Влияние конструкции клапанов на эффективность вентиляторной установки

Полученные расчетные характеристики модели взаимосвязи величины несоосности и коэффициента перепада нагрева головки и нижней части блока показывают, что коэффициент корреляции между этими параметрами составляет, 0,975, коэффициент детерминации, характеризующий качество модели 0,9506, коэффициент эластичности 3,147.

Коэффициент аппроксимации - 5,47 % показывает, что доля неучтенных факторов, воздействующих на систему подшипник -шейка вала незначительна, т.е. полученная модель hp = - 0,041 + 0,113204 ' Кп может использоваться для технических целей.

Учитывая, что со снижением температуры окружающей среды и повышением температуры теплоносителя при пуске температурный перепад растет необходимо использовать комплекс организационно-технических мероприятий по нивелированию его воздействия. Для снижения вероятности отказа при разогреве и пуске ДВС на линии водителю необходимо использовать способы и приемы, способствующие разогреву нижней части блока, с помощью гибких лент или слатермов, питание которых осуществляется от аккумуляторной батареи. Необходимо также разработать комплекс требований к ДВС в северном исполнении.

Библиографический список

1. Визовитин В. Н. Совершенствование эксплуатационных характеристик моторного подогревателя УМП-350. Вестник Красноярского государственного технического университета Серия Транспорт. Выпуск 39, 2005 г. - С. 635-643.

Initial heating and its influence on ICE’s crankshaft sleeve bearings’ state

V. N. Vizovitin

This article deals with the problems of ensuring vehicles’ thermal state under low-temperature conditions. ZIL-130 engine parts’ temperature drop factor research results are set out. Crankshaft neck and sleeve bearing misalignment modeling was performed.

Визовитин Валерий Николаевич - канд. техн. наук, доц., профессор кафедры “Автомобильный транспорт" Северо-Восточного государственного университета. Основные направления научных исследований: работоспособность АТС в экстремальных условиях. Имеет 56 опубликованных работ. e-mail: vizmag@mail.ru

Статья поступила 15.06.2010 г.

УДК 621.43.038

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛАПАНОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ

А.П. Петров, К. А. Петров

Аннотация. Излагаются результаты исследований вентиляторной установки системы охлаждения двигателя автомобиля с жесткими клапанами с принудительным открытием. Показаны преимущества таких клапанов.

Ключевые слова: вентилятор, кожух вентилятора, клапаны, система охлаждения двигателя, воздушный поток, эффективность, аэродинамические испытания.

Введение

В легковых автомобилях в системе охлаждения двигателя для прокачки охлаждающего воздуха через радиатор используется вентилятор и встречный поток воздуха. Расход воздуха через радиатор под действием набегающего потока в несколько раз может превосходить расход создаваемый электровентилятором системы охлаждения. Поскольку КПД использования набегающего потока выше по сравнению с КПД вентиляторной установки,

поэтому на некоторых режимах стараются применять именно его. Таким образом, удается мощность электровентилятора делать несколько ниже, а остальную потребность в охлаждающем воздухе должен обеспечить набегающий на автомобиль поток воздуха. Недостатком такого способа является то, что расход воздуха зависит от скорости движения автомобиля. При малых скоростях движения расход становится недостаточным. Определенным образом решить эту проблему можно

за счет уменьшения сопротивления воздушного тракта. С этой точки зрения большим препятствием для прохождения воздуха оказывается сама вентиляторная установка. Ее аэродинамическое сопротивление складывается из сопротивления вентилятора и в большей степени из сопротивления кожуха вентилятора.

Обычно для уменьшения сопротивления кожуха на легковых автомобилях применяют вентиляторную установку с неполным охватом кожухом радиатора или на кожухе вентилятора делают отверстия, закрываемые клапанами. При использовании кожухов с неполным охватом радиатора остается свободная зона, через которую проходит значительное количество воздуха под действием набегающего потока. Такой способ дает возможность существенно повысить использование набегающего потока, но вместе с этим он имеет существенные недостатки. За счет снижения активной зона радиатора обдуваемого вентилятором эффективность использования вентиляторной установки снижается. Кроме этого эффективность снижается из-за рециркуляции воздуха из подкапотно-

го пространства в предрадиаторную камеру через свободную зону радиатора.

Вентиляторная установка с отверстиями в кожухе так же имеет свои недостатки.

Наибольшее распространение получили кожухи с резиновыми клапанами. В них отверстия располагаются с одной или двух сторон от вентилятора. На рисунке 1 показан такой кожух. Этот кожух имеет четыре группы отверстий, закрываемые пластинчатыми резиновыми клапанами (на рисунке клапаны не показаны). Принцип работы такой вентиляторной установки следующий. При большой скорости автомобиля набегающий поток воздуха отгибает резиновые клапаны и через открывшиеся отверстия в кожухе идет дополнительное количество воздуха, т. е. увеличивается расход воздуха через радиатор. Когда напора воздуха недостаточно для охлаждения включается электровентилятор. За счет разряжения, возникающего в пространстве между кожухом и радиатором, и сил упругости резиновые клапаны закрываются.

Рис. 1. Вентиляторная установка с отверстиями в кожухе

Обладая рядом преимуществ, вентиляторные установки с отверстиями в кожухе и резиновыми клапанами имеют следующие недостатки. Во-первых, открытие клапанов происходит за счет напора воздуха, поэтому они оказывают достаточно большое аэродинамическое сопротивление потоку. Имеющиеся большие проходные сечения отверстий в кожухе не используются в полной мере, поскольку реально резиновые клапаны ограничивают это проходное сечение, особенно у основания клапанов (в верхней части клапана, рисунок 2). Чем меньше напор воздуха, тем меньше проходное сечение канала для прохода воздуха.

Для того, чтобы установить клапаны необходима плоская поверхность, для получения такой поверхности приходится придавать кожуху заведомо не аэродинамическую форму. Плохообтекаемая форма кожуха и большое

аэродинамическое сопротивление клапанов снижают эффективность использования набегающего потока.

Снижается производительность вентиляторной установки при работе элекгровентилятора. Это происходит так же вследствие плохой аэродинамической формы кожуха. Резиновые клапаны не могут обеспечить достаточную герметичность кожуха из-за неплотного прилегания к его поверхности. Неплотное прилегание еще более ухудшается по мере эксплуатации автомобиля из-за снижения эластичность резины, из которой изготовлены клапаны, и ее коробления. Вследствие неполного прилегания клапанов к поверхности кожуха происходит подсос воздуха через щели. На рисунке 3 видно, как в процессе эксплуатации форма клапана изменяется, и не может идти речи о его сколько ни будь плотном прилегании.

Рис. 3. Изменение формы клапана в процессе эксплуатации

Несмотря на перечисленные недостатки, идея использования отверстий в кожухе вентиляторной установки и клапанами может быть удачно реализована. Проблема негерметичного прилегания может быть решена с помощь жестких клапанов и точной геометрии прилегания к кожуху. Проблема большого аэродинамического сопротивления клапанов может быть решена за счет их принудительного фиксированного открытия, более рациональной их компоновки и формы.

Для проверки этой идеи были изготовлены две опытные экспериментальные вентиляторные установки. Отличались они тем, что в одном случае на кожухе были установлены резиновые клапаны (рисунок 4, а), а в другом случае жесткие (рисунок 4, б). В первом варианте использовались клапаны от вентилятор-

ной установки автомобиля Audi. Профиль отверстий в кожухе в точности повторял профиль стандартного кожуха.

Во втором варианте отверстия в кожухе совпадали с внешними границами отверстий в первом варианте, т.е. занимали ту же площадь. Поскольку горизонтальные перемычки между отверстиями во втором варианте не нужны, они отсутствовали. Таким образом, проходное сечение этих отверстий было больше на величину этих перемычек. С точки зрения компоновочных соображений было использовано два жестких клапана, открываемых в вертикальной плоскости. Это позволило получить компромисс между небольшим пространством, необходимым для открытия клапанов и не сложной конструкцией привода открытия и закрытия клапанов.

Рис. 4. Вентиляторные установки: а) с резиновыми клапанами; б) с жесткими клапанами

В комплекте с кожухом в том и другом случае использовались электровентилятор и радиатор автомобиля ВАЗ-2108.

Обе вентиляторные установки были подвергнуты аэродинамическим испытаниям для сопоставления результатов в случаях использования набегающего потока, использования вентилятора и совместного использования набегающего потока и вентилятора для подачи охлаждающего воздуха через радиатор.

На рисунке 5 представлены результаты испытаний при использовании набегающего потока. Сопоставление графиков 2 и 3 с графиком 1 позволяет оценить необходимость применение отверстий в кожухе. Видно, что аэродинамическое сопротивление кожуха с закрытыми клапанами значительно выше, чем с открытыми. Прохождение воздуха через отверстия в кожухе увеличивает расход воздуха через радиатор.

Рис. 5. Падение давления на радиаторе и вентиляторной установке в зависимости от расхода воздуха: 1 - клапаны закрыты; 2 - с открытыми резиновыми клапанами; 3- с открытыми

жесткими клапанами

Как и следовало ожидать кожух с резиновыми клапанами оказывает большее аэродинамическое сопротивление по сравнению с кожухом с жесткими клапанами. Использова-

ние жестких клапанов с принудительным управлением позволяет существенно увеличить расход воздуха через радиатор. Это особенно заметно, когда напор небольшой (ри-

сунке 6). Такой напор не способен заметно отогнуть резиновые клапаны. При больших напорах, что соответствует большой скорости автомобиля, проходное сечении отверстия становится больше, поэтому расход воздуха возрастает. Как видно из графика и при большом напоре расход воздуха существенно меньше по сравнению с кожухом с жесткими клапанами. Как уже было сказано, поток воздуха не способен сильно деформировать ре-

зиновый клапан и проходное сечение отверстия остается недостаточным, особенно у основания клапана. Жесткие клапаны могут быть открыты на необходимый угол, и поэтому проходное сечение отверстий в кожухе используется полностью. Определенное преимущество получается еще за счет увеличения проходного сечения этих отверстий из-за отсутствия горизонтальных перегородок, в данном случае они не нужны.

Рис. 6. Степень увеличения расхода воздуха, при использовании кожуха вентилятора с жесткими клапанами по сравнению с кожухом с резиновыми клапанами

Хотя резиновые клапаны, применяемые на опытном кожухе, имели небольшие размеры, но все, же они не обеспечивали плотного прилегания к поверхности кожуха. Поскольку клапаны были уже в эксплуатации, они потеряли плоскую форму и были изогнуты в вертикальной плоскости, в результате этого нижняя часть клапана в свободном состоянии оставляла щель в кожухе. По этой причине при работе вентилятора через эти щели наблюдался подсос воздуха, хотя щели под действием разряжения несколько уменьшались. Таким образом, расход воздуха через радиатор при использовании вентиляторной установки с резиновыми клапанами был ниже на 3% по сравнению с вентиляторной установкой с жесткими клапанами.

Преимущества вентиляторной установки с жесткими клапанами сохраняются, когда воздух через радиатор подается за счет набегающего потока и работы вентилятора (совместное использование). Как видно на рис. 7

график падения давления на радиаторе и вентиляторной установке с жесткими клапанами 3 лежит ниже, чем с резиновыми 2 (отрицательное значение по оси ДР означает то, что перед радиатором в предрадиаторной камере возникает разряжение). Поэтому суммарный расход воздуха в первом случае будет больше, чем во втором (рис. 8). Как в случае использования одного набегающего потока, здесь также наибольший эффект наблюдаться при небольшом напоре, когда ведущую роль играет вентилятор, также и при больших напорах сохраняется преимущество применения жестких клапанов.

По каким причинам вентиляторная установка с жесткими клапанами эффективнее установки с резиновыми клапанами было сказано ранее. Используя управление такими клапанами можно получить еще больший эффект при низкой скорости движения автомобиля, когда набегающего потока недостаточно и должен работать вентилятор.

Рис. 7. Падение давления на радиаторе и вентиляторной установке в зависимости от расхода воздуха, при совместном использовании набегающего потока и вентиляторной установки:

1 - клапаны закрыты; 2 - с открытыми резиновыми клапанами; 3- с открытыми жесткими

клапанами

-50

0

50 100 150 200 250 АР, Па 350

Рис. 8. Степень увеличения расхода воздуха, при использовании кожуха вентилятора с жесткими клапанами по сравнению с кожухом с резиновыми клапанами

С позиции обеспечения эффективной работы вентилятора клапаны должны быть закрыты для того, чтобы исключит подсасывание воздуха. С позиции обеспечения эффек-

тивного использования набегающего потока клапаны должны быть открыты. Когда используется набегающий поток и включен вентилятор, клапаны должны быть открыты или за-

крыты? Чтобы ответить на этот вопрос был проведен специальный эксперимент. Результаты этого эксперимента показаны на рисунке 9. Для этого сопоставлен расход воздуха через радиатор при закрытом и открытом положении клапанов. При небольшом напоре встречного воздуха закрытые клапаны позволяют увеличить расход воздуха (график функции имеет положительное значение). Максимальный прирост расхода будет при маленькой скорости движения автомобиля. С увели-

чением скорости движения доля воздуха создаваемая вентилятором снижается. При достижении определенной скорости роль работающего вентилятора становится минимальной. Расход воздуха проходящего через радиатор становится меньше по сравнению с открытым положением клапанов (график функции имеет отрицательное значение). Вентиляторная установка в данном случае играют отрицательную роль, затормаживая поток набегающего воздуха.

Рис. 9. Степень влияния закрытых клапанов по сравнению с открытым их состоянием при одновременном использовании набегающего потока и вентилятора

На основании проведенного эксперимента можно сделать ряд выводов. Закрывать клапаны на кожухе можно в момент включения вентилятора, но при большой скорости движения эта мера будет иметь лишь только отрицательное значение. На этой скорости потенциальная производительность электровентилятора не идет ни в какое сравнение с напором встречного воздуха, а закрытые отверстия в кожухе резко снижает его роль. Вентилятор на этом режиме может работать, но только при открытых клапанах. На скоростях близких к максимальным его доля в общем потоке будет составлять приблизительно 510%. На рис. 9 видно, когда должны быть закрыты клапаны на кожухе - это закрашенная зона графика. Клапаны должны быть закрыты при условии включения вентилятора и если скорость движения автомобиля не превышает некоторой величины. Эта скорость для каждого автомобиля может быть определена экспе-

риментально. На всех остальных режимах клапаны должны быть открыты.

Поскольку мощность вентиляторной установки выбирается с учетом обеспечения отвода тепла на нагрузочных режимах при движении с малой скоростью и на холостом ходу, поэтому эти требования очень важны. Вентиляторная установка с жесткими управляемыми клапанами позволяет сочетать высокую эффективность работы вентилятора и рациональное использование набегающего потока.

Вывод

Эффективность применения управляемых жестких клапанов может быть повышена за счет более высоких компоновочных возможностей. Если применение резиновых клапанов вынуждает на кожуха делать плоскую поверхность, обычно идущую в ущерб его аэродинамической форме, то жесткие клапаны могут располагаться в любом месте кожуха, иметь любую геометрию и быть интегрированы с формой поверхности кожуха.

Influence of valves design on efficiency of cooling system fans

A.P. Petrov, K.A. Petrov

The results of researches of engine cooling system fan with hard valves with forced opening are presented. The advantages of these valves are shown.

Петров Александр Павлович - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Автомобили» Курганского государственного университета. Ос-

новное направление научных исследований - гидрогазодинамика, система охлаждения двигателя. Имеет более 45 опубликованных работ. E-mail: alex_p2@mail. ru

Петров Кирилл Анатольевич - аспирант кафедры «Автомобили» Курганского государственного университета. Основное направление научных исследований - гидро-газодинамика, система охлаждения двигателя. Имеет 6 опубликованных работ. E-mail: mr-petrov@yandex.ru

Статья поступила 15.06.2010 г.

УДК 629.113

О АНАЛИТИЧЕСКОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ УПРУГО-ДИССИПАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ

O.A. Дубровская, С. А. Дубровский, А.Ф. Дубровский, С. В. Алюков

Аннотация. На основе использования свойств обратных тригонометрических функций построена методика аналитического представления разрывных функций и функций переменной структуры, описывающих рабочие процессы подвески автомобиля.

Ключевые слова: подвеска автомобиля, упруго-диссипативные характеристики подвески автомобиля, функции переменной структуры, аналитические функции.

При проведении теоретических исследований динамических процессов протекающих в подвеске автомобиля во время его движения возникает необходимость в аналитическом представлении его упруго-

диссипативных характеристик. Однако последние очень часто отображаются разрывными функциями, или функциями переменной

структуры. Например, сила сухого трения

в листовых рессорах обычно идеализируется при помощи следующей разрывной функции:

^ 0) где — постоянная величина, не зависящая от относительной скорости % соприка-

Л

сающихся трущихся тел; = — - оператор

<и

дифференцирования по времени t^l здпх -«единичная» функция.

Таким образом, график функции (1) имеет вид, представленный на рисунке!

При подобном представлении силы трения, во время интегрирования дифференциальных уравнений движения с помощью программы МаАаЬ очень часто возникают проблемы вычислительного характера. В частно-

сти, при относительно больших значениях F. .. на графиках старших производных перемещений подрессоренной и неподрессорен-ной масс автомобиля появляются «пилы» -участки скачкообразного изменения соответствующих функций [1]. Отмеченную проблему можно устранить, если зависимость (1) графически представленную на рис.1 аппроксимировать, например, с помощью функции V = zr-.TXX, В этом случае зависимость (1) можно записать в виде [1]

Fw-^farctS

или графически представить таким образом, как представлено на рисунке 2:

Здесь К - коэффициент «масштабирования».

Подобный подход в настоящее время достаточно широко применяется в инженерных расчетах. Этот подход позволяет, при надлежащем выборе коэффициента К аппроксимировать с достаточной для инженерных расчетов точностью разрывную функцию (1) в точке

разрыва X = 0 аналитической функцией (2).