Рис. 140. Схема установки для определения внутреннего сопротивления в подкапотном пространстве автомобиля

Воздушный поток создается вентилятором. Перед радиатором и позади него установлены пьезометры. Величина сопротивления радиаторов в основном определяется размерами имеющихся в них отверстий для прохода воздуха. На рис. 141 показана зависимость градиента давления от количества прошедшего через радиатор за 1 с воздуха при различной величине отверстий в проволочных ситах, заменивших радиатор.

А. И. Матвеев проводил аэродинамические испытания радиаторов на специально спроектированной для этой цели установке (рис. 142), представлявшей собой аэродинамическую трубу с плавным переходом от входной 13 к рабочей части 15, обеспечивающим равномерное поле скоростей и возможность испытания радиаторов различной глубины.

Рис. 141. Зависимость градиента давления от количества прошедшего через радиатор за 1 с воздуха при различной величине отверстий в проволочных ситах, заменивших радиатор:

1, 2 и 3— сетки с отверстиями диаметром соответственно 10, 20 и 30 мм

Сечение рабочей части трубы составляло 400X400 мм. Подвижный координатник 12 позволял определять при помощи трубки Пито скорость воздушного потока в любой точке сечения. Давление измеряли дифференциальным манометром 18.

Рис. 142. Установка для аэродинамических испытаний радиаторов:

1—дроссельная заслонка, 2—центробежный вентилятор; 3—электродвигатель водяного насоса; 4— водяной насос; 5, 8 и 9—трубы для подачи воды; 6—радиатор подогрева воды; 7—бак для нагревания воды; 10—спиртовой манометр; 11—приемник воздушного давления; 12 и 16—подвижные координатники; 13— входная часть аэродинамической трубы; 14—ртутный термометр; 15—рабочая часть трубы; 17— маховик для управления дроссельной заслонкой; 18—дифференциальный манометр, 19—автоматический терморегулятор; 20—пульт управления; 21—исполнительный механизм; 22—труба паровой магистрали; 23—расширительный диффузор; 24—электродвигатель центробежного вентилятора

Перепад статического давления по обе стороны радиатора измеряли манометром 10. Температуру воздуха за радиатором измеряли как среднее показаний трех ртутных термометров, также помещенных на подвижном координатнике 16. За рабочей частью трубы находится диффузор 23 с выпрямителем потока.

Воздух в трубу поступал непосредственно из помещения цеха, в котором она была установлена. Скорость поступления регулировали дроссельной заслонкой 1, управляемой маховиком 17 с пульта управления 20. Горячая вода из бака 7 подавалась в радиатор водяным насосом 4, приводимым электродвигателем 3. Терморегулятор 19 поддерживал постоянство температуры поступающей в радиатор воды в пределах 90—92° С. Исполнительный механизм 21 терморегулятора был установлен в трубе 22 паровой магистрали. Расход воды через радиатор определяли при помощи двойных конических насадков и ртутных манометров. Число включаемых насадков меняли в зависимости от необходимого расхода воды.

В результате испытаний устанавливали зависимость лобового сопротивления радиатора от секундного расхода воздуха перед ним при заданной скорости воздуха и колебаниях его температуры в пределах 2,0—5,0° С. Секундный расход воздуха измеряли от 5 до 40 кгс/(с∙м²).

В действительных условиях благодаря тому, что часть воздуха проходит под капотом мимо радиатора и имеются дополнительные сопротивления, происходит некоторое снижение скорости прохождения воздушного потока через радиатор.

Работа вентилятора, помещенного под капотом двигателя позади радиатора, нарушает равномерность распределения давления в подкапотном пространстве и вызывает дополнительное снижение давления в зоне вращения его лопастей. В углах же радиатора, имеющего прямоугольную форму, градиент давления уменьшается вследствие повышения давления в подкапотном пространстве, вызванного работой вентилятора. Это явление иллюстрируют зависимости, показанные на рис. 143. Очевидно, что для повышения к. п. д. радиатора важно добиться равномерного распределения давления по его лобовой поверхности.

На внутреннее сопротивление, температуру, скорость и направление воздушного потока решающее влияние может оказать форма каналов, направляющих движение воздуха в подкапотном пространстве. Однако следует учитывать изменения плотности воздуха, связанные с его нагревом и охлаждением. Поэтому часто в качестве измерителя используют не абсолютную величину давления, а высоту (в м) Н = р/у.

Рис. 143. Распределение градиента давления по поверхности радиатора:

1—при вентиляторе без кожуха; 2—при вентиляторе с кожухом; 3—без вентилятора; d—диаметр окружности вентилятора; D—диагональ радиатора

Кроме конструкции, величины и конфигурации капота и расположенных под ним элементов двигателя, на воздушный поток в подкапотном пространстве влияют также режимы работы двигателя и системы охлаждения. На рис. 144 схематически показаны процессы, имеющие место на пути охлаждающего воздуха в подкапотном пространстве. В сечении 1—1, выбранном перед облицовкой радиатора, уровень давлений соответствует скоростному напору встречного потока воздуха. Между сечениями 1—1 и 2—2 происходит уменьшение скорости и динамического давления, однако статическое давление повышается. На участке между сечениями 2—2 и 3—3 от облицовки до радиатора происходит некоторое снижение давления вследствие образования пограничного слоя. Между сечениями 3—3 и 4—4, в пределах направляющего насадка, давление сохраняется неизменным, а при протекании воздуха через радиатор между сечениями 4—4 и 5—5 происходит значительная потеря энергии воздушным потоком.

Увеличение динамического давления за радиатором является следствием увеличения объема воздуха при его нагревании во время прохождения через радиатор. От сечения 5—5 к сечению 6—6 происходит дальнейшее снижение общего давления, хотя сужение поперечного сечения потока и вызывает повышение динамического давления. Работа вентилятора вызывает повышение давления между сечениями 6—6 и 7—7. В сечении 7—7 воздушный поток выходит из воздухопровода в подкапотное пространство и на участке между сечениями 7—7 и 8—8 происходит быстрое снижение динамического давления, не сопровождающееся повышением статического давления.

Рис. 144. Изменение давления по длине пути прохождения воздуха в подкапотном пространстве

Рис. 145. Аэродинамическое сопротивление радиаторов автомобилей:

1—М-20 «Победа» (радиатор имеет 30 пластин); 2— ГАЗ-51; 3— ГАЗ-11», 4—М-20 «Победа» (радиатор имеет 38 пластин)

Практически скорость воздушного потока становится почти равной нулю. На участке между сечениями 8—8 и 9—9 при постоянной величине общего давления его динамическая составляющая повышается, а статическая понижается. При этом величина статической составляющей определяется режимом внешнего потока в месте выхода охлаждающего воздуха из подкапотного пространства.

Таким образом, сопротивление, встреченное воздушным потоком при прохождении через радиатор, связано с теплопередачей от воды к воздуху, тогда как все прочие сопротивления на его пути являются «вредными» и их необходимо по возможности снизить. Очевидно, наилучший результат может быть достигнут при замкнутой циркуляции воздушного потока, устраняющей повышение сопротивления, связанное с внезапным расширением потока в сечении 7—7 и снижением давления на участке между сечениями 7—7 и 9—9. Кроме того, устраняется возможность возникновения высокого давления в подкапотном пространстве, способствующего проникновению тепла и газов в салон автомобиля.
Аэродинамическое сопротивление ∆р_р трубчато-пластинчатого радиатора зависит от его глубины, числа рядов и расположения трубок, расстояния между этими трубками и между охлаждающими пластинами. Аэродинамическое сопротивление радиатора

где ∆р_тр — потери давления на трение; ∆р_С— потери давления, вызванные изменением сечения и воздушного потока. При этом ∆р_С пропорционально числу n рядов трубок и зависит от их формы и расположения, а также от формы охлаждающих пластин и глубины радиатора, т. е.

Обозначив глубину радиатора е, а эквивалентный диаметр канала для прохода воздуха между соседними пластинами d, для холодного радиатора получим

Для автомобилей аэродинамические сопротивления нагретых и холодных радиаторов практически мало отличаются.

Аэродинамическое сопротивление радиатора (84) возрастает пропорционально квадрату скорости воздушного потока, что подтверждается зависимостями (рис. 145), полученными в результате экспериментальных исследований. Эти зависимости характеризуют также влияние на сопротивление воздуха конструкции радиатора и количества пластин, приходящихся на 100 мм высоты радиатора. Характерно, что увеличение числа пластин для радиатора автомобиля М-20 «Победа» с 30 (кривая 1) до 38 (кривая 4) приводит к резкому возрастанию сопротивления.

Конструктивные особенности радиаторов могут оказать значительное влияние на турбулентность воздушного потока. Наибольшее аэродинамическое сопротивление оказывают радиаторы с трубками круглого сечения. Наименьшее аэродинамическое сопротивление оказывают радиаторы с узкими сплюснутыми трубками, обеспечивающими в то же время достаточное сечение для протекания воды с небольшим гидравлическим сопротивлением.

Расположение трубок и конфигурация пластин имеют большое значение для степени турбулентности проходящего через радиатор воздушного потока. Расположение трубок в радиаторе может быть коридорным (трубки устанавливают под углом или параллельно воздушному потоку), шахматным или специальным. Наибольшее аэродинамическое сопротивление имеет место при коридорном расположении трубок под углом к потоку. Удовлетворительные результаты могут быть получены при специальном расположении трубок, когда каждый последующий ряд несколько смещен относительно предыдущего, для того чтобы холодный воздух мог омывать трубки всех рядов. Большая турбулентность воздушного потока возникает при шахматном расположении трубок по сравнению с коридорным расположением.

Применение индивидуальных охлаждающих пластин увеличивает аэродинамическое сопротивление на 15— 20% по сравнению с сопротивлением радиатора, имеющего общие пластины. Следует иметь в виду, что при переходе от ламинарного к турбулентному движению теплоотдача проходящего через радиатор воздушного потока возрастает.

Турбулентность воздушного потока зависит от числа пластин на 100 мм высоты радиатора и возрастает с его увеличением. Обычно это число меняется в пределах от 20 до 50.

При совершенствовании конструкции автомобилей характерно стремление к повышению мощности двигателей при сохранении небольших габаритных размеров. Это приводит к увеличению глубины радиаторов, что, в свою очередь вызывает возрастание их аэродинамического сопротивления. Лучше расширять охлаждающую поверхность радиатора, увеличивая не его глубину, а число пластин, так как это ведет к меньшим аэродинамическим потерям.

Поступление в подкапотное пространство достаточного количества незапыленного воздуха определяется конструкцией воздушных каналов и выбором мест забора наружного воздуха. Особенно сложно осуществить достаточное поступление воздуха в подкапотное пространство при заднем расположении двигателя. Успешное решение подобной задачи невозможно без проведения аэродинамических испытаний различных вариантов конструкций. Во время таких испытаний определяют давление у входа

в воздухоприемные отверстия и расход воздуха при различных скоростях движения автомобиля. Эти испытания обычно проводят в аэродинамической трубе.

Скорость v (в м/с) воздушного потока (скорость автомобиля) определяют по показаниям h микроамперметра: v = (4,5/√у)√h. При сравнительных испытаниях эта скорость должна оставаться постоянной и соответствовать наиболее высокой тепловой напряженности двигателя автомобиля.

Уравнение Бернулли для сечений 2—2 и 4—4 (см. рис. 144) примет вид

где ζ и ζ' — коэффициенты сопротивления облицовки радиатора и воздуховода, определяемые экспериментально. Давление р и расход Q воздуха связаны уравнением

где S_В — площадь суммарного поперечного сечения воздухоприемных отверстий.

Большое влияние на величину сопротивления воздуха оказывают облицовки радиатора и конструкция жалюзи (рис. 146). Следует отметить, что обычно пропускная способность щелей в облицовке радиатора отличается известной неравномерностью. Равномерность распределения потока по отдельным щелям определяют во время специальных испытаний.

Интересные результаты получены при испытании воздухоприемников автомобилей ЗАЗ-965, ЗАЗ-966 и ЗАЗ-970, у которых двигатель расположен сзади. Испытания показали, что расход воздуха непосредственно зависит. от изменения величины давления перед воздухо-приемниками. Однако при одном и том же давлении у входа можно увеличить расход воздуха соответствующим изменением конструкции воздухоприемной накладки.

Рассматривая характеристики воздушного тракта и вентилятора при положительном (рис. 147, а) и отрицательном (рис. 147, б) избыточном давлении у входа в воздухоприемник, можно заключить, что производительность вентилятора возрастает при увеличении этого давления. Характеристики вентилятора (кривые 1) и воздушного тракта (кривые 2) пересекаются в точках А, определяющих необходимую производительность вентилятора. Таким образом, более высокое давление на входе в воздухоприемник позволяет снизить необходимую мощность вентилятора. Большое внимание должно быть уделено также подбору производительности вентилятора.

Рис. 146. Зависимости сопротивления воздуха от материала облицовок и конструкции жалюзи радиаторов автомобилей:

1—ГАЗ-51; 2—М-20 «Победа»

В последнее время фирмы, выпускающие автомобили, стремясь улучшить работу систем охлаждения двигателей, часто проводят аэродинамические исследования подкапотного пространства, так как именно здесь можно найти еще невыявленные резервы повышения мощности двигателей.

Рис. 147. Характеристики воздушного тракта и вентилятора:

а и б—соответственно при положительном и отрицательном избыточных давлениях у входа в воздухоприемник

Автор: Е.В. Михайловский