорости воздуха. То есть, чем меньи скорость воздуха, те:; в больней степени теплоотдача радиатор zzzv.cz: ст срсдвгетздраглчпогс отклонения скорости воздуха п zzzz, (tza. 1). Чз:: Сольдо среднеквадратичное отклонение скорсст e:r»'¿"zr. f-..;: Cczlzz j»sS¿3£set С ггр:: есох сагчопиях сродно" cito

Воспользовавшись зышоизлозгеяной методикой, в качества примера определим коэффициент реализации потенциальных свойств радиатора, при обдуве его

Зависимость коэффициента чувствительности теплоотдачи радиатора от средней скорости воздуха

Ф

0.30

0.75 и.

0.20 0.15 0.10 И. 05 ОЮ

3 -

1 V

\

Л. \

3 \ ! N \

<\ \ \ ч N

5 К

0 « 2 3

а 4,0.

V

о о

1 ,0. 4 -

V'

АБС ТУэ.М/с

г - 2*2; V *

потоком воздуха с разными параметрами. Для большей наглядности параметры поля скоростой выбраны с таким расчетом, что коэффициент неравномерности поля во всех случаях одинаков и равен 0,5. При этом степень снижения теплоотдачи радиатора в значительной степоки изменяется в зависимости от средней скорости воздуха по фронту радиатора. Так, при средней скорости воздуха 2 м/с теплоотдача радиатора уменьшится на 4,42 по сравнению с равномерным полем при том яе расходе воздуха, при скорости 4 м/с -на 4,0%, при скорости б м/с -на 3,4%, при скорости 8 м/с -на 4,45. Как видим высокая неравномерность поля скоростей

приводит к заметному снижению теплоотдачи радиатора.

Креме -отрицательного влияния неравномерно распределенной скорости потока воздуха по Фронтальной поверхности радиатора на его теплоотдачу, такой поток увеличивает о'дае аэродшш.нческое сопротивление радиатора по сравнению с сопротивлением радиатора, обдуваемого равномерным потоком при том же расходе воздуха. Для определения степени изменения общего аэродинамического сопротивления радиатора также получено шразенио для вычисления коэффициента чувствительности общего аэродинамического сопротивления радиатора к неравномерности поля скоростей:

V*

0,5.

Рис. 1

5 -

0,1 ,

9 =

_ Уо

х]- *[Г0- х}]х

(1)

гдз ?(?) - функция потери давления на радиаторе от скорости воздуха.

На рис. 2 показано, как изменяется коэффициент ф в зависимости от средней скорости воздуха проходящего через радиатор. С ростом среднеквадратичного отклонения и средней скорости воздуха увеличивается ср, а вмзста с ним и общее аэродинамическое сопротивление радиотора. Коэффициент изменения аэродинамического сопротивления радиатора при неравномерном поле скоростей могло найти по формуле

К=1нр V (2)

СК>1).

Так как сопротивление радиатора составляет большую часть сопротивления воздушного тракта, то небольшое увеличе- Рис. 2

ние - аэродинамического сопротивления-радиатора из-за неравномерности поля скоростей воздушного потока приведет к существенному снижению расхода воздуха через радиатор.

Для примера рассмотрим варианты воздушных потоков, проходящих через радиатор, с параметрами, которые использованы в предыдущем примере. С помощьв формул (1) и (2) вычислим величину увеличения общего аэродинамического сопротивления радиатора. При одном и том же коэффициенте неравномерности поля скоростей (0,5) аэродинамическое сопротивление радиатора увеличится на 5,9% при средней скорости воздуха 2 м/с, на 3,4? цри скорости 4 м/с, на 2,42 при скорости 6 м/с и на 1,92 при.скорости 8 м/с. Если принять, что аэродинамическое сопротивление радиатора составляет 72,45 (ВАЗ-2108) от общего сопротивления тракта, то аэродинамическое сопротивление всего тракта увеличится на 4,5, 2,5, 1,5 и 1,4 процентов при скорости соответственно 2, 4, Б и 8 м/с. Понятно, что такоо увеличение аэродинамического сопротивления трота приведет к заметному сниманию расхода воздуха.

Зависимость коэффициента чувствительности аэродинамического сопротивления радиатора

от средней скорости воздуха ?

о и

0.53 0.40 0.30 0.23

а.1с о.со

ТЦо.М/С

Исследовательский комплекс и методика исследований. При исследовании движения воздушного потока по каналу воздушного тракта наиболее слохно провоста измерекио скорости воздуха, проходящего через сердцевину радиатора. Для этих целей обычно используются тер.юанемэметрн и приемники давления, но они по ряду причин мало пригодны для этих целой. Поэтому в качестве датчика скорости воздуха был выбран крильчаткй анемометр.

Датчик представляет из себя Бортуску с двумя лопастями, ус-тановл91шую на оси в кольцообрззном корпусе. Вращение вортуакк под действие'! потока воздуха прообразуется в электрические' сигналы частота которых пропорциональна скорости воздуха. Такой тип датчика из чувствителен к плотности воздуха, имеет небольшие габариты, хорошо стыкуется с цифровыми регистрирующими прибора',я.

Как показал теоретически анализ лп::нн тока в предрадиатор-ной камере значительно искривлены. Бывает так, что вектор скорости воздуха направлен почти вдоль поверхности радиатора. По-пытют измерения скорости воздуха перед радиатором часто приводят к большим искажениям величины скорости. В таком"случае скорость воздуха лучше измерять за радиатором, что и реализовано в предлагаемой методике. В' случае, когда поток создается вентилятором, иногда мояш измерять скорость перед радиатором, поскольку здесь характер движения воздуха несколько иной и погрешность измерений будет не столь значительной.

Для "автоматизации изу.эрс:гая скорости воздушного потока в разных точках фронтальной поверхности радиатора был изготовлен координатный механизм пореме^зния. В процессе измерений несколько датчиков с помощью механизма перемещаются вдоль всей поверхности радиатора. Это позволяет измерить скорость воздуха по всей поверхности радиатора за один проход. Направляющее кольцо анемометра устанавливается вплотную к поверхности радиатора.

Для автоматизации проведения экспериментов и обеспечения регистрации больного объема измерительной информации был специально разработан бортовой измерительно вычислительный комплекс на базе микро-ЗШ. Комплекс позволяет производить измерения большого количества параметров автоматически по заданной программе в условиях стационарных и дорогззых испытаний. Далее информация моает быть оттранслирована на ППЗВМ для последущей обработки.

Предлагаемая методика исследований и датчики скорости воздуха - крыльчэтые анемометры дазт ноше возмошосга для ссвер-

/йенствования воздушного тракта система охлаждения легкового ев. томобиля. Позволяют Солее рационально построить технология конструирования я доводки воздушного тракта в зависимости от стадии работы. Ка первой стадии проектирования теплоотдача радиатора коЕвт быть рассчитана с учетом неравномерности воздушного потока полученного па прототипе. На последующих этапах когда имеется фззичосиая модель воздушного тракта или экспериментальный образец автомобиля производится отработка элементов воздушного трак' та в условиях стендовых или дороишх испытаний. Предлагаемая методика позволяет выявить действие любого элэкэнта на эффективность подачи охлаздащего воздуха. Эффективность оценивается как шзуошга по полученной эпюре скоростей, так и количественно по расходу воздуха и неравномерности воздушного потока. Окончательная оценка иожет быть дана после определения теплоотдачи радиа-' тора по вышеизложенным методикам.

Таким путем можно производить отработку: конструкции пред-радиаторной камера; конструкции и местоположения воздухозаборных отверстие; конструкции спойлера и подводящих каналов; конструкции направляпцего аппарата и т. д. Методика позволяет наиболее рационально выбрать соотношение использования ыабогандего потока и вентиляторной установки, обеспечивающее движение на всех режимах с минимальными затратами мощности для подачи охлаждающего воздуха. Подобрать вентилятор и конструкцию кожуха вентилятора.

Методика позволяет сократить сроки доводки воздушного трак" та система охлаждения двигателя легкового автомобиля как минимум d Б - 7 раз при более высоком их качестве.

Результаты экспериментальных исследований распределения воздушного потока по фронту радиатора. Целью экспериментальных . исследований являлось проверка шеодов сделанных в результате теоретического анализа и отраОот-ai самой методики экспериментальных исследований. •.''

Дяя. исследования распределения воздушного потока по фронтальной поверхности радиатора был использован воздупный тракт " системы охлаждения двигателя автомобиля BA3-210S. Воздушный тракт система охлаждения автомобиля был использован как модель вогдугаого тракта с различными схеыагла забора охлаждающего воздуха. . В результате внесения кзмепений в конструкцию тракта БЛЗ-21СЗ удалось получить три варианта схем конструкций еходной части есодуепого 5ракта.

ISp^as cxs,\£¡ - tro сор^2пы£ вариант, когда есть две возду-

хозаборшас отверстия, расположенных над бампером а под ним. Этот вариант отличается от сорийвого исполнения только тем, что на лицевой паяода автомобиля и на перегородке, раэдэлящей предра-дизторную камеру и моторный отсек, загерметизированы все технологические цели. Это сделано для того, чтобы исключить перетекание воздуха, минуя воздухозаборние отверстия и сердцевину радиатора. Такая схема имеет наибольиеэ распространение.

Вторая схема входной части воздушного тракта получена путем герметизации кяхнего воздухозаборного отверстия. Такая- схема с одним воздухозаборным отверстием, расяолокаяшм над бампером и проецируемым на верхний часть радиатора, часто используется при конструировании.

В третьей схеме, наоборот, загерметизировано верхнее отверстие и воздух поступает через нижнее. Такая схема все чан;э применяется на современных автомобилях.

Во всех случаях измерения проводились по вышеизложенной методике с помощью крыльчатих анемсмэтроз в 32 точках на поверхности радиатора. Замэры выполнялись при скорости движения 40, 60, 80, 100, 120 и 140 км/ч.

Первая схема. Учитывая, что вентиляторная установка демонтирована, могло сказать, что воздушный поток более или менее равномерно распределен по поверхности радиатора.' На рис. 3 показано как изменяется средняя скорость воздуха и кооМэдпент неравномерности поля скоростей в зависимости от скорости двжзния автомобиля. Видно, что болыге всего неравномерность наблюдается на малых скоростях двикенкл.

В табл. 1 приведены результаты распределения скорости воздуха по фронтальной поверхности радиатора при скорости движения ICO vl 120 23,1/4. Расположение ссн дало при взгляде на радиатор крсггэ года дягмигя аатааэйаяя (0*4 :??астла).

Зависимость средней скорости воздуха и коэффициента нэравноморнос-ти от скорости движения автомобиля

М/с Б.О

5.0

4.0

2.0

2.0

1.0

О О

\

V

КЗ

га

Рис. 3

V

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

«я 1я ví.km/d

Распределение скорости воздуха по зонам радиатора

Таблица 1

. Скор. Номер гоны

км/ч 1 2 3 4 5 6 7 8

2,92 3,14 3,59 2,28 4,59 4,14 5,25 5,65

100 4,06 4,19 4,00 4,63 4,59 4,32 4,37 4,25

3,41 4,01 4,08 4,01 4,17 4,22 3,60 4,56

2,04 2,75 2,38 3,76 2,53 3,20 4,05 3,34

3,78 3,59 4,28 5,30 5,80 5,23 6,14 7,03

120 5,66 5,09 5,12 5,79 5,61 5,51 5,67 5,41

4,51 4,55 5,00 4,97 5,19 5,18 4,53 5,97

2,55 3,17 3,06 4,69 3,17 4,03 5,31 4,24

Анализируя эпгры■ скоростей, мокно сказать, что скорость в левой части .радиатора несколько виге чем справа, это вызвано влиянием подкапотного пространства. Слева дшинив воздуха препятствует блок двигателя. Если рассмотреть распределение возданного потока в вертикальной плоскости, то видно, что на ниишэ участки радиатора попадает меньшее количество воздуха, чем на верхние.

Вторая схема. Поскольку конструкция воздуиного тракта система охлаждения ВАЗ-2I03 по предполагает использования только верхнего забора воздуха, поток воздуха очень плохо распределяется по поверхности радиатора в вертикальном направлении. Это хо-роио видно на табл. 2.

Этот эксперимент показывает, как вздет собя поток в стесненных условия продрадиаторной каморы. Подтверждаются выводы теоретического анализа, сделанные во второй главо. При неблагоприятных условиях струя на коротком отрезке пути не успевает перераспределиться по Есей поверхности радиатора. В данном случае проекция верхнего воздухозаборного отверстия попадает в ворхнш часть радгаторз.

Третья схема. Закономерность распре деления воздутаного потока в данном случае' совсам другая. То есть получен още один вариант компоновки тракта с характерными параметрами.

Распределен;» скорости воздухэ по зона'«! радиатора /

Таблица 2

Скор. Нсязр зоны

км/ч 1 2 3 4 5 б С* 1 8

2,65 2,80 2,75 3,15 3,43 3,53 4,11 4,83

100 2,91 3,53 3,23 4,49 4,28 4,43 4,02 4,28

0,14 0,28 0,40 0,41 0,34 0,40 0,30 0,00

0,00 0,00 0,00 0,00 0,С0 0,00 0,00 0,00

3,67 3,49 3,95 4,88 4,78 4,31 6,17 6,92

120 4,ТО 5,32 4,54 6,43 5,41 5,21 5,60 5,69

0,00 0,0С 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0.34 0,00 0,32 0,00 0,00 0,00 0,62

В табл. 3 приведены данные по распределении скорости потока воздуха по фронтальной поверхности радиатора при заборе воздуха через кианзе отверстие.

Распределение скорости воздуха по зонам радиатора ■

Таблица 3

Скор. Номер зоны

км/ч 1 2 3 4 5 6 7 8

0,64 0,95 1,75 2,32 2,43 2,29 3,02 2,41

100 0,00 0,00 0,С0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 2,67 2,55 2,56 2,03 2,35

1,78 2,67 2,56 4,16 2,71 3,00 4,07 3,02

1,20 1,51 2,72 2,84 2,75 2,62 2,95 1,72

120 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 2,30 3,15 4,41 4,31 2,91 3,52

2,47 3,45 3,19 5,03 3,97 4,56 5,12 3,93

Распределение потока воздуха з данпса случае горзкгарза ?гм, что через зкз, ргсяологевЕза чуть кгэ сарадаа рдасгсра

(ЕТороЗ ряд сверху), воздух но проходит. Зато в верхнею часть радиатора попадает достаточно больное количество воздуха, хотя ота часть наиболее удалена от впускного отверстия. Вновь, подтверждена выводы теоретического анализа, сделанные во второй глаэо. В давно« случае поток воздуха в предрадиаторной квмеро движется так, как в г-образном колене. Сопротивление участка пути до более дальней зоны радиатора (первый ряд) от оси отверстия будет меньше, чем до ближних зон (второй ряд).

Для прозерки эффективности использования направлящих эле-мэнтов в канале предрадиаторной камеры для выравнивания поля скоростей воздушного штока по фронту радиатора, проведен специальный эксперимент. Для атого была выбрана третья схема с закрытым верхним отверстием, где наиболее слокные условия распределения воздушного потока. В канале нижнего воздухозаборного отверстая была установлена профилированная пластина, разделяющая отверстие вдоль на две части. Так как пластина установлена под углом к поверхности радиатора, она отсекает верхнюю часть струи и направляет ее выше по радиатору. В результате этого удалось перераспределить поток по поверхности радиатора более рационально (см. табл. 4).

Распределение скорости воздуха по зонам радиатора

Таблица 4

Скор, автемоб. км/ч Номер зона

1 2 3 4 5 6 7 8

100 0,93 0,00 0,00 1.54 1,44 0,00 0,00 2,20 2,55 1,51 1,36 2,17 3,18 2,80 2,46 2,14 3,32 2,43 2,45 2,11 2.92 1.93 2,74 2,56 3,26 1,53 2,51 1,93 2,38 0,67 3,01 2,75

120 1.25 0,00 0.00 2.18 1,70 0,00 0,00 2,40 3,07 0,05 2,89 2,91 4,27 3,67 3,30 3,62 4,21 3,30 3,30 2,82 4,43 3,23 3,79 3,95 5,01 1,95 2,97 2,69 3,90 0,32 3,89 3,37

Благодаря лучшему распределению коэффициент неравномерности паля укепышяся пэ 35, 22, 39, 40, 29 процентов (щи скорости

ir

двяжеыия соответственно 40, 60, 80, 100 и 120 км/ч). А поскольку улучшилась организация потока в продрадиаторной камере, уменьшилось мастное сопротивление капала; увеличилась равномерность поля, следовательно уменьшилось суммарное сопротивление радиатора. Об этом свидетельствует увеличившийся расход' воздуха па 52, 29, 23, 16 и и 16 процентов. Нужно оплетать, что на малых скоростях расход увеличивается в больней степени. Это очень ваяно, поскольку именно на этих скоростях наблюдается более высокая неравномерность поля. Обычно на этих скоростях необходимо более интенсивное охлаждений, поскольку здесь возможна высокая тепло-нагрунэнность двигателя (движение на подъем, движение с прицепом, движение в тяжелых дорс:зшх условиях).

Полученные результаты показывают, что с помощью направляющих элементов можно эффективно регулировать распределение потока воздуха по поверхности радиатора и значительно улучшить аэродинамические характеристики тракта', что способствует поЕЕшениа эффективности системы охлаждения.

Проведена серия экспериментов по изучению распределения воздушного потока, созданного вентилятором. Методика измерений отличалась лгаь тем, что механизм перемещения с анемометрами устанавливался перед радиатором. Как и следовало ожидать, распределение потока воздуха созданного, работой вентилятора, в значительной степени отличается от распределения потока, возникающего под действием набегащэго воздуха. Расположение возд;,гхоз£б:-г ;:-:х отверстий в меньшей степени влияет на распределен::- потока по фронту радиатора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате теоретических и экспериментальных исследованг.й получены следующие результаты:

1. Исследованием физической картины распространения потока воздуха в прэдрадяаторной каморе установлено, что в условиях стесненного пространства предрадиаторной камеры современного легкового автомобиля может создаваться значительная неравномерность воздушного потока то фронтальной поверхности радиатора. При этом конструкция входной части воздущпого тракта легкового автомобиля играет больсое значение. Малые размеры предрадиаторной катары и воздухозаборшх отверстий, их расположение относительно радиатора затрудняют равномерное распределение воздуха к хазуздавт рассматривать структуру воздушного потока, как струй-

всю течение.

2. Предлагаемая метода«, расчета теплоотдачи радиатора позволяет определить аффоктишость радиатора с учетом неравномерного распре делания скорости воздуха то поверхности радиатора по заданному шлю скоростей воздушного потока. Это дает возможность определить реальную теплоотдачу радиатора, установленного на автомобиль.

3. Снижение теплоотдачи радиатора, вследствие неравномерногс распределения скорости воздушного потока по фронту радиатора, зависит от коэффициента неравномерности шля скоростей и от характеристики самого радиатора. Для определения степени снижения теплоотдачи радиатора из-за неравномерно распределенной скорости воздуха го поверхности радиатора разработана методика, позволя-щая оценивать чувствительность теплоотдачи радиатора к неравномерности воздушного потока. Расчеты показывают, что наибольшее влияние неравномерность поля скоростей на теплоотдачу радиатора оказывает ори малой скорости воздуха. Так например, при коэффициенте неравномерности поля скоростей 0,5 я средней скорости воздуха 2 м/с теплоотдача радиатора уменьшается на 4,42.

4. Неравномерное распределение скорости воздуха по фронтальное поверхности радиатора приводит к увеличению общего аэродинамического сопротивления радиатора по сравнению с вариантом равномерного распределения потока воздуха при том же расходе. С ростом неравномерности поля скоростей увеличивается аэродинамическое сопротивление радиатора и как следствие снижается расход воздуха. Расчет, с помощью полученной зависимости, показывает, Что более всего общее аэродинамическое сопротивление радиатора изменяется при малой скорости воздуха через радиатор. Например, при коэффициенте неравномерности поля скоростей 0,5 и средней скорости воздуха 2 и/с сопротивление радиаторе увеличивается на 5,95.

5. Разработанная аппаратура и реализованная методика экспериментальных исследований воздушного тракта, позволяет измерять реальную скорость воздуха, проходящего через сердцевину радиатора. прямым путем оценить эффективность подвода охлаждающего воздуха к радиатору системы охлаждения. Эта методика использована на Волжском автомобильном заводе в отделе доводки двигателей.

6. Предложенная методика доводки воздушного тракта системы охлаждения двигателя легкового автомобиля, вклотащая в себя методику вкспервменталышх исследований воздушного тракта и рас-

четный мохашш, позволяет сократить сроки доводки системы ох-лаздекия двигателя легкового автомобиля в 5-7 раз.

7. Применение направлявшего аппарата в прздрадиаторной каморе показало хорошие результата по повыизншз аэродинамических хорактзрист^с тракта и оптимальному распределению поток.? воздуха по поверхности радиатора. При скорссти 40 км/ч расход охлаждающего воздуха вырос на .51,53, при 80 км/ч на 28,6%, при 80 км/ч ьа 23,2?», при 100 км/ч на 16,32 и при 120 юл/ч на 15,9%. Неравномерность воздупного потека уменьшилась на 35, 22, 39, 40 и 29 процентов соответственно при скорости даикипш 40, 60, 80, 100 и 120 км/ч. Наибольший sKäkt направляющего элемента наблюдается на малых скоростях дпжоыпя, что особенно ваетэ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работа:.:

1. Хсменко С.Е., Петров Л.П., Коваль В.В. Измерительный ко:.ллекс для оценки поля скоростей охззедаздрго воздуха системы охлаадэния авто:,'.обильно го двигателя // Проблемы проектирования ,констру.чцаЁ: СО. крат;:.':; согбен;Л II Уральского семинара. Класс, 1939. - 0. 16-21.

2. Хомонко С.Е., Петров Л.П., Коваль В.В. Результаты исследования системы охла::де;~;я автобуса // Проблемы проектирования конструкций: Сб. кратких сообг.г-ниЯ IV Уральского семинара. Ыиасс, 1991. - С. 203-209.

3. Петров А.П., Хомекко С.Е. Определение влияния неравномерности воздушного потока на теплоотдачу радиатора. Тез. докл. Российской еколы по проблема:! проектирования неоднородных конструкций. - Мласс, 1991. - С. 6-7.

4. Хоменко С.Е., Петров А.П. Измерительный комплекс для оценки аэродинамического баланса систеш охлаждения автомобильного двигателя. Тез. докл. науч.-практ. конJap. "Разработка и применение новой техники, технологии и автоматизированных сис-тзм в промышленности. - Курган, 1933. - С. 35-36.