ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАБЕГАЮЩЕГО ПОТОКА ВЕНТИЛЯТОРОМ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВС

Система охлаждения автомобильного двигателя работает по принципу рассеивания выделяемой им теплоты в атмосферу. Причем как за счет набегающего при движении автомобиля потока воздуха, так и с помощью специального устройства — вентилятора, принудительно "проталкивающего" воздух через соты радиатора. Причем кожух вентилятора всегда мешает использованию набегающего потока. Это – основы системы охлаждения. Менее известно другое—то, что вентилятор всегда препятствует движению набегающего потока воздуха, т. е. он — дополнительное аэродинамическое сопро­тивление, на преодоление которого тратится энергия.

Данные обстоятельства тоже стали своего рода аксиомой. Поэтому и способы их преодоления, разрабатывавшиеся в течение длительного времени, исходили именно из него. И результат таких поисков хорошо известен: большинство систем охлаждения выполнены так, что направ­ляющий кожух вентилятора перекрывает лишь часть радиатора.

Логика такого решения очевидна: снижая эффективность вентиляторной установки, конструктор улуч­шает использование энергии набегающего потока, но, к сожалению, снижает эффективность вентиляторной установки. Причем делается это с помощью чисто конструктивных мep. И первая из них — правильный выбор диаметра ступицы вентилято­ре, на которую, пройдя радиатор, воздействует набегающий поток. Например, сравнение вентиляторных остановок автомобилей ВАЗ-2192 (ЛАДА Калина) и «Opel Astra», показывает: у первого из автомобилей диаметр ступицы вентилятора равен 125 мм, а у второго — 75 мм. В результате при одних и тех же радиаторе и кожухе, захватывающем всю площадь радиатора, падение Dр давления на вентиляторе ВАЗ-2192 при расходе воздуха 1,142 м³/с составило 790 Па, а ко­эффициент неравномерности поля скорости по миделю радиатора — 0,49. У автомобиля же «Opel Astra» при том же напоре расход воздуха оказался равным 1,189 м³/с т. е. больше на 4,2 %, а неравномерность поля скорости наоборот, снизилась до 0,46, или на 6,5 %.

Второй конструктивный фактор — тип привода вентилятора. При механическом приводе характеристики вентилятора фактически зависят от частоты вращения коленчатого вала. То есть скорость вращения крыльчатки вентилятора очень слабо согласуется со скоростью набегающего потока (движения автомобиля). Отсюда и большие потери энергии.

Вентилятор с электроприводом с этой точки зрения гораздо лучше. Во-первых, при подаче напряжения на его электродвигатель он обеспечивает высокую скорость вращения крыльчатки. Значит, при небольшом напоре набегающего потока ускоряет последний, повышая тем самым эффективность охлаждения двигателя. Во-вторых (и это, пожалуй, главное, что не замечают конструкторы), даже будучи отключенным, он продолжает вращаться под воздействием набегающего потока.

Так, если посмотреть на рисунок 1, на котором приведена зависимость сво­бодной частоты n вращения электровентилятора от расхода G_B воздуха набегающего потока, то видно: эта частота с ростом напора, т. е. скорости движения автомобиля, линейно возрастает. Причем при расходе воздуха на скорости автомобиля в 150 км/ч, п = 3100 мин^-1 (данные опытные). То есть крыльчатка вентилятора вращается с частотой, превышающей ту, которую обеспечивает электродвигатель (2700 мин^-1). Другими словами, не включенный, но свободно вращающийся вентилятор оказывает меньшее сопротивление движению воздуха, чем включенный. Например, экспериментально установлено: при свободном вращении крыльчатки расход воздуха при неизменном напоре набегающего потока увеличивается, (уже в мо­мент начала вращения — на 22 %), что видно из рисунка 2.

Свободно вращающийся вентилятор влияет и на распределение воздуха по фронтальной поверхности радиатора: с повышением средней скорости воздуха v растет неравномерность поля скоростей по фронту радиатора.

Рисунок 1. Зависимость частоты свободного вращения крыльчатки электровентилятора от расхода воздуха через вентилятор при увеличении напора (скорости движения автомобиля)

То, что самовращение крыльчатки с точки зрения расхода воздуха и, следовательно, охлаждения двигателя есть благо, подтвердил и эксперимент с принудительно блокированной крыльчаткой вентилятора. Установлено, что незаблокированный вариант крыльчатки обеспечивает более высокие скорость воздуха в зоне между ступицей вентилятора и отверстием в кожухе и расход воздуха (в зависимости от режима движения автомобиля оказывается на 17—22 % больше).

Третий фактор — сопротивление вращению крыльчатки вентилятора, на которое влияет, прежде всего, тип подшипника (скольжения, качения). Но еще большую роль играет электродвигатель. Дело в том, что при воздействии на вентилятор воздушного потока его электродвигатель переходит в режим генератора, который начинает вырабатывать напряжение до 11 В. Как показал эксперимент, когда к клеммам электродвигателя подсоединили нагрузку, напряжение уменьшилось до 10 В, а ток в цепи составил 7,5 А, таким образом, приближенно мощность 75Вт. В результате частота свободного вращения крыльчатки снизилась до 2500 мин^-1, т. е. на 18 %, а расход воздуха через ра­диатор — на 7 %.

Рисунок 2. Зависимость падения давления на вентиляторной установке и радиаторе от расхода воздуха на его входе (АБ — крыльчатка вентилятора неподвижна, CD — вращается)

Четвертый фактор — охват радиатора кожухом. Если он неполный, то часть набегающего воздуха идет через свободную зону радиатора. Поэтому при возрастании интенсивности набегающего потока свободная крыльчатка вентилятора начинает вращаться значительно позднее, чем было при полном охвате радиатора кожухом.

Пятый фактор — средства выравнивания поля скоростей по всему миделю радиатора. Эксперименты показали: свободно вращающийся вентилятор способствует равномерному распределению потока воздуха из свободной зоны радиатора в зону, охваченную кожухом, поэтому равномерность полей скоростей по радиатору увеличивается. По литературным источникам для автомобиля ВАЗ-2192 свободно вращающийся вентилятор повышает равномерность полей скоростей по радиатору на 38 %.

Таким образом, влияние привода вентилятора и частоты вращаемого крыльчатки на эффективное охлаждения ДВС не настолько просто, как принято. В частности, можно сказать, что даже в случае обесточенного электродвигателя вентилятор оказывает активное влияние на эффективное использование энергии набегающего потока.

Список литературы:

1. Вентилятор охлаждения двигателя [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://vipwash.ru/sistema-ohlazhdeniya-dvigatelya/ventilyator-ohlazhdeniya-dvigatelya (дата обращения: 10.11.2017)
2. Вентилятор радиатора [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://krutimotor.ru/ventilyator-sistemy-oxlazhdeniya/ (дата обращения: 12.11.2017)
3. Назначение и особенности конструкции вентиляторов [Электронный ресурс]. –Режим доступа: http://k-a-t.ru/dvs_oxl_1/5_ventilyator/index.shtml]
4. Сравнение вентиляторов охлаждения (моторов радиатора) ВАЗ [Электронный ресурс].– Режим доступа: https://www.rain-auto.ru/files/pro/luzar.pdf (дата обращения: 10.11.2017)