Оптимизация параметров системы охлаждения

Оптимальной является система охлаждения, которая обеспечивает наилучшие показатели функционирования системы более высокого уровня, в состав которой она входит. В данном случае это двигатель внутреннего сгорания трактора. Показатели функционирования двигателя определяются его тепловым состоянием и оцениваются температурой основных его элементов. Косвенно таким показателем может приниматься температура охлаждающей жидкости системы охлаждения. Оптимальная система охлаждения — это система охлаждения, которая, во-первых, полностью отвечает своим целям и, во-вторых, обеспечивает заданный температурный режим двигателя при наименьших материальных расходах на изготовление и наименьших энергетических затратах па функционирование.

В большинстве случаев оптимальность принимаемых технических решений оценивается на математических моделях путем сравнения вариантов по выбранному критерию оптимизации. Исходя из целей (1-7) в качестве критерия оптимизации может быть принят удельный расход топлива двигателя в режиме номинальной мощности N_eном при частоте вращения п_е, область допустимых решений будет определяться ограничениями на температурный режим двигателя, параметрами расхода материалов, затратами мощности на привод вентилятора, водяного насоса и габаритными размерами радиатора.

Эффективная работа двигателя характеризуется наименьшими затратами топлива при одновременном получении от пего наибольшей полезной работы. Рабочий процесс дизеля, включающий наполнение цилиндров воздухом и топливом, смесеобразование, сгорание горючей смеси, наиболее эффективен при определенном температурном режиме. Математических моделей, описывающих взаимосвязь между температурным режимом двигателя и его мощ- ностными и экономическими показателями, не существует. Однако на основании экспериментальных исследований можно утверждать, что, если обеспечить температурный режим двигателя в заданных пределах, он будет работать наиболее экономично. Значение температурного режима при максимально эффективной работе двигателя определено опытным путем: t_VonT = 95^ °С. Следовательно, целью оптимизации является обеспечение заданного температур-

343

ного режима двигателя. Заметим, значение температурного режима нс может иметь максимума или минимума, оно имеет лишь допуск, образуя небольшой диапазон, который рекомендуется поддерживать при работе двигателя. Зависимые параметры (расходы мощности па привод, удельный расход топлива двигателя и др.) могут оцениваться предельными максимальными и минимальными значениями.

Температурный режим двигателя является ограничивающим (допускаемым) параметром. Исходя из его значения определяются параметры основных компонентов системы: поверхность охлаждения радиатора, расходы охлаждающей жидкости и потока воздуха. Эти параметры являются варьируемыми, или переменными, при обеспечении заданного температурного режима двигателя. Температурный режим двигателя, или искомый параметр, является функцией совокупности переменных параметров системы.

В группу параметров, характеризующих систему охлаждения, входят теплотехнические параметры (теплоотдача в охлаждающую жидкость, теплоемкости теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи теплоносителей и поверхностей радиатора) и ограничивающие параметры условий эксплуатации трактора (температура окружающей среды).

Искомый параметр в заданных пределах обеспечивает качество системы. Параметры характеристики и переменные параметры обеспечивают искомый параметр, его значение в заданных пределах будет оптимальным при условии, что переменные параметры будут удовлетворять условию максимума или минимума. Так, например, поверхность охлаждения радиатора должна быть наименьшей, по при этом обеспечивающей теплопередачу требуемого количества теплоты от жидкости потоку воздуха; расходы теплоносителей должны иметь наименьшие энергетические затраты па их прокачку, по позволяющие переносить и рассеивать заданное количество теплоты.

При создании систем охлаждения и их агрегатов высокого технического уровня наиболее приемлем метод оптимизации отдельных агрегатов и узлов с последующей оптимизацией всей системы. Сформулируем это положение оптимизации системы охлаждения в совокупности с двигателем, схема оптимизации приведена па рис. 5.3.

Рис. 5.3. Блок-схема оптимизации системы охлаждения моторной установки

Глава 5. Проектирование устройств охлаждения двигателей

345

Оптимизированный блок радиаторов воспринимает и передает потоку воздуха количество теплоты, обеспечивающее в эксплуатационных режимах заданный температурный режим, максимальное значение эффективного КПД, минимальный расход топлива двигателя при наименьших расходах материалов па теплообменные аппараты и наименьших затратах па их изготовление.

Оптимизированный жидкостный тракт обеспечивает наименьшее сопротивление потоку жидкости в рубашке охлаждения и радиаторе, отвод заданного количества теплоты от нагретых деталей двигателя и передачу ее потоку воздуха через охлаждающие поверхности радиатора при наименьших затратах мощности па привод водяного насоса.

Оптимизированный воздушный тракт обеспечивает минимальное сопротивление потоку воздуха па входе в радиаторы и па выходе нагретого воздуха из моторного отделения из-под капота, отвод наибольшего количества теплоты от радиаторов и от поверхностей блока двигателя при одновременном снижении шума двигателя. По материалоемкости и внешнему виду он должен соответствовать современным требованиям.

Оптимизированная вентиляторная установка имеет оптимальные компоновочные параметры, обеспечивает требуемый расход воздуха через воздушный тракт для поддержания заданного температурного режима при наименьших затратах мощности па привод и одновременном обеспечении нормируемого значения уровня шума двигателя.

Оптимизированная система охлаждения отводит от нагретых деталей двигателя, передает потоку воздуха и рассеивает в окружающую среду заданное количество теплоты при наименьших размерах поверхности охлаждения радиаторов, наименьших значениях затрат мощности на привод водяного насоса и вентилятора.

Таким образом, оптимизированная моторная установка — это установка, снабженная двигателем, мощность которого позволяет рационально использовать возможности трактора при создании силы тяги и одновременном приводе активных рабочих органов сельскохозяйственных машин и орудий через ВОМ при наименьшем эксплуатационном расходе топлива, низком уровне шума, требуемых показателях токсичности. Такая моторная установка трактора в совокупности с оптимизированной системой охлаждения

346

обеспечивает необходимое значение мощности, минимальное значение расхода топлива, низкий уровень шума, требуемые показатели токсичности и т.д.

При проектировании системы охлаждения разрабатываются или выбираются из числа имеющихся элементы нижнего уровня с параметрами, ограниченными схемой оптимизации. Из этих элементов формируются оптимизированные компоненты среднего уровня. В совокупности компоненты среднего уровня образуют оптимизированную систему охлаждения. Ступенчатая многоуровневая оптимизация позволяет учесть требования к отдельным узлам и увязать их с требованиями к моторной установке, а в целом и к трактору.

Критериями оптимизации системы охлаждения являются параметры, оценивающие их функционирование: поверхности охлаждения радиаторов, расходы теплоносителей в жидкостном и воздушном тракте, а следовательно, гидравлическое и аэродинамическое сопротивления трактов, затраты мощности на привод водяного насоса и вентилятора. В соответствии с законами теплопередачи отдельные параметры (такие как поверхность охлаждения, расходы теплоносителей для обеспечения требуемой температуры двигателя) не могут оцениваться по минимальному значению, они должны иметь заданное значение для отвода требуемого количества теплоты. В данном случае определяющим является выбор типа поверхности охлаждения, се материалов, теплоносителей (вода, низкозамерзающая жидкость, масло и др.).

Приведенная схема оптимизации позволяет создавать и анализировать различные варианты конструкций систем охлаждения. Цель анализа различных проектов системы охлаждения заключается в выявлении оптимальной конструкции, которую в последующем необходимо испытать для определения таких параметров рабочей характеристики, как:

• ? температура охлаждающей жидкости в заданных эксплуатационных условиях, расходы теплоносителей, затраты мощности на привод вспомогательных узлов;
• ? максимальное значение мощности на маховике в данной комплектации двигателя;
• ? минимальный расход топлива;
• ? уровень шума при использовании принятых средств капотирования.

Испытание физического макета или модели, принятой к последующему рассмотрению, является одним из этапов алгоритма проектирования системы охлаждения.