Исследование аэродинамических характеристик элементов системы охлаждения двигателя и системы кондиционирования

Введение.

Важным качеством автомобиля является его аэродинамическое сопротивление. Благодаря развитию исследований в области аэродинамики и совершенствованию технологий производства автомобилей улучшаются аэродинамические характеристики автомобилей. За счет оптимизации формы кузова удалось улучшить топливную экономичность автомобиля, его эксплуатационные, тягово – динамические и скоростные показатели, а, также, снизить выбросы вредных веществ. То есть автомобиль становится более экологичным. Однако в последнее время улучшение аэродинамических характеристик за счет формы кузова исчерпало свои возможности. Необходимо найти новый путь совершенствования аэродинамики автомобиля. Одним из таких путей является совершенствование подкапотного пространства. Поток воздуха, протекающий во внутреннем пространстве автомобиля, необходим для эффективной работы системы охлаждения двигателя и системы кондиционирования воздуха в салоне автомобиля.

Дело в том, что в процессе движения автомобиль взаимодействует с окружающей средой. Это взаимодействие идет двумя путями: обтекание наружной поверхности кузова автомобиля, и прохождение внутренних потоков через подкапотное пространство, салон и т.д. То есть существует внешняя и внутренняя аэродинамика автомобиля. Причем важно их изучать не просто обособленно друг от друга, а знать, как внутренняя аэродинамика влияет на внешнюю. Эти процессы тесно связаны между собой [1, 2, 3, 4, 5]. Аэродинамическое сопротивление автомобиля зависит от расхода воздуха через подкапотное пространство. Вопрос влияния внутренней аэродинамики на внешнюю до сих пор остается открытым и мало изученным.

Основная часть.

Аэродинамика является одной из важных характеристик современного автомобиля. Добиваясь хороших аэродинамических свойств, удаётся улучшить динамические и топливно-экономические показатели, что в свою очередь снижает и вредные выбросы в окружающую среду. При движении автомобиля воздух обтекает как внешние поверхности автомобиля, так и проходит через внутреннее пространство автомобиля. Поток воздуха, который проходит через воздушный тракт, используется для охлаждения двигателя. Внутренний поток оказывает влияние на внешние потоки.

Путь прохождения воздуха, который необходим для охлаждения двигателя, начинается с воздухозаборных отверстий и заканчивается под днищем автомобиля называется воздушным трактом системы охлаждения. Воздухозаборные отверстия для системы охлаждения располагают в передней части автомобиля, так как спереди зона наибольшего давления набегающего воздушного потока. Их форма, конструкция и расположение влияют на количество воздуха, проходящего через радиатор. Выпуск воздуха направляют под днище автомобиля, так как там возникает разряжение вследствие движения внешнего потока. Чем с большей скоростью движется автомобиль, тем больше объёмный расход воздуха через воздушный тракт системы охлаждения. Поэтому при малых скоростях движения автомобиля воздушного потока может быть недостаточно для эффективного отвода тепла от радиатора, а при неподвижном автомобиле поток воздуха и вовсе может отсутствовать. Для этого в системе охлаждения применяется вентиляторная установка. Подачу воздуха нужно регулировать в зависимости от условий эксплуатации и режимов движения. Эти условия должны быть выполнены с учётом обеспечения необходимого расхода воздуха через воздушный тракт, в одних случаях за счёт набегающего потока, в других за счёт работы вентилятора и, в – третьих, за счёт применения того и другого способа подачи воздуха. Воздуха через радиатор системы охлаждения должно проходить столько, сколько нужно для её эффективной работы. Поскольку аэродинамическое сопротивление автомобиля связано с расходом воздуха через подкапотное пространство, поэтому необходимо регулировать подачу воздуха в зависимости от потребности в нем и рационально использовать поток воздуха. Одной из мер по рациональному использованию воздуха является стремление обеспечить равномерное распределение по фронтальной поверхности радиатора [5, 6, 7].

Для определения оптимальной подачи охлаждающего воздуха применяются аналитическое и численное моделирования [8]. Поэтому расчетов нужны достоверные аэродинамические характеристики элементов системы охлаждения и системы кондиционирования.

Для получения характеристик элементов систем охлаждения и кондиционирования в лабораторных условиях применяют специальные стенды. Аэродинамический стенд, изображенный на рисунке 1, состоит из ряда элементов.

Измерительная труба, расположенная на входе, нужна для получения однородного потока воздуха и возможности измерения его скорости. При этом должно соблюдаться условие ламинарности потока, т.к. только в режиме ламинарного течения возможно получение точных результатов измерений. Для соблюдения этого условия датчик скорости воздуха должен располагаться на расстоянии от входа в трубу 7-8 её диаметров.

С помощью центробежного вентилятора 12 задаётся требуемый расход воздуха. Он приводится в действие электродвигателем переменного тока.

Камера статического давления 1 представляет собой трубу круглого сечения диаметром 2 м, на входе которой расположен конус, а за ним несколько спрямляющих сеток. Всё это нужно для того, чтобы исключить влияние динамического напора и получить статическое давление в этой камере.

Между этими элементами расположена заслонка 4 , посредством которой задается сопротивление воздушного тракта при снятии характеристик вентиляторных установок. Диапазон положений заслонки составляет от 0 до 360 градусов, с шагом 5 градусов. Положение заслонки изменяется с помощью электронного управления приводом заслонки 3 .

Регулируемый частотный преобразователь 13 , благодаря которому регулировалась частота тока, тем самым изменялись обороты центробежного вентилятора, и задавался требуемый расход воздуха через радиаторы,

/ Блок управления заслонкой

Кнопка упровления заслонкой

Рисунок 1 – Стенд для аэродинамических испытаний

// Камера стотичес.кога давления

2) Заслонка

31 Электрический двигатель г редуктором

• 4)    Икало углов положения заслонки

• 9    [рубка Лито-фанатля

• 61    дифференциальный цифровой №5нзмелр

71 I^JKpaMOHQMemp

• 8)    Ройзатор охлаждения

• 9)    Рпдоапяр кондицивн^ю Ю Эентилятрноя рс.пяно6ка 11) датчик дЙленоя 12Л)еняробехныс< вентилятор №Чзстатныи .-"реобразовйте/иь

конденсоры и блоки охлаждения в сборе.

Также имеются сменные фланцы для крепления радиаторов 8 , конденсоров 9 , вентиляторных установок 10 и блоков охлаждения на выходном отверстии камеры статического давления.

Для регистрации параметров использовали контрольно-измерительную аппаратуру и датчики.

Скорость воздуха и расход измеряли с помощью трубки Пито – Прандтля 5 , которая соединена с дифференциальным цифровым манометром. Трубка Пито устанавливалась в центре поперечного сечения измерительной трубы для измерения скорости воздуха за счёт разницы давлений между статическим и динамическим давлениями.

Дифференциальное давление в камере статического давления измерялось с помощью поплавкового микроманометра с наклонной трубкой 7 , который соединяется с приёмниками давления 11 , расположенные по периферии камеры. Этих приёмников 6 штук. Они расположены на равном расстоянии между собой (через 60°). Приемники соединены между собой таким образом, что образуют кольцо. Это сделано для более точного измерения статического давления в камере.

Так же в лаборатории замерялось атмосферное давление и температура воздуха.

Частота вращения электровентиляторов измерялась электронным цифровым тахометром, включающим в себя индикаторную часть и датчик частоты вращения, действие которого основано на эффекте Холла.

Для приведения в действие вентиляторной установки была смоделирована электрическая цепь, имитирующая систему электрооборудования автомобиля, включающую в себя:

• 1.    Регулируемый источник питания необходимый для работы электровентиляторов;

• 2.    Аккумуляторная батарея;

• 3.    Комбинированью прибор, сочетающий в себе вольтметр и амперметр, измеряющий напряжение и силу тока в цепи электродвигателя вентилятора.

• 4.    С помощью источника питания и реостата, изменяя его сопротивление вручную, необходимо поддерживать постоянное напряжение в цепи электродвигателей вентиляторов, соответствующего напряжению в бортовой сети автомобиля 14,2 В.

В первой части исследования определялись аэродинамические характеристики радиаторов, конденсоров и блоков охлаждения с помощью аэродинамического стенда. Целью таких исследований является определение падение давления на объектах в зависимости от заданного расхода воздуха.

Методика работы заключалась в следующем:

Первый этап - подготовка :

• -    закреплялся исследуемый объект на фланце аэродинамической трубы;

• -    регистрировалась температура воздуха в лаборатории;

• -    регистрировалось атмосферное давление в мм.рт.ст. в лаборатории;

• -    выставлялся на 0 поплавковый микроманометр;

• -    обнулялись показания дифференциального цифрового манометра;

• -    подавалось напряжение на частотный преобразователь и электродвигатель.

Второй этап - испытание :

• -    задавая частоту тока, управляли оборотами вентилятора, тем самым регулировался расход воздуха;

• -    с помощью микроманометра измерялось давление в камере статического давления, что соответствовало падению давления на исследуемых объектах;

• -    регистрировался расход воздуха через исследуемые объекты при помощи дифференциального цифрового манометра.

Циклы повторялись. Диапазон частот составлял от 10 до 50 Гц, с шагом 2 Гц. При последующих увеличениях значения частоты тока увеличивались обороты вентилятора и соответственно, увеличивался расход воздуха.

Для получения статической достоверности испытание проводили 2 раза, для каждого элемента.

Полученные результаты испытаний заносились в таблицу для последующей статистической обработки в Excel. Результаты измерений представлены в виде графиков, таблиц и математических зависимостей. В таком виде они могут быть использованы при моделировании системы охлаждения двигателя автомобиля. На рисунке 2 представлен пример

Рисунок 2 - Зависимость перепада давления от скорости воздуха на исследуемых объектах зависимость падения давления ΔP на исследуемом объекте от скорости воздуха V (при необходимости зависимость может быть представлена ΔP от воздуха через объект Q). Исследованиям были подвергнуты радиатора и конденсоры с различными размерами и конструкцией сердцевины. На рисунке 3 изображены геометрические параметра сердцевины трубчатоленточного радиатора.

/Ыжиеу

Рисунок 3 – Геометрические параметры сердцевины радиатора

Во второй части исследования определялись расходно-напорные характеристики вентиляторов и вентиляторных установок с помощью аэродинамического стенда. Целью таких исследований является определение расхода воздуха, создаваемого вентилятором или вентиляторной установкой и блока охлаждения в целом в зависимости от сопротивления воздушного тракта.

Методика работы заключалась в следующем:

Первый этап - подготовка:

• - закреплялся исследуемый объект на фланце камеры статического давления;

  - при использовании термометра регистрировалась температура

воздуха в лаборатории;

• -    при использовании барометра регистрировалось атмосферное давление в мм.рт.ст. в лаборатории;

• -    Выставлялся на 0 поплавковый микроманометр;

• -    Обнулялись показания дифференциального цифрового манометра;

Второй этап - испытание :

• -    Задавалось такое положение заслонки, при котором достигалось минимальное сопротивление воздушного тракта, соответствующее положению заслонки по шкале 0 градусов;

• -    Задавалось напряжение 14.2 вольта на вентиляторы, соответствующего напряжению в бортовой сети автомобиля;

• -    При помощи амперметра регистрировалась сила тока в цепи;

• -  При помощи тахометра регистрировалась частота вращения

электровентиляторов;

• -    С помощью микроманометра на исследуемых объектах регистрировалась разность давлений между атмосферным и разряжением в камере статического давления;

• -    Регистрировался расход воздуха через исследуемые объекты при помощи дифференциального цифрового манометра.

Циклы повторяются. Диапазон изменения положения заслонки составляет от 0 до 90 градусов с шагом 5, таким образом, увеличивается сопротивление тракта.

Для получения статистической достоверности испытание проводились 2 раза для каждого элемента (вентиляторные установки и блоки охлаждения).

Поскольку вентиляторные установки имеют два режима работы:

• -    Режим максимальной мощности - параллельное включение электровентиляторов;

• -    Режим минимальной мощности – последовательное включение

электровентиляторов. Для каждой из них снималась расходно-напорная характеристика.

Полученные результаты испытаний заносились в таблицу для последующей статистической обработки в Excel. Расходно-напорные характеристики для каждой вентиляторной установки представлены в виде графиков, таблиц и математических зависимостей. На рисунке 4 представлены графики характеристики вентиляторной установки в режиме работы при напряжении питания 14,2 В, 12,0 В и работа в режиме минимальной мощности.

Рисунок 4 - Зависимость расхода воздуха от положения заслонки

Заключение

Полученные в ходе стендовых испытаний характеристики элементов системы охлаждения и системы кондиционирования предназначены для использования при выполнении аналитического и численного моделирования. Достоверные характеристики стандартных элементов системы охлаждения дают возможность моделировать и исследовать детально влияние различных компонентов на распространение потока воздуха через воздушный тракт [9]. Выявить проблемные места уже существующих конструкций и определить направление совершенствования элементов, участвующих в организации потока воздуха.

Иллюстрация таких возможностей продемонстрирована на рисунках. При моделировании был использован программным модулем Flow Simulation, предварительно в «инженерную базу» были внесены все характеристики полученные в результате проведения стендовых исследований. На рисунках можно увидеть картину течения воздуха через исследуемые объекты.

Так, например, в результате численного моделирования блока охлаждения, выполненного по схеме, конденсор установлен впереди радиатора охлаждения, а перед ним установлен вентилятор кондиционера, вентилятор охлаждения установлен за основным радиатором и его кожух охватывает лишь часть сердцевины (рисунок 5). В данном случае моделировался использование набегающего потока с выключенными вентиляторами. Результаты моделирования представлены на рисунке 6. На рисунке видны характерные поля скоростей охлаждающего воздуха на фронтальной поверхности. Можно отчетливо видеть влияние различных элементов вентиляторных установок. Вентиляторная установка кондиционера находится достаточно далеко от основного радиатора, причем перед ним стоит конденсор, но при этом ступица вентилятора оставила «след» в виде снижения скорости в этой области (справа). Особенно заметное влияние на распределение скорости имеет вентиляторная установка системы охлаждения, наибольшее снижений скорости вызвано ступице вентилятора (слева) и заметно влияние кожуха вентилятора, особенно по краям, где поток также тормозится. Детальное течения воздуха через воздушный тракт и обтекание элементов тракта можно увидеть на рисунках 7 и 8 на которых продемонстрированы траектории движения струек воздуха в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Рисунок 5 – Блок охлаждения – вентилятор кондиционера, конденсор, радиатор охлаждения и вентиляторная установка системы охлаждения (в порядке установки, по течению)

Рисунок 6 – Распределение скорости воздуха по фронтальной поверхности

радиатора

Рисунок 7 – Траектории течения потока воздуха через модель подкапотного пространства автомобиля в вертикальной плоскости

Рисунок 8 – Траектории течения потока воздуха через модель подкапотного пространства автомобиля в горизонтальной плоскости