Розрахунок систем мащення і охолоджування двигуна
Лекція 33 ДВЗ Тема: Розрахунок систем мащення і охолоджування двигуна
1. Розрахунок системи мащення двигуна
У системах мащення автотракторних двигунів переважно використовують шестеренні насоси з зубцями зовнішнього зачеплення.
Перш за все, визначають кількість тепла, яке має відводитись мастилом від двигуна. При цьому використовується оціночна формула, взята з практики, а саме:
кДж/с, (1)
де Q0 – загальна кількість тепла, введеного в двигун разом з паливом.
Визначається за розрахунком теплового балансу двигуна.
Орієнтовно кількість тепла, введеного у двигун, може бути визначено також за наступною формулою:
кДж/с. (2)
Для бензинового двигуна потужністю =37,5 кВт (кДж/с) і =0,27 отримуємо:
кДж/с.
Отже, прийнявши в формулі (1) значення коефіцієнта 0,025, отримуємо:
кДж/с.
Продуктивність мастильного насосу визначають, виходячи з потрібної для циркуляції в двигуні об’ємної кількості мастила.
Розрахунковий об’єм мастила, необхідний для відводу вибраної кількості тепла, визначається за формулою:
м3 /с, (3)
де – густина мастила; = 900…920 кг/м3. Приймають у розрахунках = 900кг/м3;
– середня теплоємність мастила; = 2,09 кДж / (кг·К);
– температура нагріву мастила в двигуні, =10…20 К. Приймають у розрахунках =20 К.
Після підстановки значень параметрів для прикладу знаходимо:
м3 /с.
У більшості випадків витрати мастила насосом для стабілізації роботи насосу приймають більшими (у 2,5…3 рази). Прийнявши збільшення у 3 рази, знаходимо:
м3 /с.
Визначають розрахункову продуктивність насосу з урахуванням непередбачених витрат за формулою:
; (4)
де = 0,6…0,8 – об’ємний коефіцієнт подачі насосу. Приймаємо = 0,7.
Підставивши значення параметрів, знаходимо:
м3 /с.
Визначають об’єм зубця шестерні насосу, який дорівнює об’єму впадини між зубцями, за формулою:
м3, (5)
де – діаметр початкового кола, м;
- кількість зубців шестерні. Приймаємо ;
мм – модуль зачеплення. Приймаємо мм;
мм – висота зубця;
– довжина зубця.
Отже, мм;
м3.
Визначають частоту обертання шестерні насосу за формулою:
хв-1 , (6)
де м/с – колова швидкість шестерні. Приймаємо м/с;
– діаметр зовнішнього кола шестерні.
Отже:
хв-1.
Визначають довжину зубця шестерні насосу за формулою:
мм; (7)
Отже, довжина зубця дорівнює:
мм.
Визначають потужність, необхідну для приводу мастильного насосу, за наступною формулою:
Вт, (8)
де МПа (для бензинових двигунів), МПа (для дизелів) – тиск у мастильній магістралі. Приймаємо для розрахунку МПа;
– механічний ККД для мастильного насосу; =0,85…0,9. Приймаємо для розрахунку = 0,9.
Підставивши значення параметрів, знаходимо:
Вт;
Розрахунок мастильного радіатора.
Мастильний радіатор являє собою теплообмінний апарат для охолодження мастила , циркулюючого в системі двигуна. Розрізняють два типи радіаторів: повітряно -мастильні з повітряним охолодженням і водомастильні - з водяним охолодженням. Нижче наводиться розрахунок водомастильного радіатора.
Поверхня охолодження мастильного радіатора , що омивається водою , м2:
, (9)
де Qм = 2,55 кДж/с – кількість тепла, що відводиться від мастила;
КМ – коефіцієнт теплопередачі від мастила до охолоджувального середовища, k =30…180 Вт/(м2·град). Приймаємо k =120 Вт/(м2·град);
– середня температура мастила в радіаторі, = 75…85 0С. Приймаємо = 80 0С;
– температура повітря, яке проходить через радіатор, = 40…45 0С. Приймаємо = 400С.
Підставляючи значення розрахункових параметрів, знаходимо площу поверхні мастильного радіатора:
м2.
ТМ.СР = ( ТМ.ВХ + ТМ.ВИХ ) / 2 = 348 ... 363 К - середня температура мастила в радіаторі ;
ТВОД.СР = ( ТВОД.ВХ + ТВОД.ВИХ ) / 2 = 343 ... 358 К - середня температура води в радіаторі.
Коефіцієнт теплопередачі від мастила до води , Вт / (м2·К):
,
де 1 - коефіцієнт тепловіддачі від мастила до стінок радіатора , Вт / (м2·К);
= 0,002 м - товщина стінки радіатора ;
ТЕП - коефіцієнт теплопровідності стінки , Вт / (м·К);
2 - коефіцієнт теплоотдачі від стінок радіатора до води , Вт / (м2·К).
Із збільшенням 1 , ТЕП , 2 і зменшенням величина КМ зростає. Внаслідок труднощів аналітичного визначення величин 1 , ТЕП , 2 їх значення приймаються за дослідними даними .
Величина 1 залежить в основному від швидкості руху мастила. Для прямих гладких трубок при wм = 0,1 ... 0,5 м / с коефіцієнт 1 = 100 ... 500 Вт / (м2·К); при наявності збурювачів в трубках і wм = 0,5 ... 1,0 м /с коефіцієнт 1 = 800 ... 1400 Вт / (м2 ·К).
Величина ТЕП залежить від матеріалу радіатора:
для латуні і алюмінієвих сплавів ТЕП = 80 ... 125 Вт / (м • К) ,
для нержавіючої сталі ТЕП = 10 ... 20 Вт / (м • К).
Величина 2 змінюється в межах 2300 ... 4100 Вт / (м2 • К).
Повний коефіцієнт теплопередачі КМ:
для прямих гладких трубок КМ = 115 ... 350 ,
для трубок з завихрювачами КМ = 815 ... 1160 .
Враховуючи оребріння , площа внутрішньої поверхні трубок радіатора приймається , м2:
.
2. Розрахунок системи охолоджування двигуна
При стаціонарному тепловому стані двигуна кількість тепла, що відводиться охолоджувальною рідиною, приблизно відповідає кількості тепла, що випромінюється радіатором (відвід тепла з’єднувальними трубопроводами становить 2…3% від загального тепловідводу охолоджувальною рідиною).
Якщо позначити кількість тепла, яке відводиться охолоджувальною рідиною, через , то розрахунок поверхні охолодження радіатора (м2) визначиться за формулою:
(10)
де – кількість тепла, що відводиться охолоджувальною рідиною, визначається з теплового балансу двигуна або за емпіричною формулою:
, (11)
де qох –емпіричний коефіцієнт, що характеризує відведення тепла від двигуна. Для бензинових двигунів qох = 800…1300 кДж/КВт·с, для дизелів qох = 1100…1150 кДж/КВт·с. Приймаємо qох = 1100 Дж/(кВт·с).
Після підстановки значень параметрів знаходимо:
кДж/с.
Визначивши величину , знаходять кількість охолоджувальної рідини, що циркулює у системі охолодження за одиницю часу,
(12)
де Ср – теплоємність циркулючої рідини. Для води Ср = 4,22 кДж/кг·К, для этиленгліколевих сумішей Ср = 2…3,8 кДж/кг·К;
tвих, tвх – відповідно температура охолоджувальної рідини на виході з радіатора і на вході до нього,°С. Для радіаторів автомобільних і тракторних двигунів значення = 5…10 0С.
Таким чином:
кг/с;
– коефіцієнт теплопередачі через стінки радіатора Вт/(м2·К). Для легкових автомобілів Вт/(м2·К), для вантажних автомобілів Вт/(м2·К). Приймаємо Вт/(м2·К);
– відповідно середня температура рідини в радіаторі і повітря, що проходить через радіатор, К. Середню температуру в радіаторі для закритих систем приймають = 95…100 0С. Для розрахунку приймаємо
Середню температуру охолоджувального повітря, що проходить через радіатор, визначають за формулою:
К, (13)
де = 310…315 К; = 20…30 К.
Приймемо =310 К і = 20 К. Тоді, = 300 К.
Після підстановки розрахункових параметрів за формулою (10) знаходимо площу поверхні радіатора:
м2.
Для перевірочних розрахунків площі поверхні радіатора системи охолоджения можна скористатись формулою:
(14)
де f – питома площа системи охолодження, м2/кВт. Для легкових автомобілів f = 0,1…0,15, для вантажних – f = 0,15…0,3, для тракторів
f = 0,3…0,4.
У нашому випадку допустимо м2.
Визначаємо кількість повітря, що проходить через радіатор, за формулою:
(15)
де – кількість теплоти, що передається від охолоджувальної рідини повітрю;
= 1000 Дж/кг·К – середня теплоємність повітря;
= 20…30 К – температурний перепад повітря у решітці радіатора. Приймаємо =30 К.
Таким чином, кількість повітря, що проходить через радіатор, становить:
кг/с.
Розраховуємо потужність, необхідну для приводу водяного насосу, за наступною формулою:
(16)
де – напор, що створюється насосом системи охолодження;
= 0,06…0,1 МПа. Приймаємо для розрахунку= 0,08 МПа;
– густина охолоджувальної рідини. Для води = 1000 кг/м3; для тосолу-А = 1120…1140 кг/м3. Вибираємо тосол-А і = 1130 кг/м3 ;
– гідравлічний ККД насосу, = 0,6…0,7; приймаємо = 0,65;
– механічний ККД насосу, = 0,7…0,9; приймаємо = 0,8;
– коефіцієнт подачі насосу, = 0,8…0,9.
Н·м/с (Вт).
Для автотракторних двигунів потужність, що витрачається на привод насосу системи охолодження, становить:
= (0,05…0,01)·Ne. (17)
У нашому випадку маємо:
Центрифуга
Мастильна центрифуга являє собою відцентровий фільтр тонкого очищення мастила від механічних домішок.
В автомобільних і тракторних двигунах найбільше поширення отримали соплові центрифуги з гідрореактивнвим приводом. Дія цього приводу базується на використанні реакції струменів мастила , що витікає під тиском з сопел . Відрізняючись простотою будови і обслуговування при експлуатації , центрифуги з гідрореактивним приводом забезпечують високі кутові швидкості обертання ротора і, отже , якісне очищення мастила.
Розрахунок центрифуги полягає у визначенні необхідного тиску мастила перед центрифугою і частоти обертання її ротора. У сучасних центрифугах подача мастила під тиском 0,25 ... 0,6 МПа забезпечує обертання ротора зі швидкістю 5000 ... 8000 хв-1.
Неповнопоточність центрифуги приймається рівною 20 %. Продуктивність центрифуги :
VР.Ц. = 0,2·V Ц .
Коефіцієнт стиснення струменя мастила змінюється в певних межах і для найбільш поширених форм сопел дорівнює 0,9.
Частота обертання ротора (хв -1 ) :
.
де м - щільність мастила , кг/м3;
- коефіцієнт стиску струменя мастила , що витікає із сопла , = 0,9 … 1,1;
Fс - площа отвору сопла , м2 , (діаметр сопла dс = 2 мм);
R - відстань від осі сопла до осі обертання ротора , м , R = 40 мм;
a - момент опору на початку обертання ротора ( 5 ... 20 ) ·10-4 H·м;
b - швидкість наростання моменту опору (H·м) / хв - 1 ,
b = ( 0,03 ... 0,10 )·10-4 (H·м) / хв - 1 .
Якісне очищення мастила відбувається при n = 4500 ... 6500 хв-1.
Тиск мастила перед центрифугою :
,
де r0 - радіус осі ротора , м , r0 = 0,008 м;
- коефіцієнт гідравлічних втрат ( для повно потокових центрифуг = 0,2 ... 0,5 , а для неповнопотокових = 0,1 ... 0,2 ) ;
= 0,78 ... 0,86 - коефіцієнт витрати мастила через сопло.
Потужність ( кВт), що витрачається на привід центрифуги :
.
PAGE \* MERGEFORMAT 5
Розрахунок систем мащення і охолоджування двигуна