9.3. Отвод теплоты в воздух и его регулирование

Отвод теплоты системой охлаждения вызывает не только потери тепловой энергии, которая могла бы быть реализована в работу, но также и прямые потери части эффективной мощности двигателя, вследствие привод вентилятора и водяного насоса. Отвод теплоты с охлаждаемой поверхности S в воздушную среду зависит от перепада температур между этой поверхностью и воздухом , а также от коэффициента теплоотдачи охлаждающей Δt поверхности в воздух α. Этот коэффициент не меняется сколько-нибудь значительно независимо от того, образована ли охлаждающая поверхность пластинами радиатора системы жидкостного охлаждения или ребрами деталей двигателя воздушного охлаждения. Прежде всего рассмотрим двигатели с системами жидкостного охлаждения.

Количество охлаждающего воздуха тем меньше, чем больше теплоты отводится в единицу его объема, т. е. чем больше будет нагреваться охлаждающий воздух. Это требует равномерного распределения воздуха по всей охлаждающей поверхности и максимального перепада температур между ней и воздухом. В радиаторе системы жидкостного охлаждения создаются условия, при которых охлаждаемая поверхность имеет почти равномерное поле температур, а температура охлаждающего воздуха по мере движения его через радиатор постепенно повышается, достигая максимального значения на выходе из него. Перепад температур между воздухом и охлаждаемой поверхностью постепенно уменьшается. На первый взгляд кажется, что предпочтителен глубокий радиатор, поскольку в нем воздух нагревается больше, однако следует рассмотреть этот вопрос с энергетической позиции.

Коэффициент теплоотдачи поверхности α представляет собой сложную зависимость от ряда факторов, однако наибольшее влияние на его величину оказывает скорость потока воздуха около охлаждающей поверхности. Связь между ними можно представить соотношением α ~ v^0,6-0,7.

При увеличении скорости воздуха на 10 %, отвод теплоты увеличивается лишь на 7 %. Скорость потока воздуха пропорциональна его расходу через радиатор. Если конструкция радиатора не меняется, то для увеличения количества отводимого тепла на 7 % следует увеличить частоту вращения вентилятора на 10 %, поскольку подаваемое вентилятором количество воздуха прямо зависит от нее. Давление воздуха при постоянной площади сечения вентилятора зависит от второй степени его частоты вращения, а мощность привода вентилятора пропорциональна ее третьей степени. Таким образом, при увеличении частоты вращения вентилятора на 10 % мощность привода увеличивается на 33 %, что имеет отрицательные последствия, проявляющиеся в ухудшении механического КПД двигателя.

Зависимость количества охлаждающего воздуха от количества отводимой теплоты, а также от увеличения давления воздуха и мощности привода вентилятора показана на рис. 78. С позиции уменьшения затрат энергии эта номограмма очень полезна. Если лобовую поверхность радиатора увеличить на 7 %, то пропорционально увеличиваются площади проходного сечения и охлаждающей поверхности радиатора, и, следовательно, количество охлаждающего воздуха достаточно увеличить на те же 7 %, чтобы отвести на 7 % больше теплоты, т. е. как и в описанном выше примере. При этом мощность вентилятора повышается лишь на 22,5 % вместо 33 %. Если расход воздуха через вентилятор V_z увеличить на 20 % (точка и стрелки 1 на рис. 78), то количество отведенной теплоты Q, пропорциональное V^0,6_z, возрастет на 11,5 % Изменение, расхода воздуха увеличением частоты вращения вентилятора на те же 20 % приводит к увеличению давления воздушного потока на 44 % , а мощность привода вентилятора - на 72,8 %. Для увеличения теплоотвода на 20 % тем же путем следует увеличить расход воздуха на 35,5 % (точка и пунктирные стрелки 2 на рис. 78), что влечет за собой рост давления воздуха на 84 %, а мощность привода вентилятора - почти в 2,5 раза (на 149 %). Поэтому выгоднее увеличить лобовую поверхность радиатора, чем при тех же радиаторе и вентиляторе увеличивать частоту вращения последнего.

Рис. 78. Зависимость относительных величин отводимой теплоты Q, напора h и мощности привода N_v вентилятора от относительного расхода воздуха V_z

Если радиатор разделить по его глубине на две равные части, то в передней перепад температур Δt₁ будет больше, чем в задней Δt₂, и, следовательно, передняя часть радиатора будет охлаждаться воздухом сильнее. Два радиатора, получаемые при разделении одного на две части, по глубине будут иметь меньшие сопротивления потоку охлаждающего воздуха. Поэтому слишком глубокий радиатор невыгоден для применения.

Радиатор должен быть изготовлен из материала с хорошей теплопроводностью и его сопротивления потокам воздуха и жидкости должны быть небольшими. Масса радиатора и объем находящейся в нем жидкости должны быть также невелики, так как это важно для быстрого прогрева двигателя и включения системы отопления в автомобиле. Для современных легковых автомобилей с низкой передней частью кузова требуются радиаторы небольшой высоты.

Для минимизации энергетических затрат важно достичь высокого КПД вентилятора, для чего используется направляющий воздуховод, имеющий небольшой зазор по наружному диаметру крыльчатки вентилятора. Крыльчатка вентилятора часто делается из пластмассы, что гарантирует точную форму профиля лопаток, их гладкую поверхность и малую шумность. При высоких частотах вращения такие лопатки деформируются, снижая тем самым расход воздуха, что весьма целесообразно.

Высокая температура радиатора повышает его КПД. Поэтому в настоящее время применяют герметизированные радиаторы, избыточное давление в которых повышает температуру кипения охлаждающей жидкости и, следовательно, температуру всей матрицы радиатора, который может быть меньших размеров и более легким.

Для двигателя воздушного охлаждения действуют те же закономерности, что и для двигателя жидкостного охлаждения. Разница состоит в том, что ребра деталей двигателя воздушного охлаждения имеют более высокую температуру, чем матрица радиатора, поэтому на отвод такого же количества теплоты при воздушном охлаждении требуется меньшее количество охлаждающего воздуха. Это преимущество имеет большое значение при эксплуатации автомобилей в условиях жаркого климата. В табл. 10 приведены режимы работы двигателей жидкостного и воздушного охлаждения при изменении температуры окружающего воздуха от 0 до 50 °С. Для двигателя жидкостного охлаждения степень охлаждения уменьшается на 45,5 %, тогда как у двигателя воздушного охлаждения в тех же условиях - только на 27,8 %. Для двигателя жидкостного охлаждения это означает более громоздкую и более энергоемкую систему охлаждения. Для двигателя воздушного охлаждения достаточна небольшая переделка вентилятора.

Таблица 10. Эффективность охлаждения двигателя системами жидкостного и воздушного охлаждения в зависимости от внешней температуры

Регулирование охлаждения дает большую экономию энергии. Охлаждение можно отрегулировать так, чтобы оно было удовлетворительным при максимальной нагрузке двигателя и при максимальной температуре воздуха. Но при более низкой температуре окружающей среды и частичной нагрузке двигателя такое охлаждение, естественно, является избыточным и для снижения износа и механического КПД двигателя необходимо вновь отрегулировать охлаждение. У двигателей жидкостного охлаждения это обычно делают дросселированием потока жидкости через радиатор. В этом случае потребляемая мощность вентилятора не изменяется, и с энергетической точки зрения такое регулирование не приносит никакой выгоды. Например, для охлаждения двигателя мощностью 50 кВт при температуре 30 °С расходуется 2,5 кВт, а при температуре 0 °С и нагрузке двигателя 50 % от полной потребовалось бы лишь 0,23 кВт. При условии, что требуемое количество охлаждающего воздуха пропорционально перепаду температур между поверхностью радиатора и воздухом, при 50 %-ной нагрузке двигателя для его охлаждения достаточно также половины расхода воздуха, регулируемого частотой вращения вентилятора. Экономия энергии и, следовательно, расхода топлива при таком регулировании может быть достаточно значительной.

Поэтому регулированию охлаждения в настоящее время уделяется особое внимание. Наиболее удобное регулирование - изменение частоты вращения вентилятора, но для его осуществления необходимо иметь регулируемый привод.

Отключение привода вентилятора преследует ту же цель, что и изменение его частоты вращения. Для этого удобно применять электромагнитную муфту, включаемую термостатом в зависимости от температуры жидкости (или головки цилиндра). Если муфта включается термостатом, то регулирование осуществляется не только в зависимости от температуры окружающей среды, но и от нагрузки двигателя, что весьма эффективно.

Выключение вентилятора при помощи вязкостной муфты производится несколькими способами. В качестве примера рассмотрим вязкостную муфту фирмы "Холсет" (США).

При наиболее простом способе используется ограничение передаваемого момента. Поскольку с ростом частоты вращения момент, необходимый для вращения вентилятора, увеличивается, то увеличивается также и пробуксовка вязкостной муфты, и при некотором значении потребляемой мощности вентилятора его частота вращения уже более не повышается (рис. 79). Частота вращения вентилятора с нерегулируемым клиноременным приводом от коленчатого вала двигателя увеличивается пропорционально частоте вращения двигателя (кривая Б), тогда как в случае привода вентилятора через вязкостную муфту его частота вращения растет лишь до величины h_v = 2500 мин^-1 (кривая А). Мощность, потребляемая вентилятором с нерегулируемым приводом, растет пропорционально третьей степени частоты вращения и на режиме максимальной мощности составляет 8,8 кВт. У вентилятора, приводимого через вязкостную муфту, частота вращения увеличивается, как отмечено, до 2500 мин^-1, и требуемая на режиме мощность вентилятора составляет 2 кВт. Поскольку в вязкостной муфте при 50 %-ной пробуксовке в теплоту дополнительно рассеивается еще 1 кВт, то общая экономия энергии на приводе вентилятора составляет 5,8 кВт, однако и это снижает расход топлива. Такое регулирование охлаждения можно считать удовлетворительным, так как расход воздуха не растет прямо пропорционально частоте вращения двигателя и, кроме того, с повышением скорости движения сохраняется рост скоростного напора воздуха, содействующего охлаждению двигателя.

Рис. 79. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором при использовании вязкостной муфты: n_h - частота вращения двигателя; n_v - частота вращения вентилятора; N_v - мощность, потребляемая вентилятором; А - привод вентилятора через вязкостную муфту; Б - нерегулируемый клиноременный привод вентилятора

Другой тип вязкостной муфты фирмы "Холсет" обеспечивает регулирование теплового режима двигателя дополнительно и от температуры окружающего воздуха (рис. 80). От ранее рассмотренной эта муфта отличается тем, что объем жидкости в ней, передающий крутящий момент, зависит от внешней температуры. Картер муфты разделен перегородкой 5 (см. рис. 81) на камеру ведущего диска 1 и камеру резервного объема 2, соединенные между собой клапаном 3. Клапан управляется биметаллическим термостатом 4 в зависимости от температуры воздуха. Черпачок 6, прижатый к диску пружиной, служит для сброса жидкости с диска и ускорения перетекания ее из камеры диска в объем 2. Часть жидкости постоянно находится в камере ведущего диска и способна передавать вентилятору небольшой крутящий момент. При температуре воздуха 40 °С, например, максимальная частота вращения вентилятора составляет 1300 мин^-1, а потребляемая мощность - не более 0,7 кВт. При нагревании двигателя биметаллический термостат открывает клапан, и часть жидкости поступает в камеру ведущего диска. По мере роста проходного сечения клапана поступающее в камеру диска количество жидкости увеличивается и при полном открытии клапана уровень ее в обеих половинах одинаков. Изменение передаваемого при этом крутящего момента и частоты вращения вентилятора показано кривыми А₂ (см. рис. 80).

Рис. 80. Изменение частоты вращения и мощности, потребляемой вентилятором, в зависимости от внешней температуры воздуха при использовании вязкостной муфты 'Холсет Т 60' с биметаллическим термостатом: n_h - частота вращения двигателя; nv - частота вращения вентилятора; А₁ - привод вентилятора через вязкостную муфту при холодном двигателе; A₂ - привод вентилятора через вязкостную муфту при прогретом двигателе; Б - нерегулируемый клиноременный привод вентилятора

Рис. 81. Схема работы вязкостной муфты 'Холсет Т 60' с биметаллическим термостатом: 1 - ведущий диск; 2 - камера резервного объема; 3 клапан; 4 - термостат; 5 - перегородка; 6 - черпачок

В этом случае максимальная частота вращения вентилятора составляет 3200 мин^-1, а потребляемая мощность увеличивается до 3,8 кВт. Максимальное открытие клапана соответствует температуре окружающего воздуха, равной 65 °С. Описанным регулированием охлаждения двигателя можно снизить расход топлива в легковых автомобилях на 1 л/100 км.

Мощные двигатели имеют еще более совершенные системы регулирования охлаждения. У дизелей "Татра" привод вентилятора осуществляется через гидромуфту, объем масла в которой регулируется термостатом в зависимости от температур отработавших газов и окружающего воздуха. Показания датчика температуры в выпускном трубопроводе зависят в основном от нагрузки двигателя и, в меньшей степени, от его частоты вращения. Запаздывание этого датчика очень невелико, поэтому регулирование охлаждения с его помощью более совершенно.

Регулирование охлаждения частотой вращения вентилятора относительно легко осуществляется в двигателе внутреннего сгорания любого типа; при этом уменьшается общий шум, издаваемый автомобилем.

При переднем расположении двигателя поперек автомобиля механический привод вентилятора вызывает некоторые трудности и поэтому чаще применяют электропривод вентилятора. В этом случае регулирование охлаждения весьма упрощается. Вентилятор с электроприводом не должен иметь большой потребляемой мощности, поэтому стремятся использовать эффект охлаждения скоростным напором воздуха при движении автомобиля, поскольку с увеличением нагрузки двигателя скорость легкового автомобиля и, следовательно, скоростной напор обтекающего его воздуха растут. Электропривод вентилятора работает только в течение короткого времени при преодолении затяжных подъемов или 'же при высокой температуре окружающего воздуха. Расход охлаждающего воздуха через вентилятор регулируется включением электродвигателя с помощью термостата,

Если радиатор расположен далеко от двигателя, например в автобусе с задним расположением двигателя, то вентилятор обычно имеет гидрообъемный привод. Приводимый двигателем автобуса гидронасос подает масло под давлением в поршневой гидродвигатель с качающейся шайбой. Такой привод более сложен и его применение целесообразно в двигателях большой мощности.