Анализ системы охлаждения двигателя

Жидкостная система охлаждения ав­томобильных двигателей получила ши­рокое распространение, несмотря на следующие недостатки: замерзание во­ды при низкой температуре, что может вывести двигатель из строя; образова­ние на внутренних стенках системы на­кипи, уменьшающей теплообмен и вы­зывающей перегрев двигателя; увеличе­ние массы и размеров двигателя из-за наличия двойных стенок.

1. Выпускной шланг радиатора. 2. Ремни вентилятора. 3. Сливной краник радиатора. 4. Выпускной патрубок радиатора. 5. Жалюзи радиатора. 6. Планка управления жалюзи. 7. Масляный радиатор. 8. Охлаждающие трубки радиатора. 9. Верхний бачок радиатора. 10. Пробка радиатора. 11. Датчик контрольной лампы температуры охлаждающей жидкости. 12. Впускной патрубок радиатора. 13. Впускной шланг. 14. Вентилятор. 15. Кожух вентилятора. 16. Выпускной патрубок вентилятора. 17. Термостат.

18. Насос охлаждающей жидкости. 19. Трубка распределения охлаждающей жидкости. 20. Трубка расширительного бачка. 21. Расширительный бачок. 22. Пробка расширительного бачка. 23. Хомут. 24. Датчик температуры охлаждающей жидкости. 25. Указатель температуры охлаждающей жидкости. 26. Клапан пробки расширительного бачка. 27. Рукоятка тяги управления жалюзи. 28. Шарик, фиксирующий положение рукоятки. 29. Пружина шарика. 30. Оболочка тяги управления жалюзи. 31. Тяга управления жалюзи. 32. Корпус пробки радиатора. 33. Прокладка пробки радиатора. 34. Пружина пробки радиатора. 35. Наливная горловина радиатора. 36. Пружина выпускного клапана. 37. Прокладка выпускного клапана. 38. Выпускной клапан. 39. Впускной клапан. 40. Пружина впускного клапана. 41. Прокладка впускного клапана. 42. Патрубок трубки расширительного бачка.

Система охлаждения двигателя ВАЗ 2105 - жидкостная, закрытая, с принудительной циркуляцией жидкости. Состоит из рубашки, окружающей цилиндры и головку цилиндров двигателя, насоса 18 центробежного типа, радиатора с жалюзи 5, вентилятора 14, термостата 17, системы клапанов, помещенных в пробке 3. В систему охлаждения включен также радиатор отопления кузова.

Система охлаждения заполнена жидкостью Тoсoл А-40, замерзающей при температуре -40°С. Емкость системы охлаждения 11,5 л.

Поддержание правильного теплового режима оказывает решающее влияние на износ двигателя и экономичность его работы. Температура охлаждающей жидкости при наивыгоднейшем тепловом режиме работы двигателя должна быть в пределах 85-90°С. Указанная температура поддерживается при помощи автоматически действующего термостата и управляемых вручную жалюзи радиатора. Для контроля температуры охлаждающей жидкости в комбинации приборов имеется электрический указатель 25, датчик 24 которого ввернут в рубашку головки цилиндров. Кроме того, в комбинации приборов имеется красная сигнальная лампочка, загорающаяся при повышении температуры жидкости до 104-110 градусов. Датчик ее ввернут в верхний бачок радиатора. При загорании лампочки следует немедленно устранить причину перегрева: перейти на более легкий режим движения (сбавить газ), усилить охлаждение, открыв жалюзи.

Насос нагнетает жидкость в распределительную трубу 19 из нержавеющей стали, установленную внутри головки цилиндров. Через отверстия в трубе жидкость подводится непосредственно к горячим местам головки (к бобышкам выпускных клапанов и свечей) и интенсивно их охлаждает. Рубашка блока цилиндров соединена с головкой через отверстие в прокладке головки. Цилиндры охлаждаются термосифонно. Нагревшаяся жидкость собирается в рубашке головки цилиндров и поступает через полость кронштейна насоса в выпускной патрубок 16. Отсюда в зависимости от температурного состояния двигателя жидкость термостатом направляется или в верхний бачок 9 радиатора (при прогретом двигателе), или через постоянно открытое перепускное отверстие в приемный патрубок насоса и обратно в двигатель (при холодном двигателе).

Термостат запорного типа помещен в выпускном патрубке, расположенном на кронштейне насоса. В термостате имеется клапан. При температуре жидкости ниже 76-82°С клапан термостата закрыт, и жидкость из полости выпускного патрубка через постоянно открытое отверстие диаметром 9 мм направляется в приемную полость насоса, минуя при повышении температуры жидкости более 76-82°С клапан термостата начинает открываться, и часть горячей жидкости через выпускной патрубок направляется в радиатор. При температуре жидкости 88-97°С клапан открыт полностью, и жидкость свободно проходит в радиатор. Корпус клапана в верхней части уплотнен резиновой прокладкой. На кромке клапана имеется небольшая канавка. При заливке жидкости в систему охлаждения через эту канавку из рубашки двигателя удаляется воздух. Этим предотвращается образование воздушной пробки.

Прогревать двигатель следует при закрытых жалюзи и закрытом люке воздухопритока, так как радиатор отопления кузова присоединен к системе охлаждения двигателя, минуя термостат. Прогрев делать при умеренной частоте вращения в течение 2-x мин. Жалюзи следует открывать только при достижении 90 градусов. В зимнее время рекомендуется на переднюю часть автомобиля надеть теплый капот. Ни в коем случае нельзя в зимнее время снимать термостат. Двигатель без термостата прогревается очень долго и работает при низкой температуре. Вследствие этого ускоряется износ двигателя и увеличивается расход бензина, а также происходит интенсивное отложение смолистых веществ на внутренних стенках двигателя.

Насос - центробежного типа. Корпус насоса состоит из двух частей: отлитого из алюминиевого сплава кронштейна, прикрепленного к головке цилиндров, и отлитого из чугуна корпуса, в котором установлены шариковые подшипники валика насоса. На валике насоса с внутренней стороны установлена крыльчатка, а с наружной - ступица шкивов: крыльчатка закреплена болтом, ступица - гайкой. Подшипники удерживаются в корпусе стопорным кольцом. Место выхода валика из полости насоса уплотнено торцовым самоподжимным сальником, установленным на валике внутри крыльчатки. Сальник состоит из уплотняющей шайбы, резиновой манжеты, упорной пружины и обойм. Уплотнение создается за счет плотного обхвата вала манжетой и плотного прижима уплотняющей шайбы к полированному торцу корпуса насоса. При сборке торец корпуса покрывается графитовой смазкой. Подшипники отделены от жидкостей полости насоса канавкой. По этой канавке просочившаяся через сальник жидкость вытекает наружу, не попадая на подшипник. Подшипники смазываются через пресс-масленку, ввернутую в корпус насоса с правой стороны. Смазку производят при помощи шприца до появления смазки из контрольного отверстия, расположенного между подшипниками на корпусе насоса. Излишки вытекшей смазки следует тщательно стереть, чтобы она не попала на ремни вентилятора.

Вентилятор 14 пластмассовый, восьмилопастный; прикреплен к штампованному из листовой стали фланцу четырьмя болтами, ввернутыми в тело вентилятора. Вентилятор в сборе с фланцем балансируется статически (дисбаланс не более 6 гс/см). После балансировки на вентиляторе и его фланце ставят метку несмываемой краской. Вентилятор с фланцем крепится к ступице на валу насоса четырьмя болтами.

Вал вентилятора насоса приводится во вращение двумя клиновыми ремнями 2 от шкива коленчатого вала. Этими же ремнями приводится в действие генератор. Натяжение ремней регулируется поворотом генератора. При правильном натяжении каждый ремень под усилием большого пальца руки (4 кгс) должен прогибаться на 8-10 мм (см. верхний левый рисунок).

Радиатор - трубчато-пластинчатый. Плоские вертикальные трубки 8 впаяны в верхний 9 и нижний бачки радиатора в три ряда. В промежутках между трубками находятся припаянные к ним охлаждающие пластины, представляющие собой гофрированную (в виде змейки) медную ленту. В бачки впаяны патрубки для подвода (в верхний бачок) и отвода (в нижний бачок) жидкости. B верхний бачок впаяна наливная головка и штуцер датчика контрольной лампочки температуры воды. В нижнюю часть наливной горловины впаян патрубок 42 трубки расширительного бачка. Верхний и нижний бачки радиатора дополнительно соединены припаянными к ним боковыми стойками. Радиатор крепится при помощи кронштейнов, расположенных на его боковых стойках, четырьмя болтами к перегородке (щитку) радиатора, приваренной к кузову. К боковым щиткам радиатора прикреплен кожух вентилятора, штампованный из листовой стали.

Пробка радиатора закрывает герметически всю систему охлаждения. Пробка имеет два клапана: выпускной, отрегулированный на избыточное давление в системе ЗЗ0-400 мм рт. ст. (0,45-0,55 кгс/см²), и впускной, отрегулированный на разрежение в системе 7-73 мм рт. ст. (0,01-0,10 кгс/см²). Нормальная работа клапанов зависит от исправности резиновых прокладок. При поврежденных прокладках система перестает быть герметичной. Герметичность системы обеспечивает более высокую температуру охлаждающей жидкости без закипания и тем самым большую теплоотдачу радиатора.

Расширительный бачок 21 изготовлен из полупрозрачной пластмассы, соединен трубкой 20 с наливной горловиной радиатора. На корпусе бачка имеется метка "MIN", по которой устанавливается уровень жидкости. При нагреве жидкость расширяется и избыток ее через выпускной клапан 38 в пробке радиатора перетекает в расширительный бачок. При охлаждении двигателя жидкость через впускной клапан 39 перетекает обратно в радиатор. Пробка 29 расширительного бачка имеет резиновый клапан 28, срабатывающий при давлении около атмосферного.

Слив жидкости производится одновременно через два краника; один 3 расположен на нижнем бачке радиатора, другой - с правой стороны блока цилиндра (в задней его части. При сливе надо снять пробку радиатора. Также должен быть открыт клан радиатора отопления кузова, расположенный с правой стороны блока цилиндров над краником слива жидкости.

Перед радиатором установлены жалюзи 5 для регулирования степени его охлаждения. Управляются жалюзи через гибкую тягу 31 рукояткой 27, расположенной под щитком приборов. Вытянутое положение рукоятки соответствует закрытым створкам жалюзи.

Ежедневно необходимо проверять уровень жидкости в расширительном бачке, а также отсутствие течи в соединениях шлангов и достаточность натяжения ремней. Уровень жидкости должен быть по метке "MIN" или выше ее на 3-5 см. При необходимости, доливается жидкость в расширительный бачок. Периодичность замены охлаждающей жидкости - каждые два года или через каждые 60 тыс. км пробега автомобиля. При большой потере жидкости допустимо временно добавлять в систему охлаждения воду. Для этого после охлаждения двигателя надо снять с радиатора и расширительного бачка пробки и залить в радиатор воду до верхнего среза наливной горловины, затем поставить пробку радиатора на место. Долить в расширительный бачок воды на 10 см выше метки и поставить его пробку на место. При первой возможности надо сменить воду на Тосол А-40.

При замене жидкости систему следует промывать. Для этого имеющуюся жидкость сливают и заполняют систему водой, пускают двигатель и прогревают. Затем на малой частоте вращения холостого хода сливают воду и останавливают двигатель. После охлаждения двигателя повторяют промывку. Заполняют систему жидкостью через радиатор (при снятой пробке расширительного бачка) до верхнего среза наливной горловины и закрывают радиатор пробкой. Заливают жидкость в расширительный бачок на 3-5 см выше метки "MIN" и закрывают бачок пробкой.

3.Расчет теплопроводности через многослойную цилиндрическую стенку

Тепло газообразных продуктов сгорания передается через стенку к воде. Принимая температуру газов t_г = 950⁰C, воды t_в = 55⁰C, коэффициент теплопроводности со стороны газа α_г = 95 Вт/м²К, со стороны воды α_в = 950Вт/м²К и считая стенку цилиндрической длиной L = 345 мм требуется:

1. Определить термические сопротивления R, коэффициенты теплопередачи К, плотности тепловых потоков для случаев:

а) стенка стальная чистая, d_вн – 56 мм, d_н – 90 мм при λ₁ = 50 Вт/м К;

б) стенка чугунная чистая, d_вн – 56 мм, d_н – 90 мм при λ₂ = 35 Вт/м К;

в) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи толщиной

δ₁ = 2,9мм , при λ₃ = 2 Вт/м К;

г) случай «в» , но поверх накипи имеется слой масла толщиной δ₂ = 0,5 мм , при λ₄ = 0,2 Вт/м К;

д) случай «г», со стороны газов стенка покрыта слоем сажи δ₃ = 0,5 мм,

при λ₅ = 0,2 Вт/м К;

2. Приняв для случая «а» тепловой поток за 100% , подсчитать в процентах тепловые потоки для остальных случаев.

3. Определить аналитически температуры всех слоев стенки для случая «д».

4. Определить эти же температуры графически.

5. В масштабе для случая «д» построить график падения температуры в стенке.

1. a). Термическое сопротивление находим по формуле: ,где λ – коэффициент теплопроводности;

- длина цилиндрической стенки;

d_вн- внутренний диаметр трубки;

d_н- внешний диаметр трубки.

Термическое сопротивление стали.

;

;

Коэффициент теплопередачи находим по формуле: ,

где - сумма термических сопротивлений.

Термическое сопротивление воды: ;

Термическое сопротивление газа: ;

Коэффициент теплопередачи.

;

;

Плотность теплового потока находим по формуле: ,

где - коэффициент теплопередачи;

- температура газа;

- температура воды.

Плотность теплового потока.

;

;

1.б). Термическое сопротивление чугуна.

;

;

Коэффициент теплопередачи.

;

;

Плотность теплового потока.

;

1.в). Термическое сопротивление накипи.

Т.к стенка покрыта слоем накипи со стороны воды, то чтобы рассчитать термическое сопротивление накипи, мы должны пересчитать диаметры. Внешним диаметром накипи будет внутренний диаметр трубки, а внутренним диаметром накипи будет являться результат вычитания толщины накипи из внешнего диаметра накипи.

;

Коэффициент теплопередачи.

= ;

;

Плотность теплового потока.

;

1.г). Термическое сопротивление масла.

Т.к поверх накипи имеется слой масла, то чтобы рассчитать термическое сопротивление масла, мы должны пересчитать диаметры. Внешним диаметром масла будет внутренний диаметр накипи, а внутренним диаметром масла будет являться результат вычитания толщины масла из внешнего диаметра масла.

;

;

Коэффициент теплопередачи.

;

Плотность теплового потока.

;

1.д). Термическое сопротивление сажи.

Т.к стенка со стоны газов покрыта слоем сажи, то чтобы рассчитать термическое сопротивление сажи, мы должны пересчитать диаметры. Внутренним диаметром сажи будет внешний диаметр трубки, а внешним диаметром сажи будет являться результат сложения внешнего диаметра трубки с толщиной сажи.

;

;

Коэффициент теплопередачи.

;

;

Плотность теплового потока.

;

2. Сведем все тепловые потоки в таблицу 1 и проанализируем.

Таблица 1

Номер случая	Значение q, Вт/м2
а
б	62805,9
в	42936,8
г	27434,7
д

Методом пропорций мы рассчитаем процентное отношение всех значений q для все случаев, относительно случая а).

Чтобы найти процент для случая б), нам необходимо:

70000 – 100%

62805,9 – Х%

Тогда: .

Таким же образом и для других случаев. Полученные результаты представим в таблице 2.

Таблица 2

Номер случая	Значение q,	%
а
б	62805,9	89,7
в	42936,8	68,4
г	27434,7	63,9
д		41,3

3.Температуры всех слоев стенки для случая д), мы определим по формуле: ,

где - температура рассчитываемой стенки;

- температура среды, с которой контактирует первый слой;

- тепловой поток для случая д), ;

- сумма термических сопротивлений рассматриваемых слоев.

Температура слоя сажи.

Температура слоя стали.

Температура слоя накипи.

Температура на внутренней поверхности слоя масла.

Температура на наружной поверхности слоя масла.

Температура слоя воды.

4. Определяем температуры слоев графически:

Рисунок 4. Графическое определение температур

Температура слоя сажи: ;

Температура слоя стали: ;

Температура слоя накипи: ;

Температура на внутренней поверхности слоя масла: ;

Температура на наружной поверхности слоя масла: ;

Температура слоя воды: .

5. График падения температур смотри на графическом листе.

4. Расчет теплообмена при естественной конвекции.

Рассчитать локальные значения коэффициентов теплоотдачи и значения толщин пограничного слоя на нагретой вертикальной стенке теплового двигателя высотой h , среднее значение коэффициентов теплоотдачи в зонах ламинарного и турбулентного режимов течения потока воздуха, среднее значение коэффициента теплоотдачи по всей высоте стенки.

Построить в масштабе графики изменения коэффициентов теплоотдачи и толщины пограничного слоя по высоте стенки.

Исходные данные: средняя температура поверхности стенки t_ст = 45⁰С и температура воздуха t_в = 15⁰С, высота стенки h – 1,4 м.

1. Определяем на какой высоте от низа стенки произойдет переход от ламинарного к турбулентному режиму теплообмена.

2. В зоне ламинарного движения потока определяем толщины пограничного слоя δи локальные значения коэффициента теплоотдачи α по соотношениям.

Значения х принимаем равными 0,01 м; 0,25l_кр; 0,5l_кр; 0,75l_кр; l_кр.

м;

м;

м;

м;

м;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Вт/м²К;

Полученные значения сводим в таблицу 3.

Таблица 3

Значения x	0,01	0,152	0,304	0,456	0,61
Значения δ	6,51E-03	1,29E-02	1,53E-02	1,69E-02	1,82E-02
Значения α	7,70	3,90	3,28	2,96	2,76

3. Определяем средний коэффициент теплоотдачи в зоне ламинарного режима течения потока:

;

4. Определяем средний коэффициент теплоотдачи в зоне турбулентного режима течения потока:

;

5. Определяем средний коэффициент теплоотдачи по всей стенке:

;

;

6. Построим графики изменения толщины пограничного слоя δ и коэффициента теплоотдачи α по высоте стенки h.

5. Расчет характеристик цикла теплового двигателя.

Исходные данные:

1. Цикл отнесен к 1 кг. воздуха;

2.Изобарная теплоемкость С_Р = 1,005 кДж/кг•К

3.Изохорная теплоемкость С_V = 0,71 кДж/кг•К

4.Газовая постоянная R = 287 Дж/кг К

Определить:

1. Параметры Р, v, T, U, i для узловых точек цикла.

Построить:

2. Цикл в координатах lg P – lg v, в координатах Р – v, используя для этого предыдущее построение.Каждая кривая линия должна быть построена, как минимум по трем точкам.

Найти:

3. n, C, ΔU, Δi, ΔS, q, l – для каждого процесса.

4. работу цикла l_Ц , термический к. п. д.цикла и среднее индикаторное давление P_i .

Рисунок 5.

Заданные значения:

P_1абс= 1,2 атм = 1,2•10⁵ Па.

P_2абс= 8 атм = 8•10⁵ Па.

t₁= 10⁰С. T₁=283 К.

q= 24 ккал/кг = 100,48 кДж/кг.

Рассмотрим процессы, происходящие в цикле теплового двигателя:

1-2 – адиабатический процесс.

2-3 – изобарный процесс.

3-4 – адиабатический процесс.

4-1 – изобарный процесс.

1. Определим параметры p,V,T,U,i для узловых точек цикла:

а) Для точки 1дано: P_1абс=1,2•10⁵ Па, T₁=283 К.

м³/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

б) Для точки 2 дано: P_2абс=8•10⁵ Па.

;

;

К;

;

м³/кг;

м³/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

в) Для точки 3 дано: P_3абс=8•10⁵ Па.

;

К;

;

м³/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

г) Для точки 4 дано: Р_4абс = 1,2•10⁵ Па.

;

К;

;

м³/кг;

м³/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

Результаты представим в виде таблицы 4.

Таблица 4

P, атм	1,2			1,2
V, м3/кг	0,677	0,177	0,213	0,813
T, К		493,4	593,4	340,36
U, кДж/кг	200,93	350,3	421,3	241,67
i, кДж/кг	284,415	495,867	596,37	342,1

2. Построение цикла.

Для построения цикла в координатах P – V необходимо использовать 4 дополнительные точки (по 2 на каждую кривую). Определим их.

Возьмем 2 значения давления, находящегося в пределах от 1,2•10⁵ Па до 8•10⁵ Па: 4•10⁵ Па – точка а, 6•10⁵ Па – точка а'. Теперь возьмем еще две точки давления, но находящегося в пределах от 8•10⁵ Па до 1,2•10⁵ Па: 6•10⁵ Па – точка b, 4•10⁵ Па – точка b'.

Для адиабатического процесса 1-2 используем уравнение состояния:

точка а - м³/кг;

точка а' - м³/кг;

Для политропного процесса 3-4 используем уравнение состояния:

точка b - м³/кг;

точка b' - м³/кг;

Данные для построения сведены в таблицу 5.

Таблица 5

	p, Па	V, м3/кг	V, см3/кг	lg p, Па	lg V, cм3/кг
		0,677		11,695	13,425
а		0,279		12,9	12,54
а'		0,186		13,3	12,13
		0,177		13,59	12,08
		0,213		13,59	12,27
b		0,223		13,3	12,31
b'		0,385		12,9	12,72
		0,813		11,695	13,61

Для наглядности, мы перевели V из м³/кг в см³/кг.

Графики представлены на графическом листе.

3. Для каждого процесса находим n, c, ∆U, ∆i, q, ∆S, l, ψ, ε.

Обозначения:

n – показатель процесса;

c – теплоемкость процесса;

∆U – удельная внутренняя энергия;

∆i – удельная энтальпия;

q – удельное количество теплоты;

∆S – удельная энтропия;

l – работа изменения объема газа;

а) Адиабатический процесс 1-2.

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

;

;

б) Изобарный процесс 2-3.

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

;

кДж/кг•К;

в) Адиабатический процесс 3-4.

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

;

;

г) Изобарный процесс 4-1.

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг;

;

кДж/кг•К;

Результаты представим в таблице 6.

Таблица 6

	1-2	2-3	3-4	4-1
, кДж/кг	149,37		-179,63	-40,74
, кДж/кг	211,452	100,5	-254,27	-57,682
, кДж/кг		0,185		-0,185
, кДж/кг	-149,38	28,7	179,66	-16,46
, кДж/кг		100,5		-57,647
, кДж/кг•К		1,005		1,005
	1,415		1,415

Проведем проверку:

Сумма изменений внутренних энергий, энтальпий, энтропий, должны быть равными нулю:

;

;

;

Суммы количеств теплоты и работ изменения объема газа должны быть равны:

кДж/кг;

кДж/кг;

Определим работу цикла l_Ц, термический КПД и среднее индикаторное давление P_i.

кДж/кг;

;

кг/см²;

Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата.

Теплообменный аппарат (теплооб­менник) — это устройство, предназна­ченное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется пере­дача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного тепло­носителя происходит за счет охлаждения другого.