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

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
УДК 621.431.7-71 
ББК 39.35 
 
Я49
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
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
©
© 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).

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 раскрывают основы, обобщают знания теории охлаждения 
двигателей тракторов и автомобилей;
 
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 систематизируют знания и опыт, разрабатывают новые положения основ проектирования систем охлаждения и оценки новых 
технических решений;
 
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-технической 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 кривошипно-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.