Системы охлаждения тракторных и автомобильных двигателей. Конструкция, теория, проектирование.

А.И. ЯкубовИч
Г.М. кухАрЁнок
в.Е. тАрАсЕнко

СиСтемы охлаждения 
тракторных  
и автомобильных
двигателей

конструкцИЯ, тЕорИЯ, 
проЕктИровАнИЕ

 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»
2013

УДК 621.431.7-71 
ББК 39.35 
 
Я49

Якубович, А.И.
Системы охлаждения тракторных и автомобильных двигателей. Конструкция, теория, проектирование / А.И. Якубович, 
Г.М. Кухарёнок, В.Е. Тарасенко. — Минск : Новое знание ; М. : 
ИНФРА-М, 2013. — 472 с. : ил. — (Высшее образование: 
Магистратура).

ISBN 978-985-475-620-2 (Новое знание). 
ISBN 978-5-16-009370-3 (ИНФРА-М, print). 
ISBN 978-5-16-100344-2 (ИНФРА-М, online).

Рассмотрены конструкции систем охлаждения тракторных и автомобильных двигателей, изложены основы теории охлаждения, расчет и 
основные положения методологии проектирования.
Для студентов, магистрантов и аспирантов, а также научных и инженерно-технических работников, занимающихся исследованиями и 
проектированием систем охлаждения, эксплуатацией тракторной и автомобильной техники.

УДК 621.431.7-71 
ББК 39.35

Я49

 
© Якубович А.И., Кухарёнок Г.М., 
Тарасенко В.Е., 2013
 
© ООО «Новое знание», 2013

ISBN 978-985-475-620-2 (Новое знание).
ISBN 978-5-16-009370-3 (ИНФРА-М, print).
ISBN 978-5-16-100344-2 (ИНФРА-М, online).

Р е ц е н з е н т ы:
профессор кафедры «Тракторы» Белорусского национального технического 
университета, доктор технических наук В.В. Гуськов;
профессор кафедры «Тракторы и автомобили» Белорусского государственного аграрного технического университета, доктор технических наук 
А.И. Бобровник

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Оглавление

От авторов................................................................................................................................6

Из истории вопроса.............................................................................................................10

Глава 1. Конструкция систем охлаждения двигателей........................................32
1.1..Тепловые.контуры.систем.охлаждения.................................................................32
1.2..Структурные.схемы.систем.охлаждения..............................................................36
1.3..Типы.систем.охлаждения...........................................................................................40
1.4..Жидкостный.контур.системы.охлаждения..........................................................49
1.5..Расширительный.и.компенсационный.контуры...............................................52
1.6..Воздушный.контур.жидкостной.системы.охлаждения...................................60
1.7..Контуры.воздушной.системы.охлаждения..........................................................70
1.8..Общее.устройство.системы.охлаждения.двигателя.........................................81
1.9..Агрегаты,.механизмы,.приборы.систем.охлаждения........................................97
1.9.1..Рубашка.охлаждения........................................................................................97
1.9.2..Водяной.насос................................................................................................... 102
1.9.3..Термостат............................................................................................................ 106
1.9.4..Радиаторы........................................................................................................... 109
1.9.5..Пробка.радиатора............................................................................................ 121
1.9.6..Антикоррозионный.фильтр......................................................................... 122
1.9.7..Вентилятор......................................................................................................... 124
1.9.8..Привод.вентилятора....................................................................................... 134
1.9.9..Диффузоры,.направляющие.кожухи....................................................... 149
1.9.10..Жалюзи,.шторка............................................................................................ 151
1.10..Жидкостно-масляные.теплообменники........................................................... 153
1.11..Устройства.регулирования.системы.охлаждения........................................ 166
1.12..Эжекционные.системы.охлаждения.................................................................. 178
1.13..Капоты.и.капотирование.моторного.отделения........................................... 180

Глава 2. Основы теории системы охлаждения...................................................... 194
2.1..Основные.определения,.законы.переноса.и.передачи.теплоты................ 194
2.1.1..Теплопроводность............................................................................................ 194
2.1.2..Конвекция.......................................................................................................... 201
2.1.3..Тепловое.излучение........................................................................................ 203
2.2..Уравнения.движения.и.энергии.теплоносителей.в.системе..
охлаждения................................................................................................................... 206
2.2.1..Процессы,.протекающие.в.контурах.системы.охлаждения............. 206
2.2.2..Уравнение.движения.потока.жидкости.в.каналах.системы.
охлаждения........................................................................................................ 209
2.2.3..Уравнение.энергии.потока.жидкости.в.каналах.системы.
охлаждения........................................................................................................ 218
2.2.4..Уравнение.движения.потока.воздуха.в.воздушном.тракте............. 222

Оглавление
4

2.3..Закономерности.теплопередачи.в.цилиндре.двигателя............................... 230
2.3.1..Температура.рабочего.тела.в.цилиндре.двигателя............................. 230
2.3.2..Теплопередача.через.стенку.цилиндра.................................................... 246
2.3.3..Теплопередача.в.охлаждающую.жидкость.от.стенки.цилиндра..... 253

Глава 3. Тепловая энергия системы охлаждения................................................. 256
3.1..Тепловая.энергия.трактора.и.автомобиля......................................................... 256
3.2..Распределение.теплоты.сгорания.топлива.по.данным.
теплового.баланса.двигателя................................................................................. 260
3.3..Тепловая.напряженность.элементов.двигателя.............................................. 268
3.4..Теплоотдача.в.систему.охлаждения..................................................................... 272

Глава 4. Расчет системы охлаждения....................................................................... 282
4.1..Выбор.типа.системы.охлаждения......................................................................... 282
4.2..Основные.параметры.системы.охлаждения..................................................... 285
4.3..Расчет.системы.охлаждения................................................................................... 286
4.3.1..Основные.этапы.расчета............................................................................... 286
4.3.2..Расчет.жидкостной.системы.охлаждения.............................................. 288
4.3.3. Выбор.составляющих.элементов.радиатора.......................................... 312
4.3.4..Выбор.водяного.насоса................................................................................. 313
4.3.5..Выбор.вентилятора......................................................................................... 318
4.3.6. Выбор.расширительного.контура.............................................................. 322
4.4..Расчет.воздушной.системы.охлаждения............................................................ 325
4.4.1..Основные.особенности.расчета.воздушной.системы..
охлаждения........................................................................................................ 325
4.4.2..Расчет.теплоотдачи.к.наружным.стенкам.двигателя........................ 327
4.4.3..Расчет.поверхности.охлаждения............................................................... 328
4.4.4..Расчет.вентилятора......................................................................................... 332

Глава 5. Системный подход к проектированию устройств охлаждения 
двигателей тракторов и автомобилей........................................................................ 333
5.1..Основные.положения.системного.проектирования.устройств.
охлаждения.двигателей.тракторов.и.автомобилей....................................... 333
5.1.1..Оценочные.критерии.на.этапе.проектирования.................................. 333
5.1.2..Структура.системы.охлаждения................................................................ 336
5.1.3..Факторы,.влияющие.на.процесс.функционирования.
системы.охлаждения...................................................................................... 338
5.1.4..Показатели.качества.системы.охлаждения........................................... 339
5.1.5..Цель.создания.системы.охлаждения....................................................... 339
5.1.6..Оптимизация.параметров.системы.охлаждения................................. 342
5.2..Формирование.структурной.схемы.и.конструкции.системы..
охлаждения................................................................................................................... 347
5.3..Модульная.система.охлаждения........................................................................... 356

Оглавление
5

5.4..Построение.расчетной.модели.системы.охлаждения................................... 363
5.4.1..Преимущества.предлагаемого.метода.расчета..................................... 363
5.4.2..Моделирование.процессов.теплопередачи.в.системе..
охлаждения........................................................................................................ 363
5.4.3..Оценка.достоверности.моделирования................................................... 371
5.4.4..Предельные.критические.точки.процессов.теплопередачи.
системы.охлаждения...................................................................................... 377
5.4.5..Анализ.параметров.системы.охлаждения.методом..
моделирования................................................................................................. 384
5.5..Согласование.параметров.системы.охлаждения.и.дизеля.......................... 386
5.6..Требования.к.системам.охлаждения.и.их.компоновке,.
допустимые.значения.параметров....................................................................... 391
5.7..Алгоритм.проектирования.системы.охлаждения........................................... 396
5.8..Метод.оценки.совершенства.конструкции.системы.охлаждения............ 404
5.9..Метод.оценки.эффективности.системы.охлаждения................................... 408

Глава 6. Методы экспериментальных исследований и испытаний 
систем охлаждения........................................................................................................... 416
6.1..Виды.испытаний.систем.охлаждения................................................................. 416
6.2..Исследования.воздушного.тракта.системы.охлаждения............................. 418
6.3..Испытания.вентилятора.......................................................................................... 423
6.4..Теплотехнические.стендовые.испытания.систем.охлаждения.................. 425
6.5..Испытания.радиаторов............................................................................................. 434
6.5.1..Функциональные.испытания.радиаторов.............................................. 434
6.5.2..Тепловые.испытания.радиаторов.............................................................. 435
6.5.3..Параметрические.испытания.радиаторов.............................................. 439
6.5.4..Испытания.на.герметичность..................................................................... 442
6.5.5..Испытания.на.вибропрочность.................................................................. 442
6.5.6..Испытания.на.термостойкость................................................................... 444
6.5.7..Испытания.на.коррозионную.стойкость................................................ 445
6.6..Эксплуатационные.испытания.систем.охлаждения...................................... 446
6.7..Многофакторный.эксперимент.при.исследованиях.систем..
охлаждения................................................................................................................... 450
6.7.1..Методика.планирования.факторного.эксперимента......................... 450
6.7.2..Факторы.и.интервалы.варьирования...................................................... 451
6.7.3..Проведение.эксперимента.и.обработка.результатов.......................... 452
6.7.4..Анализ.математической.модели.факторов............................................ 456

Словарь-справочник основных терминов и понятий.......................................... 460

Литература.......................................................................................................................... 468

От авторов

Системы.охлаждения.двигателей.как.технические.устройства,.
имеющие.одно.и.то.же.целевое.назначение,.в.конструкции.тракторов,.автомобилей.и.других.мобильных.машин,.могут.исполняться.
в. различных. вариантах. за. счет. выбора. составляющих. компонентов,. изменения. параметров,. которые. можно. варьировать. в. ходе.
проектирования..Конструкторское.исполнение.системы.охлаждения.в.значительной.мере.определяется.типом.двигателя,.назначением.машины.и.теми.условиями,.в.которых.машину.с.двигателем.
предполагается.эксплуатировать..Решение.при.выборе.варианта.
принимается.на.основе.расчетов,.сводящихся.к.поиску.такого.конструкторского.исполнения.системы,.при.котором.обеспечивается.
минимум.энергетических.затрат.на.функционирование.системы.
при. получении. максимума. эффективных. показателей. двигателя..
Окончательно.принятое.техническое.решение.должно.выдержать.
комплекс.исследований.и.испытаний.
Двигатель.работает.безотказно.и.экономично.только.при.соблюдении. определенного. теплового. режима.. Показатели. двигателей,.
их.экономичность.и.надежность.во.многом.определяются.способностью.системы.охлаждения.обеспечивать.тепловой.режим.независимо.от.частоты.вращения.коленчатого.вала,.нагрузочного.режима.
и. внешних. возмущающих. факторов,. в. том. числе. и. окружающей.
среды.
Мощности.двигателей.в.настоящее.время.значительно.возросли.и.количество.отводимой.системой.охлаждения.теплоты.также.
увеличилось..Однако.возможности.увеличения.габаритных.параметров.радиаторов.не.расширились,.а.у.ряда.тракторов.и.автомобилей.даже.уменьшились..В.связи.с.этим.возникает.необходимость.
в.повышении.эффективности.теплоотводящих.аппаратов.в.сочетании.с.их.максимальной.компактностью.при.небольшом.аэродинамическом.сопротивлении.
Создание.широкой.гаммы.модификаций.автомобилей.и.высокоэнергонасыщенных.тракторов.ставит.перед.конструкторами.новые. сложные. задачи. по. расчету,. выбору. и. проектированию. ряда.
узлов,. агрегатов. и. систем,. способных. передавать,. реализовывать.
значительные.крутящие.моменты,.удалять.для.обеспечения.рабочих.температур.большое.количество.теплоты..Тепловые.нагрузки.
в.дизелях,.трансмиссиях.и.узлах.гидравлических.систем.возросли,.

От авторов
7

что. привело. к. увеличению. потерь. мощности. и. расходу. топлива..
Серьезным.препятствием.на.пути.повышения.эффективности.работы.данных.агрегатов.и.узлов,.обеспечения.их.надежности.и.долговечности.является.их.теплонапряженность..Ввиду.этого.огромное.
значение.придается..созданию.охлаждающих.систем,.обеспечивающих.требуемые.рабочие.температуры.агрегатов.мобильных.машин.
Для.решения.этой.задачи.необходимо.согласовывать.с.поставщиками.двигателей.параметры.водяного.насоса,.вентилятора.и.других.узлов,.выполнять.расчеты.и.разрабатывать.не.только.радиаторы,.но.и.вентиляторные.установки,.а.также.научно.обосновывать.
компоновку.воздушных.трактов.
Полное. капотирование. моторных. установок. является. эффективным. способом. снижения. внешнего. шума. двигателя.. Вместе.
с. тем. такое. конструкторское. решение. повышает. теплонапряженность.двигателя,.ухудшает.теплопередачу.от.радиатора,.приводит.
к.перераспределению.теплоты.в.двигателе.
Возможности.вычислительной.техники.позволяют.при.выполнении.работы.создавать.автоматизированные.расчетные. системы.
с.получением.конечных.результатов..Однако.прогнозирование.температурных. режимов. агрегатов. машин. в. широком. диапазоне. нагрузочных.режимов.во.взаимосвязи.с.условиями.эксплуатации.все.
еще.остается.достаточно.сложной.и.неисследованной.задачей..До.
настоящего.времени.подобные.задачи.решались.экспериментально.на.натурных.образцах.с.последующей.доработкой.конструкторской.документации.по.результатам.испытаний..Но.это.требовало.
дополнительных.времени.и.средств
Сложность.проблемы.состоит.в.многообразии.исходных.параметров,.конструктивных.и.эксплуатационных,.влияющих.на.тепловой. режим.. В. данном. издании. она. разрешается. комплексно,. все.
влияющие.параметры.объединены.в.единую.расчетную.систему.
Основой.проектирования.охлаждающих.систем.является.расчет.составляющих.узлов,.выбор.их.конструкции..Расчет.охлаждающих.систем.по.разработанной.методологии,.выбор.составляющих.
компонентов.и.проектирование.систем.в.целом.представлены.как.
единый.последовательный.комплекс.работ,.позволяющий.создавать.
эффективные.системы.охлаждения.
Конструкции. охлаждающих. систем. машин. при. разработке.
модификаций. должны. быть. унифицированы. с. машиной. базовой.

От авторов
8

модели.. Это. позволит. создавать. машины. высокого. технического.
уровня,.а.также.обеспечит.экономию.материальных.ресурсов.как.
на.стадии.производства,.так.и.в.эксплуатации.
Приняв.решение.написать.эту.книгу,.авторы.в.полной.мере.понимали.свою.задачу.—.направить.по.верному.пути.мысль.и.труд.
инженеров,. конструкторов,. посвятивших. себя. созданию. систем.
охлаждения.двигателей.тракторов.и.автомобилей..В.связи.с.этим.
в. данном. издании. системно. изложены. особенности. конструкции.
систем.охлаждения.от.первых.ее.образцов.до.современных.модификаций,.представлены.результаты.научных.и.экспериментальных.
исследований.
Преследуя.цель.помочь.специалистам.в.области.систем.охлаждения.двигателей.тракторов.и.автомобилей.разобраться.в.многообразии.и.особенностях.задач,.стоящих.перед.ними.при.проектировании.систем,.авторы.затрагивают.многие.аспекты:
ˆ
ˆ раскрывают. основы,. обобщают. знания. теории. охлаждения.
двигателей.тракторов.и.автомобилей;
ˆ
ˆ анализируют.известные.методы.расчета.систем.и.их.компонентов,.освещают.новые.методы.определения.количества.теплоты,.
поступающей.в.систему.охлаждения,.методы.расчета.и.аналитического.исследования.параметров.на.основе.моделирования;
ˆ
ˆ систематизируют.знания.и.опыт,.разрабатывают.новые.положения.основ.проектирования.систем.охлаждения.и.оценки.новых.
технических.решений;
ˆ
ˆ приводят. результаты. исследований. и. испытаний. систем.
охлаждения,.рассматривают.методы.исследования,.используемые.
аппаратуру.и.стендовое.оборудование.экспериментальных.исследований.
Вопросы.теории,.конструкции.и.проектирования.систем.охлаждения.двигателей.в.отечественной.и.зарубежной.научно-тех.ни.ческой.литературе.освещены.не.достаточно.полно..Изданий.по.системам.охлаждения.не.так.много,.а.более.30.лет.книги.по.этой.теме.
вообще.не.издавались:.последними.вышли.в.свет.книги.А.К..Гаврилова.«Системы.жидкостного.охлаждения.автотракторных.двигателей».(1966).и.В.В..Буркова.и.А.И..Индейкина.«Автотракторные.радиаторы».(1978).
Авторы.поставили.перед.собой.задачу.систематизировать.научные.и.технические.материалы.по.теме,.опубликованные.в.периоди

От авторов
9

ческих. изданиях,. обобщить. свои. научные. исследования. и. опыт.
в.проектировании.систем.для.тракторных.двигателей.и.тем.самым.
предоставить.конструкторам.необходимую.информацию.для.разработки.систем.охлаждения.двигателей.тракторов.и.автомобилей.
В.целом.в.книге.достаточно.полно.и.содержательно.изложены.
вопросы. конструкции,. теории,. расчета,. проектирования. и. экспериментальных.исследований.на.примере.систем.охлаждения.сельскохозяйственных. тракторов.. Приведенные. исследования. и. теоретические. разработки. в. полной. мере. применимы. и. к. системам.
охлаждения.двигателей.автомобилей.и.других.мобильных.машин.
В.ходе.работы.над.книгой.авторы.пришли.к.мнению.о.необходимости. дальнейшего. развития. знаний. по. данной. тематике,.
в. частности. проведения. исследований. по. вопросам. регулирования,.прогнозирования.параметров.систем.охлаждения.при.воздействии.возмущающих.факторов,.а.также.разработки.автоматизированных. компьютерных. программ. расчета. и. проектирования,.
в.основу.которых.может.быть.положена.база.данных.по.системам.
охлаждения.
Авторы. выражают. свою. признательность. рецензентам:. профессору.кафедры.«Тракторы».Белорусского.национального.технического. университета,. доктору. технических. наук. В.В.. Гуськову.
и. профессору. кафедры«Тракторы. и. автомобили». Белорусского.
государственного. аграрного. технического. университета,. доктору.
технических.наук.А.И..Бобровнику.за.ценные.указания,.которые.
помогли.существенно.улучшить.книгу.

Из ИсторИИ вопроса

Работа.двигателя.внутреннего.сгорания.основана.на.сжигании.
топлива. в. ограниченном. объеме. и. выделении. при. этом. теплоты..
Часть.теплоты.расходуется.на.совершение.полезной.работы,.а.часть.
отводится,.чтобы.уменьшить.теплонапряженность.деталей.и.обеспечить.работоспособность.двигателя.
Рабочий. цикл. двигателя. имеет. строгую. периодичность. и. сопровождается.повышением.температуры.рабочего.тела,.а.следовательно,. деталей,. образующих. камеру. сгорания.. Перегрев. деталей.
двигателя.приводит.к.расширению.и.потере.подвижности.кри.вошипно-шатунного.механизма,.разрушению.деталей.газораспределительного.механизма,.негативно.сказывается.на.рабочем.процессе,.
на.смазывающих.качествах.масла..При.переохлаждении.двигателя.
также. возникают. нежелательные. последствия,. в. частности. ухудшается.качество.горючей.смеси,.увеличиваются.механические.потери.и.износ.подвижных.деталей.
Температура.деталей.двигателя.изменяется.во.времени.в.зависимости.от.периодичности.рабочего.цикла,.режима.загрузки.или.
количества. выполняемой. работы,. а. также. от. температуры. окружающей. среды.. Взаимосвязь. между. параметрами. этих. факторов,.
их. взаимовлияние. оценить. достаточно. сложно.. Необходимое. тепловое. состояние. двигателя. при. работе. поддерживается. за. счет.
принудительного. регулирования. его. температуры. или. принудительного.охлаждения.
Систему.охлаждения.составляет.совокупность.устройств,.обеспечивающих.снижение.температуры.охлаждаемых.деталей.путем.
переноса.теплоты.и.передачи.ее.в.окружающую.среду..На.тракторе.
и.автомобиле.перенос.теплоты.от.двигателя.осуществляется.теплоносителями,.в.качестве.которых.используются.жидкости.и.воздух.
Устроена.система.охлаждения.следующим.образом..Цилиндры.
двигателя.омывает.охлаждающая.жидкость.—.вода.или.низкозамерзающие. жидкости,. характеризующиеся. высокой. теплопроводностью..Отводя.теплоту.от.стенок.цилиндров,.жидкость.нагревается.
и.вследствие.постоянной.циркуляции.переносит.теплоту.к.охладителю. —. радиатору.. Радиатор. имеет. расширенную. поверхность.
охлаждения,.обладающую.высокой.теплопроводностью.благодаря.
охлаждающим. пластинам. или. лентам,. припаянным. к. трубкам..