Особенности работы систем охлаждения автомобильных двигателей в условиях Крайнего Севера

Одной из основных трудностей при эксплуатации автомобилей в условиях Крайнего Севера является поддержа¬ние нормального теплового режима двигателя с температурой охлаждаю¬щей жидкости в головке блока 80— 90° С. Допустимой считают темпера¬туру охлаждающей жидкости 70° С. Снижение температуры жидкости ни¬же оптимального уровня приводит к увеличению продолжительности процесса сгорания, снижению мощно¬сти, увеличению расхода топлива, износов и т. д. Следует учитывать, что температура масла зависит от темпе¬ратуры жидкости в системе охлажде¬ния, поэтому снижение температуры жидкости вызывает увеличение вяз¬кости масла и потерь на трение.
Мощность двигателя не находится в прямой зависимости от изменения температуры охлаждающей жидкости. Например, при повышении ее темпе¬ратуры мощность двигателя растет до определенного предела, а затем падает. Повышение коэффициента на¬полнения при понижении температу¬ры охлаждающей жидкости ниже оп¬тимального значения (70° С) оказы¬вает меньшее влияние на мощность двигателя, чем увеличение потерь на трение. Поэтому мощность двигателя при понижении температуры охлаж¬дающей жидкости также понижается.
Пониженный температурный режим двигателя является одной из основ¬ных причин повышенного износа его деталей, значительная доля которого приходится на коррозийные износы. Отсюда вытекает вывод о важности поддержания нормального теплового режима двигателя.
Следует отметить, что даже в сред¬ней полосе в зимнее время мероприя¬тия, направленные на поддержание оптимального теплового режима си¬стемы охлаждения, не во всех слу¬чаях оказываются достаточно эффек-тивными.
Как показывает практика эксплуа¬тации транспортных средств, системы охлаждения отечественных двигате¬лей не всегда способны обеспечить необходимую степень снижения ин¬тенсивности теплоотвода. Этот недо¬статок в наибольшей мере проявляет¬ся при эксплуатации автомобилей в условиях Крайнего Севера, где под воздействием специфических факто¬ров окружающей среды система охлаждения теряет способность под¬держивать необходимый температур¬ный режим, т. е. температура охлаж¬дающей жидкости падает ниже допу¬стимых значений, что ведет к пере¬охлаждению двигателя.
На рис. 1 представлено изменение температур в основных точках систе¬мы охлаждения двигателя автомоби¬ля Урал-375К с грузом и прицепом общим весом 10,5 т при движении на спуске, когда двигатель работает с минимальной нагрузкой. Температу¬ра окружающего воздуха была в пре¬делах минус 46—55° С. Двигатель имел утеплительный чехол на капоте, боковинах и облицовке, а также шторку перед радиатором вместо жа¬люзи. Клапаны утеплительного чехла и шторка были закрыты. Результаты этого эксперимента показывают, что даже в условиях тщательно защищен¬ного двигателя температура охлаж-дающей жидкости падает ниже допу¬стимых пределов.
Наличие или отсутствие утепли¬тельного чехла на крышке капота практически не оказывает влияния на температурный режим системы охлаждения ва время движения авто¬мобиля. Однако при стоянке автомо-биля наличие капота уменьшает ско¬рость остывания двигателя. Напри¬мер, при температуре окружающего воздуха минус 54—57° С остывание прогретого до 90° двигателя ЗИЛ-375 до температуры в нижнем бачке ра¬диатора плюс 10° С составляет для случая г утеплительным чехлом на капоте 85 мин, а без него 73 мин. Причем температура охлаждающей жидкости в головке блока неутеплен¬ного двигателя была на 10° С ниже по сравнению с утепленным.
Применение шторки перед радиато¬ром более эффективно, так как при наличии жалюзи вместо шторки вре¬мя остывания двигателя до указанной выше температуры в нижнем бачке радиатора сокращается.
Во время движения автомобиля охлаждающий воздух поступает в моторный отсек не только через ра-диатор, но и снизу, а также через имеющиеся щели обтекает радиатор и обдувает двигатель. Поток воздуха, проходящего через моторный отсек и обдувающего двигатель, зависит от многих причин, но в основном его можно разделить на две составляю¬щие:
регулируемый поток воздуха, кото¬рый проходит через радиатор при различных степенях открытия шторки или жалюзи;
нерегулируемый поток воздуха, ко¬торый идет в обход радиатора через неплотности деталей моторного отсе¬ка и снизу.
При эксплуатации автомобилей в зоне умеренного климата обдув по¬верхности двигателя встречным пото¬ком воздуха в незначительной степе¬ни влияет на суммарный теплоотвод из системы охлаждения. Относитель¬но небольшой перепад температур между поверхностью двигателя и окружающей средой вызывает допол¬нительный теплоотвод из системы охлаждения, который может быть компенсирован работой терморегулирующего комплекса путем уменьше¬ния теплоотдачи от поверхности ра¬диатора. При температурах окружаю¬щего воздуха порядка минус 60° С перепад температур между двигате¬лем и окружающей средой достигает 140° С, что приводит к значительному увеличению теплоотвода от наруж-ных поверхностей.
Для определения величины теплоотвода от наружных поверхностей двигателя были проведены стендовые испытания двигателя ЗИЛ-130. Пер¬воначально в одном из вариантов ис¬пытаний поверхность двигателя была покрыта теплоизоляционным материа¬лом. В этом случае можно считать, что теплоотдача от поверхности дви¬гателя в окружающую среду отсут¬ствует и изменение интенсивности об¬дува поверхности двигателя потоком воздуха не оказывает влияния на его тепловой режим. При отсутствии изоляции на поверхности двигателя изменение обдува вызывает измене¬ние теплоотвода от его наружных поверхностей. Так, например, на двига¬теле ЗИЛ-130 величина теплоотвода от наружных поверхностей его при температуре окружающего воздуха плюс 20° С достигала порядка 12 тыс. ккал/ч (рис. 2), что состав¬ляет от 10 до 50% от общего количе¬ства тепла, отводимого в охлаждаю¬щую жидкость. При понижении же температуры окружающего воздуха перепад температур увеличится и, следовательно, увеличится теплоотвод от поверхности двигателя. Так, при обдуве поверхности двигателя возду¬хом, имеющим температуру минус 60° С, теплоотвод будет достигать ве¬личины порядка 30—35 тыс. ккал/ч.
Таким образом, при эксплуатации автомобилей в районах Крайнего Се¬вера теплоотвод из системы охлаж-дения увеличивается в такой степени, что терморегулирующий комплекс не в состоянии обеспечить достаточно высокий тепловой режим двигателя. Необходимы дополнительные меро¬приятия по приспособлению его к ра¬боте в специфических климатических условиях.
На основании изучения опыта экс¬плуатации и испытаний опытных об¬разцов автомобилей северных моди¬фикаций НИИАТом были разработа¬ны «Технико-эксплуатационные требо¬вания к северным модификациям гру¬зовых автомобилей», которые исполь¬зуются автомобильной промышлен¬ностью при проектировании новых моделей, предназначенных для рабо¬ты в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха. Таким образом, северные модифика¬ции автомобилей должны в полной мере отвечать условиям эксплуата¬ции.
Однако в настоящее время на ав¬тотранспортные предприятия районов Крайнего Севера поставляются серий¬ные автомобили, что связано с необ¬ходимостью дооборудования их с целью приспособления к работе в спе¬цифических климатических условиях. Специальные эксперименты, проведен¬ные в районах Крайнего Севера, по¬зволили выявить основные причины переохлаждения двигателей при низ¬ких температурах окружающего воз¬духа. Поэтому необходимо опреде¬лить перечень основных мероприятий по приспособлению серийных кон¬струкций автомобилей к эксплуата¬ции в условиях Крайнего Севера.
Прежде всего необходимо заменить жалюзи на шторку, так как она бо¬лее эффективно перекрывает лобовую поверхность радиатора.
Для уменьшения теплоотвода из системы охлаждения следует умень¬шить обдув поверхности двигателя по¬током воздуха, проникающим через щели сбоку и снизу моторного отсе¬ка. В связи с тем что конструкция моторного отсека и облицовки не обеспечивает достаточной защиты двигателя от обдува его наружным воздухом, а также, учитывая необходимость уменьшения скорости осты¬вания двигателя во время стоянки автомобиля, наличие утеплительных чехлов становится обязательным.
dhdhudhndhnydhdhndh70
Рис. 1. Изменение теплового состояния двигателя автомобиля Урал-375К при движении на спуске (Ольчанский пере¬вал Колымской трассы), * окр — 46—55° С: 1 — температура в верхнем бачке ра-диатора; 2 — температура в блоке; 3 — температура в нижнем бачке радиа¬тора; 4 — температура воздуха в мо¬торном отсеке
dhdhudhndhnydhdhndh71
Рис. 2. Изменение количества тепла, выводимого из двигателя при постоян¬стве температуры жидкости на выхо¬де (81,5° С). Нагрузочная характеристи¬ка двигателя ЗИЛ-130 при 2000 об/мин: 1 — поверхность двигателя покрыта теплоизоляционным материалом; 2 — теплоизоляция на поверхности двига¬теля отсутствует
Крепление утеплительных чехлов должно обеспечивать плотное приле¬гание их к поверхности капота, обли¬цовке и боковинам, а также удобство доступа к двигателю без снятия утеп¬лительного чехла.
Большие трудности связаны с за¬щитой двигателя от нерегулируемого обдува потоком наружного воздуха на автомобилях, имеющих бескапотную компоновку, т. е. с расположением кабины над двигателем и особенно при откидывающейся кабине. При данной компоновочной схеме обеспе¬чивается хороший доступ к двигате¬лю при проведении ТО и ремонтов, но и обдув его поверхности во время движения автомобиля получается бо¬лее интенсивным в сравнении с капотной компоновкой. Наружный воз¬дух поступает к двигателю спереди, снизу и с боков.
Для уменьшения обдува двигателя потоком воздуха, поступающего спе¬реди, необходимо установить гибкий защитный фартук между кабиной и бампером. Отверстия в облицовке для забора воздуха следует также закрыть.
Как правило, двигатель защищен снизу брызговиками, но эффектив¬ность их против проникновения хо-лодного воздуха оказывается недо¬статочной. Для увеличения защиты двигателя снизу следует применять защитные фартуки и кожухи, выпол¬няющие роль отражателей. Назначе¬ние их — изменять направление воз¬душных потоков. Такие фартуки или кожухи целесообразно устанавливать наклонно от бампера к балке перед¬него моста. Таким образом, встреч¬ный поток воздуха будет отклонять¬ся вниз и тем самым уменьшится проникновение холодного воздуха в моторный отсек. Наиболее целесооб¬разно применять металлические лег¬косъемные или откидные защитные кожухи, которые долговечны и одно¬временно увеличивают защиту ниж¬ней части двигателя от повреждений при преодолении автомобилем нале¬дей, заносов и других препятствий на дорогах. На автомобилях, эксплуати¬рующихся в районах или на трассах, где образование наледей маловероят¬но, можно применять защитные фар¬туки из брезента и других материа¬лов.
Для уменьшения бокового обдува двигателя целесообразно устанавли¬вать относительно жесткие защитные фартуки (например, из толстой рези¬ны, транспортной ленты и т. д.), ко¬торые крепятся к кабине и при опу¬скании ее создают «боковые стенки» моторного отсека. Это мероприятие наиболее эффективно применять в районах с сильными ветрами, что в значительной степени уменьшает об¬дув двигателя и проникновение снега в моторный отсек.
Автором были проведены мероприя¬тия по уменьшению обдува поверхно¬сти двигателя автомобиля МАЗ-500 (рис. 3). Первоначально были опре¬делены основные пути проникновения нерегулируемого потока воздуха в моторный отсек. Температура жидко¬сти в головках блока незащищенного двигателя была в пределах 55—60° С, а воздуха в моторном отсеке +20° С при температуре окружающего возду¬ха минус 15° С. После проведения мероприятий по защите двигателя от обдува его поверхности нерегулируе¬мым потоком воздуха температура жидкости в головках увеличилась до 90° С, а температура воздуха на уров¬не воздухоочистителя поднялась до 30—35° С (рис. 4).
Результаты экспериментов также показывают, что с увеличением ско¬рости движения автомобиля эффек-тивность мероприятий увеличивается. На автомобиле, не имеющем защиты двигателя, увеличение скорости дви¬жения не приводит к изменению тем¬пературного режима двигателя не¬смотря на увеличение теплоотвода в охлаждающую жидкость. После про¬ведения мероприятий по защите дви¬гателя его тепловой режим с повы¬шением скорости движения автомоби¬ля повышается и появляется возмож¬ность регулирования тепловой производительности системы охлаждения в зависимости от изменения дорожных условий.
Производительность системы охлаж¬дения и теплоотвод от наруж¬ных поверхностей двигателя в значи-тельной степени зависят от произво¬дительности вентилятора. Наилучшим решением является применение муф¬ты отключения вентилятора с термо¬статическим управлением. Наряду с этим возможно применение в зим¬ний период вентиляторов с понижен¬ной производительностью, что дости¬гается обычно уменьшением числа ло¬пастей.
dhdhudhndhnydhdhndh72
Рис. 3. Схема защиты двигателя автомобиля МАЗ-500 от обдува его нерегулируе¬мым потоком воздуха
dhdhudhndhnydhdhndh73
Рис. 4. Влияние мероприятий по умень¬шению обдува двигателя ЯМЗ-236 на его тепловое состояние, /0 = —15° С: I — головка блока; 2 — торец головки блока; 3 — температура воздуха в мо¬торном отсеке;
_._._._ тепловое состояние дви¬гателя до проведения ме¬роприятий по защите;
*---------тепловое состояние дви¬гателя после проведения мероприятий по защите
Наличие термостата в системе охлаждения оказывает положитель¬ное влияние на поддержание опти-мального теплового режима двигате¬ля. Однако при низких отрицатель¬ных температурах окружающего воз¬духа наличие термостата в системе охлаждения возможно лишь при ис¬пользовании антифриза в качестве охлаждающей жидкости, так как при применении воды создается опасность замерзания ее в радиаторе.
Следует отметить, что применение антифриза приводит к повышению температурного режима двигателя, вследствие того что теплоемкость ан¬тифриза меньше, чем у воды. Таким образом, очевидна целесообразность применения антифриза в качестве охлаждающей жидкости на автомо¬билях, работающих в условиях Край¬него Севера. Наибольшее значение его применение имеет для автомоби¬лей, оборудованных предпусковыми подогревателями. Эти автомобили, как правило, работают в отрыве от основной базы и вынуждены содер¬жаться в межсменное время на от¬крытых площадках.
Значительное влияние на тепловой режим двигателя оказывает степень приспособленности кабины водителя к эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха. Чем эффективнее утепление кабины, тем меньшее количество тепла необ¬ходимо для ее отопления, т. е. необ¬ходимы отопители с меньшей произ¬водительностью. Следует учитывать, что с понижением температуры окру-жающего воздуха необходимое коли¬чество тепла для отопления кабины возрастает по двум причинам:
увеличивается отвод тепла от на¬ружных поверхностей ее; увеличивается расход тепла на на¬грев воздуха для отопления кабины, так как забор воздуха в систему отопления осуществляется снаружи.
В то же время теплоотвод из си¬стемы охлаждения двигателя также увеличивается, так как эффективность мероприятий по приспособлению си¬стемы охлаждения уменьшается.
Проведение мероприятий по при¬способлению систем охлаждения двигателей серийных автомобилей к работе в условиях Крайнего Севе¬ра позволит повысить производитель¬ность труда, снизить эксплуатацион¬ные расходы за счет увеличения дол¬говечности двигателей, уменьшения затрат на топливо, ТО и ремонты, а также улучшить условия труда во¬дителей.