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

Челябинский государственный технический уЕИЕзрснтет

Петров Александр Павлович

ССБЕПЛНКСТВОЕАНИЗ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА СКТНУ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЯШШ ДКПЧИШ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ

05.05.03 - автомобили и тракторы 05.04.02 - топлошв двигатели

автореферат диссортацил на соискание ученой степани кандидата технических наук

На правах рукописи

Челябинск-! ?>оз

Работа выполнена на кафедре "Автомобили" Курганского ыз-шностроительиого института.

Научные руководит^ та:

доктор технических наук, профзссор. академик ATP A.C. Терехов

кандидат технических наук, доцес?

Г.Н. Шгдггко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик АТР В.А. Укип-ка

кандидат технических цаук, дсцмгг Л.К. ЗЙ2»1"В

Бздащяя организация: АО "Волгский автомобилыяй завод" (г. Тольятти)

Защита состоится "к^" }Э92 г- с часов на

заседании сгшцкаЛизировашюго^совзта'к 13.02 при Че.кя£пне:сса государственной техническом университете (адрес: 454030. г. Челябинск, пр. им. В.И. Левина, 73).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять ученому секретарю совета по шавуказашо:^ адресу. -

'.л.

YS

Автореферат разослан ' KQJc^i^933 г.

' институт, 1933

Ученый секретарь специализированного совета -■*/"' кандидат технических наук . ' 'З'^гСк^' В.В. Еестков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК! РАБОТЫ

Актуальность темы. Для работы системы жидкостного охлахде-вия двигателя легкового автомобиля троится значительное количество энергии, причем больная часть для подачи охлаудающэго воздуха. При работе вентилятора происходит прямое потребление энергии, а подача воздуха под действием набегающего потока происходит за "счет увеличения аэродинамического сопротивления автомобиля.

. В настоящее время задача конструирования воздушного тракта усложнилась тем, что растет мощность двигателей автомобилей и их максимальная скорость, а, с другой стороны, условия работы система охлаждения все Солее ухудшаются. Это'прежде всего связано с лэсткими требованиями к аэродинамической форме автомобиля, приведшими к снижению линии капота, когда все меньше места остается для размещения радиатора и выгодного размещения воздухозаборного отверстия, уменьшается площадь проходного сечения воздухозабор-ных отверстий. Плотная компоновка канала воздушного тракта также затрудняет движение охлаждающего воздуха.

Накоплен большой опыт по вопросам обеспечения подачи воздуха для охлаждения двигателя аБТС!.:обиля, но традиционный подход к втоЯ проблеме, по ряду выщепэречислэнных причин, уне не отвечает современным требованиям. До сегоднящпэго дня основным методом конструирования воздупного тракта остается метод многократных изменений. Но суцествушнэ методики доводки воздушного тракта не приспособлены к ноным условиям конструирования, и поиск оптимальной конструкции тракта сопровождается большими вр?кекнк?5и и материальными затратами.

Цель работа. Разработка методики поиска оптикальоз конструкции воздушного тракта сиг.тэмн еидкостного охлаядения двигателя легкового автомобиля на стадии доводки, обеспечивающей сокращение времени доводки системы охлаждения и повышение ее зф-Фэктивности.

Научная новизна. Разработана эффективная методика анализа конструкции воздушного тракта • системы еидкостного охлаждения двигстеля легкового автомобиля. Определены факторы, формирующие поле скоростей охлаждающего воздуха по фронтальной поверхности радиатора. Получены зависимости для определения влияния неравномерности поля скоростей воздушного потока на тепловую эффективность и аэродина»,1ическое сопротивление радиатора.

Практическая ценность. Разработанный расчетный механизм

позволяет на стадяк проектирования и разнив стадиях довода автомобиля иоле8 точно оценить эффективное!ь системы охлаждения. Реализованная методика испытаний дает еозусзюстъ , цолэнаправлэ-но, в короткие сроки с минимальными ззтратаги, осуществлять доводку воз душой части системы охлаждения двигателя автомобиля, . Даны рекомендации, позволявдие получать конструкция передне! части воздушого тракта, обоспечивзющуа равномерный подвод воздуха к радиатору, и снизить аэродина;.кчоское сопротивление тракта.

Реализация результатов работы. Методика испытаний, связанных с осуществлением измерения скорости охлаждающего воздух внедрена на Волжском автомобильном заводе в отделе доводки двигателей и получила положительный отзыв. Результаты работы используется в учебном процессе Курганского маашностроителыюп института для проведения лабораторных занятий.

Апробация работы. Основные псиюизш'Я диссертационной работ) докладывались: на Научно-практической кон£зрэпеги "Разработка ¡ применение новой техники, технологии и авто::^т-:::;ьрованнцх систе! в промышленности" (г. Курган, 1933); на II (1938), III (1989) i IV (1990) Уральском семинаре "Проблем проектирования конструкций", Уральское отделение академик наук СССР, !.!иасс; на Россия окой школе по проблемам проектирования неоднородных конструкцп; (г. Ыиасс, 1991).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав выводов и заключения, приложения и содержит 105 страниц основно го текста, 56 иллюстраций (43 стр.) и список литературы из 11 наименований и 9 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса и постановка задачи. Проведен аналитичес кий обзор исследований, по вопросам подачи воздуха в систем жидкостного охлаждения двигателя, в опубликованных работах Е.А Будим, А.И. Буравцова, В.В. Буркова, Б.Я. Гилева, Б.А. Добряко ва, А.Н. Взграфова, В.А. Мамедова, М.Г. Пантюзшна, Н.Т. Умироьа В.В. Филимонова, Э.Е. Хмельницкого, М.Е. Олсон, В.Г.Гухо, Дн.П Чу, А. Костелли, П. Габриэль, Д. Глорданенко, X. Катагири, Е Танигути, Ы. Судзуки, Г. Фенкель, К. Тику и т. д.

Как показал анализ отечественной, литературы теоретически разработки по вопросам обеспечения двинэняя воздуха в систем охлаждения (значительные в свое время) давно еэ отвечает потреб

ностям развитая отечественной автомобильной промышленности.

ОСзор Барубежвой печати показал, что накоплен большой экспериментальный материал в этом направлении и начаты активные теоретические обобщения и проработки.^До сегодняшнего дня основиым остается экспериментальный метод разработки воздушного тракта.

Внутреннее течение воздуха через канал системы охлаждения имеет существенное влияние на аэродинамическое сопротивление движению автомобиля. Система охлаждения легкового автомобиля дает увеличение аэродинамического сопротивления автомобиля до 10 и более процентов.

Тенденция развития современного легкового автомобиля все более усложняет проблему конструирования воздушного тракта система охлавдзжя. Изменившиеся условия подачи охлаждающего воздуха заставляют искать новые подхода для совершенствования воздушного тракта системы охлакдения.

Для подачи охлаждающего воздуха необходимы затраты энергии, но часто этот процесс сопровождается неоправданными потерями. Среда них выделены две - это снижение теплоотдачи радиатора в связи с неравномерным распределением скорости потока воздуха по фронтальной поверхности радиатора и аэродинамические потери. В первом и во втором случае эти потери приходится компенсировать дополнительными затратами энергии.

Подвергнуты анализу методики испытаний и доводки воздушного тракта. Воздушный тракт и эффективность подачи охлаздащэго воздуха в основном оценивается по сопротивлению элементов тракта и расходу воздуха. Методики измерения других параметров возд-шого потока, применяемые обычно, приводят к большим искажениям реальных величин.

Исходя из анализа состояния вопроса, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследовать физическую картину формирования потока охлая-дащего воздуха, его движение и распределение по фронтальной поверхности радиатора. Установить факторы влияющие па равномерность распределения потока воздуха и оценить возможность выравнивания воздушного потока по ргдиегору й снижения аэродинамического сопротивление тракта*

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

3. Определить параметры поля скоростей воздушного потока в

его езаг.шда2с"220 с радиатором, приводящие к снижению топлоот-дос: шслэдаэго. Разработать методику определения степени сниззе-Е2Я теплоотдачи радиатора кз-за неравномерности потока воздуха.

4. topa до лить вешние неравномерности воздушного потока, проводящего через радиатор, на его общее аэродинамическое сопротивление . t

5. Разработать методику доводки воздушного тракта системы ¡гзэдкосгоого охлазденкя двигателя легкового автомобиля.

Теоретический анализ движения воздуха по воздушному тракту системы.охлаждения и поиск путей совершенствования тракта. Почему происходит неравномерное распределение воздушного потока по фронтальной, поверхности радиатора и как выровнять этот поток? Более годно ответить на эти вопросы Можно, изучив физическую картину движения воздуха по воздушному тракту системы охлааде-ESH. Необходимо выяснить картину -двикешя воздуха в прадрадиа-sopsoñ камере, поскольку именно здесь происходит формирование и распределение штока, проходящего через сердцевину радиатора. Ери втом воздухозаборнне отверстия,.прадрадиаторная камера я радиатор составляют большую часть аэродинамического сопротивления воздушного тракта.

■Црвдрадиаторная камера представляет собой ограниченный со всех сторон объем в передней стенке которого шзется входное отверстие, а задней стенкой служит радиатор, причем эта стенка шеет полупроницаема свойства.

Распространенно потока воздуха в условиях свободного и стесненного пространства исследовано Г.Н. Абрамовичем, М.И. Грн-штлиным, В.Н. Талиегам, И.А. Шепелевым и Др. На основании анализа этих работ MOZHO заключить, что поток, втекающий вдрэдра-диаторную камеру, не сразу заполняет все поперечное сечение камеры. После отрыва от кромки воздухозаборного отверстия поток шеет четкую форму и двдаатся в вида струи (более половины пути до радиатора). Лшь на некоторой расстоянии' перед радиатором струя меняет направление и растекается по поверхности радиатора. Ери этом радиатор ешолнявт двоякое действие: с одной стороны радаатор яелязгсй препятствием для прохождения воздуха а вынуи-даэт шток шрераспрэдэляться по поперечном? сэчоепз камера, по, с другой стороны поток, пропнказ? через tro ссрдцевину на тон EŒ шоа участке. То есть рзспрадолои;¿.-.■здушэго потока по ifpœn'K&acîï извергшее: радпгторз зависит не толы® от конструк-xzü восдзтсзвбораш: отверстий s прсдрадаторпэй камеры, но к от

проницаемости радиатора (аэродинамического сопротивления).

В предрадиаторной каморе при перераспределении воздушного потока происходит сложный процесс. Радиатор в этом процессе играет особую роль. Подобная проблема распределения воздуха била исследована И.Л. Повхом. Он исследовал а"1яниэ сетки, установленной в трубе, на выравнивание поля скоростей воздушного потока пс поперечному сечению канала. Било установлено, что сетки с разным аэродинамическим сопротивлением оказывают на поток различное выравниващее действие. Получена зависимость степени выравнивающего действия сетки от ее проницаемости. Такие же действие на потек воздуха оказывает радиатор в предрадиатерной камере .

На практике возможно такое явление, что возникает при движении потока воздуха по г-образному колену, исследованному И.Е. Идольчиком. Такое колено в зависимости от расстояния между осями подводящего и отводящего каналов имеет разное аэродинамическое сопротивление. В начале при увеличении межосеього расстояния сопротивление г-образного колена резко увеличивается, а при достижении некоторой максимальной величины - увеличение межосевого расстояния приводит к плавному уменьшению сопротивления.

Предрадиаторная камора также может быть рассмотрена в виде 2-оСрззного колена: воздухозаборное.отверстие, сама камера и радиатор составляют определенные части колена. При этом радиатор играет роль своеобразной стешси канала и одновременно является рассредоточенным отверстием второй части колена. В данном случае межосевое расстояние - это расстояние между осью соответствующей части сердцевины радиатора, т'.е. той части г-образной траектории потока воздуха аэродинамическое сопротивление которой рассматривается. При определенном сочетании конструкции, геометрических размеров воздухозаборного отверстия, предрадиатерной к&кзры, радиатора и аэродинамического сопротивления радиатора возмозяа ситуация, когда на участки площади радиаторз находящиеся, на максимальном удалении от оси воздухозаборного отверстия может, попасть больнее количество воздуха чем на близлежащие. Такое явление будет возможным, когда сопротивление участка пути до дальней течки радиатора будет меньше, чем до блиаией. Участок радиатора, находящийся напротив воздухозаборного отверстия всегда получит максимальное количество воздуха, поскольку поток в этом месте не испытывает искривления, и сопротивление этого участка пути минимальное .

Сзгиз £2з;гчзс:-;э2 картина дзйлсония и распределения потока в гродрздгаторной камора дззт возможность правильно воздействовать из усговсл спосоСствугсдо разномерному распределении потока по Средту р2^:атора и уконьгенизв аэродинамического сопротивления Для втех цэлэ£ с прэдрадпаторнэй камере могут бить угта-есзлопн вс&аозкоя21э вапразлящио элементы п. д. Кроме этого, вленпо Слзэтоеко2 картина двизиния потока воздуха шзеоляот разработать афвоктавауа изтодяку эхепаримеиташва исследовав:«.

В,ттжэд неравномерно распределенной скорости воздуха_на

таплоотдачу я общее аэродинамическое сопротивление радиатора, гйзостзо, что радиатор рассеивает меньшее количество тепла при еЗдувэ его потоке." воздуха, ккегезш неравномерную эпюру скоростей, чей при обдузэ его рзшзьэргай потоком при том ко расходе. в розльа^х у&йоезях ш Есогда удаотся получить высокую равномерность распрэдодэгла сюр-оста воздуха по поверхности радиатора. Еогтоцу азоЗгодла количественная .оценка степени снижения тепле-стдзта радиатора для определения целесообразности выполнения мэ-рсщсттгЗ^по г^ёнеззи» конструкции воздушного тракта с цель» вы-ргзшвазия ноля скоростей.

Раю© расчет теплоотдачи радиатора с учетом неравномерного поля скоростей охлаидащего воздуха в конструкторской практике бил ограничзн, поскольку считалось, что это связано с большим объешь вычислительных работ. В настоящее время препятствий для этого кет. Для этих целой была разработана методика а программа, ирэдназначонная для выполнения инженерных расчетов.

Мотодака расчета теплоотдачи радиатора с учетом неравномерности воздушного потока основана на следующем принципе: сердцевина радиатора разбивается на определенное количество алементар-кых, участков, каадый олемзкт, в свою очередь, считается самостоятельна: теплообменнике!,!. Скорость воздуха через каздый элемент задается в соответствии с второй поля скоростей, получеетой в результате измерений скорости охлаздащего воздуха на участках радиатора, установленного на макете или из автомобиле. Для вычисления используется стандартная тепловая характеристика сорд-Ц32ЫП1 радиатора. По этой методике коеот быть рассчитан радаатор с количеством годов к заходов озшзздащеЗ жидкости.

Расчз? начинается с определения температура жидкости на £2сде з рэдгзгзр 1.., предполагая, что радиатор обдуваете.'; равно-кергга нотах» ври то.м хз расходе ш в заданном поле скоростей.

«свз$сззрг зеэтда Суде? явгэ, чая тегяаратура гздкости на

входа в радиатор при реальном полз скоростей воздуха, поэтому она используется как начальное итерационное приближение.

Затем начинается основной расчетный цикл. Расчет ведется отдельно для каждой параллельной "струйки жидкости", количество которых соответствует количеству рядов элементов (на 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 элементы хода равна температуре tx, определенной для равномерного поля. Используя уравнение теплового баланса мэзду теплотой, подведенной с жидкостью к элементу, и теплоотдачей этого элемента можно найти разность температур кидкости на входе и выходе из элемента. Одновременно с этим вычисляется количество теплота, рассеянной элементом. Так по каждой "струйке" хода.

Далее вычисляется температура жидкости на выходе из элемента. В свою очередь гадкость с этой температурой поступает на вход следующего элемента. В конце хода явдкость, прошедшая через элементы, смешивается в коллекторе и приобретает среднеарифметическую температуру "слпкмхся струек". Затем поток вновь условно делится по элементам и рпечет продолкается го следующему ходу радиатора до Еыпускного патрубка.

По окончанию цикла происходит проверка условия выполнения теплового баланса системы охлаждения в целом. Если условие не выполняется, производится уволичешге на шаг температуры едкости на входе в радиатор и вычисления повторяются до тех пор, пока условие не будет выполнено с заданной степенью точности. Температур3 %х при которой условие выполняется и есть искомая температура.

В процессе вычислений происходит коррекция теплоемкости и плотности охлаздгщей жидкости в соответствии с ее температурой и тешгофязическими свойствам;.

Исследованы факторы, вызыванию снижение теплоотдачи радиатора из-за норавпомерно распределенной скорости воздуха по фронтальной поверхности радиатора. Как показал анализ, теплоотдача разных радиаторов в разной степени зависит от неравномерности поля скоростей охлавдзвдего воздуха.

Коэффициент реализации потенциальных сеойств радиатора ге зависит от двух факторов: коэффициента неравномерности поля скоростей V а коэффициента чувствительности радиатора к неравномерности поля О, г =1- Су. Коэффициент неравна,кзрностя поля ско-

ргетей Енрггзз? относительное отклонение локальной скорости воздуха со фронтальной поверхности радиатора от среднего значение скорости:

V

7 7

о о

где» о - среднеквадратичное отклонение скорости воздуха по фронту радиатора;

70 - срадаяя скорость потока воздуха проходящего через радиатор;

п - колгчастЕЗ участков, на которых измерена скорость; 7, - £олзч2Е2 скорости воздуха на локальном участке. Дял ютасдзнкя коэффициента чувствительности тсплоотдаш .радаатора к неравномерности поля, по специальной методике, получено ЕцрагепЕо:

V*

' - Го

{? « ——---

'[/(у*М7<гф

где /(7) - функция теплоотдачи радиатора от скорости воздуха;

% - значимый диапазон разброса локальной скорости воздуха.

Заачишй диапазон разброса, получен с помощью описанной выше методики 2 близок значении

о

у и - .

Го

Зная тепловую характеристику радиатора, можно легко определит ко&йпциэет 2 по заданной неравномерности поля. Величина гг веег до кзпьез единица.

Расчзти показали, что наибольшая величина О получается пр ензчошгяе средней скорости воздуха. То есть, чем мзаьв скорость воздуха, тем е сояьаой степени теплоотдача радиатор еезкег? от (уэдаеетадратЕчаого отклонения скорости воздуха п езда (рг:с. 1). Чо:.: Сельпо срздзз::вздрз?ичное отклоните скорост соадао с^п Сслгэ :»с$|352га? 5 при есох гиатекгях сродаай ско

Воспользовавшись вышеизложенной методикой, в качества примера определим коэффициент реализации потенциальных свойств радиатора, при обдувэ его потоком воздуха с разными параметрами. Для большей наглядности параметры поля скоростей выбраны с таким расчетом, что коэффициент неравномерности поля во всех случаях одинаков ' и равен 0,5. При этом степень снижения теплоотдачи радиатора в значительной степени изменяется в зависимости от средней скорости воздуха по фронту радиатора. Так, при средней скорости воздуха 2 м/с теплоотдача радиатора уменьшится на 4,4% по сравнению о равномерным полем при том г.в расходе воздуха, при скорости 4 м/с -на 4,0%, при скорости б м/с -на 3,4%, при скорости 8 м/с -на 4,4%. Как видим высокая неравномерность поля скоростей приводит к заметному снижению теплоотдачи радиатора.

Крема отрицательного влияния неравномерно распределенной скорости потока воздуха по фронтальной поверхности радиатора на его теплоотдачу, такой поток увеличивает обдае аэродинамическое сопротивление радиатора по сравнению с сопротивлением радиатора, обдуваемого равномерным потоком при том же расходе воздуха. Для определения степени изменения общего аэродинамического сопротивления радиатора тагскэ получено выргкенио для вычисления коэффициента чувствительности общего аэродинамического сопротивления радиатора к неравномерности поля скоростей:

V*

г„

9 . --2-, (1)

И7о* х)" г\?0~ х)]х

Зависимость коэффициента чувствительности теплоотдачи радиатора от средней скорости воздуха

0.30

0.20 0.15 0.10 0.05

о.га

1

\

а \

3 \ \

\ ч \ N

5 n

\

3 4 5 6 7Уз. М/с

1 -

3 -

4,0. v

а,о.

v '

1,0.

,- 0,5. 4--у— >

о

Рис. 1

0,1 . v'

Г£3 '?(?) - 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 <р, в шеста с ним с общее аэродинамическое сопротивление радиатора. Коэффициент изменения аэродинамического сопротивления радиатора при неравномерном поле скоростей иоюю найти по формуле

К=1нр V (2)

(К>1).

Тек как сопротивление радиатора составляет большую часть сопротивления воздушного . тракта, то небольшое увеличение - 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 помощью формул (1) и (2) вычислим величину увеличения общего аэродинамического сопротивления радиатора. При одном и ток тв коэффициенте неравномерности поля скоростей (0,5) аэродинамическое сопротивление радиатора увеличится на 5,9% при средней скорости воздуха 2 м/с, на 3,45» при скорости 4 м/с, на 2,42 при скорости 6 м/с и на 1,9% при скорости 8 м/с. Если принять, что аэродинамическое сопротивление радиатора составляет 72,4® (ВАЗ-2103) от общего сопротивления тракта, то аэродинамическое сопротивление всего тракта увеличится на 4,5, 2,5, 1,5 и 1,4 процзятоз прн скорости соответственно 2, 4, 6 к 8 м/с. Попятно, что ' такое увеличение аэродинамического сопротивления тракта црзвадет к залетному снижению расхода воздуха.

Зависимость коэффициента чувствительности аэродинамического сопротивления радиатора

от средней скорости Бозд/ха ?

о 60

0.53 0.40 0.30 0.20 0.10 с.га

1

3 -

_ _о_ _ ¿,0.

2 -

о 1,0. v '

4 -

и '

Б Шо.М/с

г,о.

V

п _ ои.

Исследовательский комплекс и методика исследований. При исследовании движения воздушного потока по каналу воздушного тракта наиболее сло?зго провести измерение скорости воздуха, проходящего через сердцевину радиатора. Для этих целой обычно используются терлоанемэметры и приемтжи давления, по они по ряду причин мало пригодны для этих целей. Поэтому в качестве датчика скорости воздуха был выбран хрыльчаткй анемометр.

Датчик представляет из себя вортугжу с двумя лопастями, установленную на оси в кольцеобразном корпусе. Вращение вертушки под действием потока воздуха преобразуется в электрические'сет-налы частота которых пропорциональна скорости воздуха. Такой тип датчика на чувствителен к плотности воздуха, тлеет небольшие габариты, хорошо стыкуется с цифровыми регистрирующими прибора:,я.

Как показал теоретический анализ ли::пи тока в предрадиатор-ной камере значительно искривлены. Бывает так, что вектор скорости воздуха направлен почти вдоль поверхности радиатора. Попытки измерения скорости воздуха перед радиатором часто приводят к большим искажениям величины скорости. В таком случав скорость воздуха лучше измерять за радиатором, что и реализовано в предлагаемой методике. В случае, когда поток создается вентилятором, иногда ыохно измерять скорость перед радиатором, поскольку здесь характер движения воздуха несколько иной и погрешность измерений будет нэ столь значительной.

Для ■ автоматизация измерения скорости воздушного потока в разных точках фронтальной поверхности радиатора был изготовлен координатный механизм перемещения. В процессе измерений несколько датчиков с помощью механизма перемещаются вдоль всей поверхности радиатора. Это позволяет измерить скорость воздуха по всей поверхности радиатора за од:ш проход. Направляющее кольцо анемометра устанавливается вплотную к поверхности радиатора.

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

Предлагаемая методика исследований и датчики скорости воздуха - крыльчатые анемометры дают новые возможности для ссвер-

еенствовааия воздуиного тракта системы охлаждения легкового ев, томобапя. Позволяет более рационально построить технологию конструирования и доводки воздушного тракта в зависимости от стадии работы. На первой стадии проектирования теплоотдача радиатора юзе г быть рассчитана с учетом неравномерно ста воздушного штока полученного на прототипе. На последующих этапах когда имеется ' физическая модель воздушного тракта или экспериментальный образец автомобиля производится отработка элементов воздушного трак' то в условиях стендовых или дорокгшх испытаний. Предлагаемая методика позволяет выявить действие любого элемента на эффективность подачи охлаждающего воздуха. Эффективность оценивается как визуально по полученной эшорэ скоростей, так и количественно по расходу воздуха и неравномерности воздушного потока. Окончательная оценка может Сыть дана после определения теплоотдачи радиатора по вышеизложенным методикам.

Таким путем можно производить отработку: конструкции пред-радиаторной камеры; конструкции и местоположения воздухсзаборшх отверстий; конструкции спойлера и подводящих каналов; конструкции направлящего аппарата и т. д. Методика позволяет наиболее рационально выбрать соотношение использования иабегавдего 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 тракта системы охлаждения двигателя легкового автомобиля как минимум в Б - 7 раз при более высоком их качестве.

Результаты экспериментальных исследований распределения воздушного потока по фронту радиатора. Целью экспериментальных . исследований являлось проверка выводов сделанных в результате теоретического анализа и отработки самой методики экспериментальных исследований.

Для исследования распределения воздушного штока по фронтальной поверхности радиатора был использован воздушный тракт система охлаждения двигателя автомобиля ВАЗ-2108. Воздушный тракт системы охлаждения автомобиля был использован как модель еоздуееого тракта с различными схема:л; забора охлаждающего воздуха. В результате внесения изменений в конструкции тракта ЕДЗ-21СЗ удалось получить три варианта схем конструкций входной '¡г.сти воздушного траста.

2зр$ай сзгяа - £20 сарз2ш2 вариант, когда есть две возду-

хозаборных отверстая, расположенных над бампером а под ним. Этот вариант отличается от соркйного исполнения только тем, что на лицевой панели автомобиля и на перегородке, разделялся предра-диаторнуп камору и моторный отсек, загерметизированы все техзо-логическиэ дали. Это сделано для того, чтобы исключить перетекание воздуха, минуя воздухозаборнив отверстия и сердцевину радиатора. Такая схема имеет наибольсее распространение.

Вторая схема входной части воздушного тракта получена путем герметизация иихнего всздутазаборного отверстия. Такая схема с одним воздухозаборным отверстием, расположенным над бампером и проецируемым на верхнга часть радиатора, часто используется при конструировании.

В третьей схема, наоборот, загерметизировано верхнее отверстие и воздух поступает через пшннэе. Такая схема все чацэ применяется на современных автомобилях.

Во всех случаях измерения проводились по Бышеизлогенной методике с помощью крыльчатых анемомэтроз в 32 точках на поверхности радиатора. Замеры выполнялись при скорости двикения 40, 60, S0, 100, 120 и НО 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 коэффициент неравномерности поля скоростей в зависимости от скорости движения автомобиля. Видно, что больае всего неравномерность наблюдается па мзлых скоростях движения.

В табл. 1 приведены результаты распределения скорости воздуха по фронтальной поверхности радиатора при скорорти давжэния 100 и 120 ид/ч. Расположение пел дано при взгляде на иротеэ года дзпаншя автомобиля Ç3*" гчсстхз).

Зависимость средней скорости воздуха и коэффициента неравномерности от скорости движения автомобиля

«О.

М/с Б.О

5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0 0

<ta/

\j

V

«3

га

и

Рис. 3

V

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

ira tro Vi, км/ч

Распределение скорости воздуха по зонам радиатора

Таблица 1

. Скор, автсмоб. км/ч Номер гоны

1 2 3 4- 5 6 7 В

100 2,92 4,06 3,41 2,04 3.14 4,19 4,01 2,75 3,59 4,00 4,08 2,38 2,28 4.63 4,01 3,76 4,59 4,59 4,17 2,53 4,14 4,32 4,22 3,20 5,25 4,37 3,60 4,05 5,65 4,25 4,56 3,34

120 3,78 5,66 4,51 2,55 3,59 5,09 4,55 3,17 4,28 5,12 5,00 3,06 5,30 5,79 4,97 4,69 5,80 5,61 5,19 3,17 5,23 5,51 5,18 4,03 6,14 5,67 4,53 5,31 7,03 5,41' 5,97 4,24

Анализируя епгры'скоростей, мокно сказать, что скорость в левой части радиатора несколько визе чем справа, это вызвано влиянием подкапотного пространства. Слева лишению воздуха препятствует блок двигателя. Если рассмотреть распределение воздуи-ного потока в вертикальной плоскости, то видно, что на нижние участки радиатора попадает меньшее количество воздуха, чем на верхние.

Вторая схема. Поскольку конструкция воздушного триста система охлаждения BA3-2ÍC3 не предполагает использования только верхнего забора воздуха, поток воздуха очень плохо распределяется по поверхности радиатора в вертикальном направлении. Это хорошо видно ка табл. 2.

Этот эксперимент показывает, как вздет себя поток в стесненных условия продрадиаторпой каморы. Подтверждаются вывода теоретического анализа, сделанные во.второй главо. При неблагоприятных условиях струя на коротком отрезке пути Ее успевает перераспределиться по всей поверхности радиатора. В данном случае • проекция верхнего воздухозаборного отверстия попадает в ворзсшош часть радиатора.

Третья схема. Закономерность распре деления воздушного потока в данном случае' cobcsm другая. То ость получен оде один варп-ент иодаанозки тракта с характерными параметра;,а.

Распределение скорости воздуха по зонам радиатора

Таблица 2

Скор. Ксмэр зоны

км/ч 1 2 3 4 5 б 7 8

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

100 2,91 3,58 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 3,96 4,83 4,78 4,31 6,17 6,92

120 4,70 5,32 4,54 6,43 5,41 5,21 5,60 5,69

0,00 0,00 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 пото-кз воздуха по фронтальной поверхности радиатора при заборе воздуха через нижнее отверстие.

Распределение скорости воздуха по зонам радиатора ■

Таблица 3

Скор. Номер зоны

»¿/ч 1 2 3 4 5 б 7 8

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

100 0,00 0,00 0,00 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,СГ7 3,02

иго 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 3,46 3,19 5,03 3,97 4,56 5,12 3,93

Распределение потока воздуха з данном случае гарзктаргя 7тл, что через во:ш9 ргсяоаоаеаЕ» чуть гигэ сорэдад; рздагора

(второй ряд сверху), воздух но проходит. Зато в верхнюю часть радиатора попадает достаточно большое количество воздуха, хотя ста часть наиболее удалена от впускного отверстия. Вновь, подтверждена ензодн теоретического анализа, сделанные во второй глазе. В данном случае поток воздуха в предрадааторной камере движется так, как в Z-образком колене. Сопротивление участка пути до Солее дальней зоны радиатора (первый ряд) от оси отверстия будет меньше, чем до ближних зон (второй ряд).

Для прозерки эффективности использования направлящих элементов в канале предрадиаторной камеры дал выравнивания поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора, проведен специальна эксперимент. Для этого была Бнбрана третья схема с закрытым верхним отЕврстиэм, где наиболее сложные условия распределения воздушного потока. В канале нижнего воздухозаборного отвер-стея была установлена профилированная пластина, разделящая от-ворстие вдоль на 'две части. Так как пластина установлена под уг-г«оы к поверхности радиатора, она отсекает верхние 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, азтоыиб. км/ч Номер зоны

1 2 3 4 5 6 7 8

too 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 2,48 2,45 2,11 2.52 1,93 2,74 2,56 3,26 1,53 2,51 1,93 2,за 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 дучгоыу распределении ковф2ициент неравномерности гола ушшз1дся на 35, 22, 39, 40, 29 процентов (при скорости

движения соответственно 40, 60, 80, 100 к. 120 км/ч). А поскольку улучшилась организация потока з предрадиатораой квмэра, уменьшилось местное сопротивление канала; увеличилась равномерность поля, следовательно уменьшилось суммарное сопротивление радиатора. Об этом свидетельствует увеличивайся расход воздуха на 52, 29, 23, 16 и и 16 процентов. Нужно отметить, что на малых скоростях расход увеличивается в большей степени. Это очень ваяно, поскольку именно на этих скоростях наблюдается более высокая неравномерность поля. Обычно на этих скоростях необходимо более интенсивное охлакдекио, поскольку здесь возмонла высокая тепло-нагрухенность двигателя (движение на подъем, двнхенкэ с прицепом, движение в тяжелых дорслшх условиях).

Полученные результаты показывают, что с помощью направляю- -щих элементов можно эффективно регулировать распределение потока воздуха по поверхности радиатора и значительно улучшить аэродинамические характеристики тракта, что способствует повышенно эффективности системы охлавдения.

Проведена серия экспериментов по изучении распределения1 воздушного потока, созданного вентилятором. Методика измерений отличалась лсть тем, что механизм перемещения с анемометрами устанавливался перед радиатором. Как и следовало озндать, распределение потока воздуха созданного, работой вентилятора, в зкачи-тельпой степени отличается от распределения потока, возникающего под действием набегающего воздуха. Расположение воздухозаб:-г отверстий в меньшей степеш! влияет на распределен;:- потоки по фронту радиатора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результата теоретических и экспериментальных Есследовзнг.я получены следующие результаты:

1. Исследованием физической картины распространения потока воздуха в предрадааторной камере установлено, что в условиях стесненного пространства предрадааторной камэрн современного легкового автомобиля макет создаваться значительная неравномерность воздушного потока по фронтальной поверхности радиатора. При этом конструкция входной частя воздушного тракта легкового автомобиля играет большое значение. Малые размеры прэдрадиатор-ной камеры и воздухозаборных отверстий, их расположение относительно радиатора затрудняют равномерное распределение Еоздуха 2 агзуздавт рассматривать структуру воздушного потока, хох струй-

вое течение.

2. Предлагаемая методам. расчета теплоотдачи радиатора позволяет определять еффективность радиатора с учетом неравномерного распределения скорости воздуха по поверхности радиатора по ваданноку шло скоростей воздушного потока. Это дает возможность определить реальную теплоотдачу радиатора, установленного на автомобиль.

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

4. Неравномерное распределение скорости воздуха по фронтальное поверхности радиатора приводи? 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 в 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 радиатора увеличивается на 5,98.

5. Разработанная аппаратура и реализованная методика экспериментальных исследований воздушного тракта, позволяет измерять реальную скорость воздуха, проходящего через сердцевину радиатора, прямым путем оценить эффективность подвода охлавдакцего 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, включающая в себя методику еисшриментальных исследований воздушного тракта и рас-

чзтаый механизм, позволяет сократить сроки довода! системы охлаждения двигателя легкового автомобиля в 5-7 раз.

7. Применение напровляадго аппарата а прэдрадиаторней каморе показало хорошие результата по повышении аэродинамических характеристик тракта й оптимальному распределению поток;? воздуха по поверхности радиатора. При скорости 40 км/ч расход охлаждающего воздуха вырос на 51,93, при 60 ил/ч на 28,6%, при 80 иг/ч ьа 23,2%, при ICO км/ч на 16,3!? и при 120 км/ч на 15,9%. Неравномерность воздушного потока уменьшилась па 35, 22, 39, 40 и 29 процентов соответственно при скорости двиезкия 40, 60, 80, 100 и 120 км/ч. Наибольший эффект направляющего элемента' наблюдается на малых скоростях дпнккпя, что особенно вагэтэ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работа;.:

1. Хс;.;е«хо С.Е., Петров А.П., Коваль В.В. Измерительный Kci.oxr.öKC для оценки поля скоростей охлаздатзщего воздуха систэ-мы охлаждения автомобильного двигателя // Проблем проектирования конструкций: Сб. крати/х сосб^зшй II Уральского семинара. Миаос, 1939. - 0. 16-21.

2. Хомепко С.Е., Петров Л.П., Коваль В.В. Результаты исследования системы охлагдс:п;я автобуса // Проблеет прсектпрог.а-ния конструкций: Сб. кратких сооб;дзний IV Уральского семинара. Класс, 1991. - С. 203-209.

3. Петров А.П., Хомеяко С.Е. Определение влияния неравномерности возданного потока на теплоотдачу радиатора. Тоз. докл. Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. - Миасс, 1991. - С. 6-7.

4. Хомонко С.Е.,. Петров А.П. Измерительный комплекс дяя оценки аэродинамического баланса системы охлаждения автомобильного двигателя. Тез. докл. науч.-практ. ксн*«р. "разработка и применение новой техники, технолога; и автоматизированных сис-тзм в промышленности. - Курган, 1933. - С. 35-36.

J

\

ПЕТРОВ Александр Павлович

совершенствован!® воздушного тракта

систаш вдкоетного охвддечкя

ДВИГАТЕЛЯ ЛЕГКОВОГО автомобиля

1 4

05.05.03 - автомобили и тракторы 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технически?. каук

Подписано в печать «./¿«Формат 60*841/16 Бумага тил. XI

Плоская печать Усл. печ. л. Уч-изд. л. \у2

Баказ £>93 Тираж уоо Бесплатно

Издательство Курганского машиностроительного института, 640669, г. Курган, пл. им. В.И. Ленина. Курганский машиностроительный институт, корпус Б, ротапринт, г. Курган, ул. Пролетарская, 62.