Коррекция воздушного потока в воздушном тракте системы охлаждения двигателя

А.П. Петров

Курганский государственный университет, г. Курган

КОРРЕКЦИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ВОЗДУШНОМ ТРАКТЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

В изобретении по авторскому свидетельству №1451300 предлагается установить перед радиатором 4 системы охлаждения автомобиля кольцо 4 соосно вентилятору 3, установленному в кожухе 2 (рисунок 1). Предполагается, что это позволит уменьшить затраты мощности на обдув радиатора.

Да, на самом деле это кольцо будет иметь большое влияние на прохождение потока воздуха через радиатор системы охлаждения, но кольцо, установленное перед радиатором, будет играть лишь отрицательную роль. Авторов этого изобретения ввел в заблуждение тот факт, что скорость воздуха в зоне радиатора внутри кольца возрастает, причем значительно. Происходит это за счет концентрации потока воздуха, выходящего из воздухозабор-ных отверстий, расположенных на передней панели автомобиля. В нормальных условиях поток воздуха, пройдя через воздухозаборные отверстия, более или менее равномерно растекается по поверхности радиатора. Растекание воздуха продолжается до момента соприкосновения с поверхностью радиатора. Другими словами, поток воздуха ведет себя как струя, взаимодействующая с преградой.

Рисунок 1 - Установка кольца перед радиатором по а.с.

№1451300

Если перед радиатором установить кольцо, то струя воздуха, попадающая в зону этого кольца, уже не может растекаться по поверхности радиатора. Вот почему скорость воздуха в зоне кольца возрастает, но это происходит за счет остальной поверхности радиатора, особенно за счет наиболее удаленной от воздухозаборных отверстий. Таким образом, получается, что общий расход воздуха через радиатор остается прежним, а происходит лишь перераспределение его из одних зон в другие, т.е. на одних участках радиатора скорость увеличивается, а на других уменьшается. Причем скорость увеличивается именно на тех участках, где она и без того высокая из-за того, что эти участки располагаются напротив отверстия в кожухе, где установлен вентилятор. Неравномерное распре-

деление скорости потока воздуха по фронтальной поверхности радиатора и без того является проблемой, поскольку существенно снижается тепловая эффективность радиатора. На рисунке 2 изображена эпюра поля скоростей воздуха в поперечной проекции потока. Локальные скорости измерены на участках поверхности радиатора, разбитой на 12 зон по длине радиатора и 7 по высоте. Центр отверстия в кожухе находится в зоне 3 по ширине и 4 по высоте. В данном случае диаметр вентилятора практически равен высоте радиатора. Хорошо видно, что в районе этого отверстия наблюдается наибольшая скорость воздуха. Эпюра получена при отсутствии передней панели в предрадиаторной камере, иначе неравномерность потока была бы еще выше.

Вторая проблема заключается в том, что кольцо ограничивает движение потока воздуха по траектории наименьшего сопротивления, т.е. по более плавной траектории, и это приводит к увеличению аэродинамического сопротивления течению потока воздуха перед радиатором. Это обстоятельство дополнительно приведет к снижению расхода воздуха через радиатор.

Отрицательный эффект будет наблюдаться как при использовании набегающего на автомобиль потока встречного воздуха, так и при работе вентилятора; при полном охвате и неполном охвате кожухом радиатора.

Управлять потоком воздуха в воздушном тракте системы охлаждения двигателя легкового автомобиля можно и нужно. Организация потока воздуха выполняется с целью равномерного распределения его по поверхности радиатора или для снижения аэродинамического сопротивления воздушного тракта, что приводит к снижению затрат мощности на обдув радиатора.

Рисунок 2 - Эпюра поля скоростей по фронту радиатора при подаче воздуха за счет набегающего потока

На рисунке 3 изображена эпюра поля скоростей охлаждающего воздуха по фронтальной поверхности радиатора. Была использована вентиляторная установка с кожухом, имеющем не полный охват радиатора. Обдув радиатора осуществлялся под действием набегающего потока. Наибольшая скорость воздуха наблюдается слева в зонах 1-3 по его ширине. Именно напротив этих зон располагается свободная часть радиатора не закрытая кожухом (рисунок 4 а).

СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1

113

Рисунок 3 - Эпюра поля скоростей по фронту радиатора при подаче воздуха за счет набегающего потока, кожух вентилятора имеет неполный охват радиатора

Неполный охват кожухом радиатора позволяет лучше использовать набегающий поток, но при этом ухудшается эффективность использования вентиляторной установки системы охлаждения. Это происходит по двум причинам: во-первых, снижается площадь радиатора, обдуваемая вентилятором. Во-вторых, на малых скоростях движения автомобиля и на холостом ходу через свободную зону радиатора начинается рециркуляция воздуха из подкапотного пространства в предрадиаторную камеру (рисунок 4 в). В результате этого в радиатор поступает нагретый воздух, что существенно снижает теплоотдачу радиатора. В таких условиях необходим компромисс, он осуществляется за счет выбора степени охвата кожухом радиатора.

Не всегда заданная степень охвата кожухом радиатора может в полной мере удовлетворять всем эксплуа-

тационным условиям эффективной теплоотдачи. Система охлаждения должна обеспечить нормальную работу двигателя на всех нагрузках и при любой скорости движения автомобиля и на неподвижном автомобиле. Наиболее нагруженными могут быть: режим максимальной скорости; движение на подъем или с прицепом с малой скоростью и т.д.

Для коррекции потока воздуха предлагается использовать простую перегородку, устанавливаемую перед радиатором в плоскости кромки кожуха (рисунок 4 б). Перегородка 7 может быть использована с целью снижения рециркуляции воздуха в том случае, когда существует недостаточная эффективность системы охлаждения при малой скорости движения или на неподвижном автомобиле. При этом должен быть достаточный запас эффективности на остальных режимах.

При рециркуляции воздух засасывается по всей поверхности свободной зоны радиатора. Этот воздух попадает как на близлежащие, так и на удаленные зоны, охваченные кожухом. Принцип действия перегородки при работе вентилятора заключается в следующем. Рецирку-лирующий воздух вынужден огибать перегородку, поэтому аэродинамическое сопротивление потоку увеличивается и вследствие этого снижается его рециркуляция (рисунок 4 г). Вместе с тем увеличивается доля холодного воздуха, поступающего через воздухозаборные отверстия.

С другой стороны перегородка снижает эффективность использования набегающего потока. Дело в том, что когда нет перегородки, через свободную зону идет не только тот воздух, что находится перед этой зоной, но и часть воздушного потока, который не может пройти через зону вентиляторной установки из-за большой величины ее аэродинамического сопротивления (рисунок 4 а). Перегородка ограничивает перераспределение этого потока (рисунок 4 б). Высота перегородки должна быть выбрана с учетом той и другой проблемы. Большая высота может существенно снизить рециркуляцию или полностью ее исключить. С другой стороны, это существенно снизит расход воздуха при использовании набегающего потока.

а) - использование набегающего потока; б) - использование набегающего потока и установленная перегородка; в) - работа

вентилятора; г) - работа вентилятора и установленная перегородка; 1 - радиатор; 2 - кожух вентилятора; 3 -вентилятор; 4 - подкапотное пространство; 5 - предрадиаторная камера; 6 - воздухозаборное отверстие; 7 - перегородка

Рисунок 4 - Схема движения потока воздуха по воздушному тракту системы охлаждения

114

ВЕСТНИК КГУ, 2005. №4