Влияние внешнего загрязнения радиатора в процессе эксплуатации на аэродинамическое сопротивление блока «Радиатор-вентилятор» системы охлаждения двигателя автомобиля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113

Верховодов А.А.

ООО «ТД Лузар», г Санкт-Петербург E-mail: science@carville.ru

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАДИАТОРА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БЛОКА «РАДИАТОР-ВЕНТИЛЯТОР» СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ

В данной статье проведены теоретические и экспериментальные исследования по определению влияния внешнего загрязнения алюминиевых радиаторов сборной конструкции систем охлаждения двигателей автомобилей в процессе эксплуатации на аэродинамическое сопротивление как радиатора, так и блока «радиатор-вентилятор» в целом.

Теоретически получено выражение для коэффициента аэродинамического сопротивления радиатора системы охлаждения двигателя автомобиля с учетом влияния параметров его конструкции, а также образовавшихся загрязнений на поверхности в процессе эксплуатации. Экспериментальным путем исследовано влияние внешних загрязнений радиатора на его аэродинамическое сопротивление ДР2.

Результаты исследований показали, что аэродинамическое сопротивление в процессе эксплуатации вследствие загрязнения радиатора увеличивается на 70...80%. В параметрической и критериальной формах получены зависимости для аэродинамического сопротивления алюминиевых радиаторов сборной конструкции трубчато-пластинчатого типа с учетом влияния срока эксплуатации, а именно пробега радиатора на автомобиле. Экспериментально получены аэродинамические характеристики блоков «радиатор-вентилятор» автомобилей ЗАЗ («Таврия» и «Славута»), которые эксплуатировались на протяжении 220 тыс. км.

Полученные зависимости и характеристики позволяют дополнить математическую модель энергетического расчета системы охлаждения двигателя автомобиля и учесть влияние внешнего загрязнения радиатора на работу как радиатора, так и блока «радиатор-вентилятор» в целом, что позволит получить наиболее правильные значения расхода воздуха, который должен обеспечить вентилятор, и затрат мощности на его привод, а также прогнозировать периодичность обслуживания радиатора, не давая уменьшаться эффективности работы всей системы, в том числе с учетом работы вентиляторной установки.

Ключевые слова: автомобиль, система охлаждения двигателя, эксплуатация, загрязнение, радиатор, вентилятор, аэродинамическое сопротивление.

С целью определения влияния загрязнения радиатора в процессе эксплуатации на аэродинамическое сопротивление воздушного тракта автомобиля необходимо исследовать влияние изменения сопротивления всего аэродинамического тракта на характеристики вентилятора, в том числе на его производительность.

Определение сопротивления воздушного тракта (рисунок 1) системы охлаждения является довольно сложной задачей в связи с тем, что он не имеет четко обозначенных стенок, ограничивающих воздушный поток, который, в свою очередь, не всегда имеет явно выраженное направленное течение [1]. Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта определяет рабочую точку на характеристике вентилятора, что позволяет установить расход воздуха, проходящего через радиатор. Образование загрязнений на поверхности радиатора увеличивает не только аэродинамическое сопротивление радиатора, но и всего воздушного тракта системы охлаждения [2]. Внешнее загрязнение радиа-

тора уменьшает площадь воздушных каналов, что влияет на количество воздуха, проходящего через них, а также на работу вентилятора, вследствие чего расположение рабочей точки

Рисунок 1. Схема воздушного тракта системы охлаждения двигателя автомобиля: 1 - облицовочная решетка радиатора; 2 - бампер; 3 - радиатор; 4 - диффузор; 5 - кожух вентилятора; 6 - крыльчатка вентилятора

0002020100020002010002000201010053

на характеристике вентилятора будет изменять свое положение.

Аэродинамическое (сопротивление воздушного тракта системы охлаждения автомобиля определяется как сумма потерь энергии на каждом из его элементов (рис. 1) [3], [4]:

Р V

ДР I

+ а„

Р 2 ■ V а

2 2 ,(1) где у2 - скорость воздуха в сечении, обметаемого лопастями вентилятора, м/с;

аом - коэффициент Кориолиса воздушного потока, отнесенный к скорости воздуха в сечении, обметаемого лопастями вентилятора; Уа - скорость движения автомобиля, м/с; р'2 - плотность воздуха на выходе из радиатора, кг/м3;

р' - плотность воздуха на входе в радиатор, кг/м3.

Потери на каждом элементе воздушного тракта описываются выражением [5]:

С| ■ Р| ■ V'2

Др, =■

2

(2)

где ^ - коэффициент аэродинамического сопротивления ¡-того элемента воздушного тракта;

р, - плотность воздуха в ¡-том сечении, кг/м3;

V, - скорость воздуха в ¡-том сечении, м/с.

Исходя из уравнения (2) аэродинамическое сопротивление радиатора можно представить в виде:

Др^ =

^рад. ■ Р2

• V,,

2

(3)

где ^рад - коэффициент аэродинамического сопротивления радиатора;

Р2 - средняя плотность воздуха в радиаторе, кг/м3;

v 2фр - скорость воздуха перед фронтом радиатора, м/с.

Условно приняв поверхность радиатора за решетку из утолщенных реек (ребер) (рисунок 2) коэффициент аэродинамического сопротивления радиатора можно представить в виде [5]:

_ 2 ■ Д р 2рад.

С рад. _

Р2

(0,5 + тл/Т-7 )■( - f )+( - f )2

+X ■

1

(Т

(

Со + X ■ -

(4)

где - коэффициент сопротивления живого сечения радиатора;

X - коэффициент сопротивления трения; 1 - глубина радиатора, м; 4 ■ /о

Пп

эквивалентный диаметр канала

для прохода воздуха, м;

f - площадь одного отверстия (см. рис. 2),

м

П0 - смачиваемый периметр отверстия, м;

/ _ ^

X /о

- коэффициент живого се-

чения радиатора (см. рис. 2);

Б0 - площадь живого сечения радиатора, м2; Б, - площадь радиатора, м2; т - коэффициент, учитывающий влияние формы входной кромки отверстия и условия протекания потока через отверстие.

Таким образом, внешнее загрязнение радиатора в процессе эксплуатации приводит к уменьшению площади живого сечения F что, согласно уравнению (4), приводит к значительному росту коэффициента аэродинамического сопротивления всего радиатора. Следовательно, коэффициент аэродинамического загрязнения можно представить в виде отношения площади живого сечения загрязненного в процессе экс-

Рисунок 2. Расчетная схема течения воздуха через радиатор

2

Р 2 ^ 2

ом

фр

2

а

э

плуатации радиатора (К ) к площади живо-

0загр.

го сечения нового незагрязненного радиатора

аэр.загр.

(5)

Подставив (5) в уравнение (4) получим выражение для коэффициента аэродинамического сопротивления загрязненного радиатора:

1,5 + тл 1 - с V '

• Г + я •

I

С

( У

2,5 + тл 1 - с

Ф

• /

• /

+1

(6)

В связи с тем, что теоретически определить значение коэффициента аэродинамического сопротивления радиатора достаточно сложно, он определяется экспериментальным путем. Значение коэффициента аэродинамического загрязнения и коэффициента аэродинамического сопротивления радиатора будет увеличиваться с увеличением срока эксплуатации радиатора, т. е. пробега автомобиля.

Коэффициент аэродинамического сопротивления радиатора ^рад обычно определяется экспериментальным путем и для каждого типа радиатора устанавливается зависимость в критериальной форме:

Еи2 = ■

&Р2

С

рад. 2

= С • Яе"2', (7)

Р2 • у2

Г 2ср 2фр

в том числе с учетом влияния пробега автомобиля L

АР?

Еи2 = ■

С рад. 2

= С2 • Яе"22 • П"2, (8)

где Еи2 - критерий Эйлера по воздуху;

Re2 - критерий Рейнольдса по воздуху;

L - пробег радиатора на автомобиле, км;

С1, С2, п1, п2, т2 - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Для удобства проведения расчетов используются уравнения в параметрической форме для аэродинамического сопротивления радиатора ^р2рад . С учетом влияния срока эксплуатации радиатора, а именно пробега автомобиля L, уравнение можно представить в виде:

Ар^ = С3

и

^фр

Ь

V ЬТО-2 J

(9)

где и

2ф

массовая скорость воздуха перед 2фр Кг

фронтом радиатора, —2— .

м • с

Lто_2 - периодичность проведения работ

по ТО-2, км;

С5, п5, т5 - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Таким образом, в результате проведения экс периментальных исследований необходимо по лучить уравнения в параметрической и критериальной формах для аэродинамического сопротивления радиатора Ар2 и коэффициента

2рад.

аэродинамического сопротивления радиатора ^рад с учетом влияния пробега автомобиля L для исследуемых типов радиаторов.

Целью стендовых испытаний являлось исследование срока эксплуатации, а именно пробега на автомобиле и режимов работы на аэродинамическое сопротивление радиатора АР2. Исследования натурных образцов радиаторов проводились на специализированном стенде [4] в лаборатории «Системы теплоэнергетических установок транспортных машин» кафедры «Автомобили» Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. Стенд имитирует температурные и массово-скоростные режимы течения теплоносителей в радиаторе системы охлаждения, как при работе на автомобиле.

Для определения влияния на аэродинамическое сопротивление автомобильных радиаторов срока их эксплуатации на автомобиле на стенде для теплотехнических испытаний моделей и натурных образцов радиаторов было экспериментально исследовано по три радиатора с различным пробегом (новый; 60 тыс. км; 100 тыс. км; 160 тыс. км; 200 тыс. км). Это позволило определить аэродинамическое сопротивление для данных радиаторов как в параметрической, так и в критериальной формах (рисунки 3 и 4).

Как видно из рисунков 3 и 4 срок эксплуатации радиатора (его пробег на автомобиле) оказывает значительное влияние на его энергетические характеристики, в том числе и на аэродинамическое сопротивление. После пробега радиатора L=60 тыс. км аэродинамическое сопротивление возрастает в среднем на 28%.

т

3

Т

2

с

с

2

Р2_ ^

фр

При дальнейшей эксплуатации радиатора до L=100 тыс. км аэродинамическое сопротивление увеличивается незначительно, в среднем на 8%. При пробеге от 100 до 200 тыс. км аэродинамическое сопротивление начинает резко возрастать, увеличиваясь в среднем на 34%.

Таким образом, аэродинамическое сопротивление увеличивается равномерно на протяжении всего срока эксплуатации радиатора и к 200 тыс. км пробега на автомобиле увеличивается на 70...80% (рис. 3).

При обработке результатов экспериментальных исследований получены зависимости в параметрической и критериальной форме аэродина-

мического сопротивления от массовой скорости воздуха перед фронтом радиатора для радиаторов с различными пробегами на автомобиле:

- для нового (не бывшего в эксплуатации) радиатора:

АР, = 9,1565 • и!'6163;

2 7 2фр 7

ЕЫ2 = 45,951 • Re

-0,3357 .

2 ' 2 ' (10)

- для радиатора с пробегом 60 тыс. км:

АР = 12,623 • и2'5343 ;

2 2фр

Ей2 = 106,08 • Re

-0,4212 . 2 ;

(11)

- для радиатора с пробегом 100 тыс. км:

1000

рр2,

100

д новь I й радиат ы с км гы с .км ор

□ 60 т

о 100

Ж 160 О 200 гы с км ты с .км

Рисунок 3. Зависимость аэродинамического сопротивления Р2 от массовой скорости воздуха перед фронтом

радиатора ^^^ для различных пробегов L

10 -,

Еи2

1 -

д Новый радиатор □ 60 ты скм ф 100 ты с .км X 160 ты с км О 2 00 ты с км

Ке2

Рисунок 4. Зависимость критерия Эйлера Еu2 от критерия Рейнольдса Re2 для различных пробегов L

10 и2фр'КГА2с

1

100

1000

10000

АР2 = 11,023 • и?

2 7 2ф

-0,3237 ; (12) - для радиатора с пробегом 160 тыс. км:

Еи2 = 56,43 • Яе-

АР2 = 13,882 • и;

2 2фр

Еи2 = 80,227 • Яе2

0,361 .

(13)

- для радиатора с пробегом 200 тыс. км: АР2 = 14,195 • и2'6068 ;

2 2фр

Еи2 = 92,367 • Яе-0,363. (14) Уравнения (10).. .(14) справедливы при значениях массовой скорости воздуха перед фронтом

радиатора и2 = 4.. .11

кг

м2 • с

, значениях крите-

рия Рейнольдса Яе2 = 600. 1800 и постоянном расходе горячего теплоносителя У1 = 5,5 м3/ч.

Экспериментальные исследования радиаторов с различным пробегом на автомобиле позволили получить комплексные уравнения в параметрической и критериальной формах для аэродинамического сопротивления, учитывающие режим течения холодного теплоносителя (воздуха) и срок эксплуатации радиатора (пробег на автомобиле): ^ ^0,0256

АР = 12,2346 • и

1,5925

V ЬТО-2 У

(15)

о

с ) "Г )

0,01 0,1 1 |_,|_то.2 10

Рисунок 5. Зависимость аэродинамического сопротивления Р2 холодного теплоносителя от отношения пробега радиатора на автомобиле L к периодичности проведения работ по ТО-2 ЬТО-2

<

■

>

0,01 0,1 1 ы.,0-, ю

Рисунок 6. Зависимость критерия Эйлера Еи2 холодного теплоносителя от отношения пробега радиатора на автомобиле Ь к периодичности проведения работ по ТО-2 ЬТО 2

Еи2 = 75,0469 • Re-

Ь

V ЬТО-2 у

(16)

На рисунках 5 и 6 в графической форме представлены результаты экспериментальных исследований в соответствии с уравнениями

(15) и (16).

Уравнения (15) и (16) справедливы при значениях критерия Рейнольдса Яе2 = 600...1800, массовой скорости воздуха перед фронтом ра-

кг

диатора и2 = 4.11

Ь

Лфр

м2 • с

значениях сим-

плекса

Ь

= 0,01.10 и постоянном расходе

ТО -2

горячего теплоносителя У1 = 5,5 м3/ч.

Близкое расположение радиатора оказывает значительное влияние на работу вентилятора, в результате чего ухудшаются его аэродинамические характеристики, а при внешнем загрязнении сердцевины радиатора в процессе эксплуатации, характеристики ухудшаются значительнее. Для определения этого влияния на стенде «Аэродинамическая камера» [4] экспериментально были исследованы вентиляторные установки автомобилей ЗАЗ («Таврия» и «Славута») в блоке с радиаторами, которые находились в эксплуатации 60, 100 и 220 тыс. км. Вентиляторная установка включает в себя кожух вместе с элементами крепления электропривода, крыльчатку и электродвигатель вентилятора. Испытания проводились по методике ЦАГИ [4], [6], [7].

Как видно из рисунков 7-10, загрязнение сердцевины радиатора в процессе эксплуатации оказывает значительное влияние на работу вентилятора, что, в свою очередь, негативно отражается не только на работе блока «радиатор-вентилятор», но и системы охлаждения в целом. При использовании радиатора, пробег которого составляет до 100 тыс. км, аэродинамические характеристики практически не изменяются. Заметное ухудшение как напорно-расходной характеристики, так и КПД вентиляторной установки наблюдается при пробеге 220 тыс. км.

Результаты аэродинамических испытаний данных установок представлены на рисунках 7-10.

Сравнив аэродинамические характеристики вентиляторной установки автомобиля «Таврия», испытанного с новым радиатором и радиатором, эксплуатировавшимся на протяжении 220 тыс. км, можно сказать, что напор вентилятора снижается в среднем на 20.25 %, обеспечиваемый расход воздуха - на 10.15 %, а максимальный КПД - в 1,22 раза.

Практически такое же ухудшение аэродинамических характеристик можно наблюдать и у вентиляторной установки автомобиля «Славута» (рисунки 9 и 10): напор вентилятора снижается в среднем на 20.25 %, обеспечиваемый расход воздуха - на 15.17 %, а максимальный КПД - в 1,25 раз.

^ Новый _■_60 ты с. км а 100 ты с км

— 220 т ю. км

0 ,3 0 ,2 0 ,1

-0 2, -0 3 -0 А -о ,5

0 05

0 15

0 ,2

] 0 25

Рисунок 7. Аэродинамические характеристики вентиляторной установки автомобиля «Таврия», испытанной в блоке с радиатором при различных сроках его эксплуатации

0,0321

0,3609

У

0

0

Зная аэродинамические характеристики блока «радиатор-вентилятор» и аэродинамическое сопротивление остальных элементов воздушного тракта системы охлаждения автомобиля с помощью уравнения (1) можно получить рабочие точки на характеристике для различных скоростей движения автомобиля. Это позволит определить действительные значения КПД, расхода и напора вентиляторной установки, а также затрат мощности на привод вентилятора. В связи с тем, что загрязнение сердцевины радиатора приводит к ухудшению данных характеристик, соответственно по ней

будет перемещаться и рабочая точка, определяемая как точка пересечения сети воздушного тракта с аэродинамической характеристикой вентиляторной установки, т. е. это приведет к повышению затрат мощности и снижению расхода воздуха через радиатор.

Поэтому, как показали проведенные экспериментальные исследования, с целью недопущения значительного ухудшения аэродинамических характеристик блока «радиатор-вентилятор», очистку поверхности радиатора необходимо проводить уже при достижении пробега 100.150 тыс. км.

Рисунок 9. Аэродинамические характеристики вентиляторной установки автомобиля «Славута», испытанной в блоке с радиатором при различных сроках его эксплуатации

h 02

0,15

0,1

0,05

0

е—н ■— 60 •—1С 4—22 !)ВЫй тыс 0 ты 0 ты

\

0,02

0,04

006

008

0,1

0,12

0 ,14

0 ,16

0 ,18 J

0 2

Рисунок 10. КПД вентиляторной установки автомобиля «Славута», испытанной в блоке с радиатором при

различных сроках его эксплуатации

0

Выводы

Теоретически получено выражение для коэффициента аэродинамического сопротивления радиатора системы охлаждения двигателя автомобиля с учетом влияния параметров его конструкции, а также образовавшихся загрязнений на поверхности в процессе эксплуатации. Экспериментально исследовано влияние внешних и внутренних загрязнений радиатора на его аэродинамическое сопротивление ДР2. Результаты исследований показали, что аэродинамическое сопротивление радиатора в процессе эксплуатации вследствие его загрязнения увеличивается на 70.80 %. Полученные урав-

нения (10)...(16) в параметрической и критериальной формах алюминиевых радиаторов сборной конструкции трубчато-пластинчатого типа позволяют дополнить математическую модель энергетического расчета системы охлаждения двигателя автомобиля и учесть влияние на эффективность работы системы такого эксплуатационного фактора, как загрязнение внешней поверхности радиатора, а также прогнозировать периодичность обслуживания радиатора, не давая уменьшаться эффективности работы всей системы, в том числе с учетом работы вентиляторной установки.

11.03.2015

Список литературы:

1. Кригер, А. М. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей / А. М. Кригер, М. Е. Дискин, А. Л. Новенников, В. И. Пикус. - М.: Машиностроение, 1985. - 173 с.

2. Бурков, В. В. Эксплуатация автомобильных радиаторов / В. В. Бурков. - М.: Транспорт, 1975. - 80 с.

3. Куликов, Ю. А. Системы охлаждения, вентиляции и отопления автомобилей: монография / Ю. А. Куликов, М. В. Грибини-ченко, А. В. Гончаров. - Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2006. - 248 с.

4. Куликов, Ю. А. Теплоэнергетические системы транспортных машин / Ю. А. Куликов, В. В. Быкадоров, А. С. Котнов и др.; под ред. Ю. А. Куликова. - Луганск: «Елтон-2», 2009. - 365 с.

5. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Идельчик И. Е. - М.: Машиностроение, 1976. - 559 с.

6. Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний: ГОСТ 10921-90. - Введ. 1992-01-01. - М.: Гос. комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1991. - 36 с. - (Государственный стандарт Союза ССР).

7. Куликов, Ю. А. Системы охлаждения силовых установок тепловозов / Куликов Ю. А. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

Сведения об авторе:

Верховодов Антон Анатольевич, инженер по испытаниям и наладке оборудования ООО «ТД Лузар» 192102, г. Санкт-Петербург, ул. Фучика, 8, тел. (812) 3806480, e-mail: science@carville.ru