ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ S55B30T0 CỦA BMW M4 GTS STT 1 2 3 4 MSSV 1913407 1912322 1914890 1912113 HỌ TÊN Nguyễn Như Hòa Nguyễn Quốc Trung Đinh Ngọc Quý Nguyễn Minh Thiện LỚP: L02; NHÓM 09; HK201 GVHD: HỒ PHI LONG NGHIÊM PHAN THIỆN QUÂN SINH VIÊN THỰC HIỆN TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Kĩ Thuật Giao Thông MỤC LỤC Mở đầu ....................................................................................................................2 1. Giới thiệu về động cơ S55B30T0 .......................................................................3 2. Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0 ...............................................................4 2.1. Tổng quan ....................................................................................................4 2.2. Hệ thống làm mát cho động cơ (Engine cooling)........................................5 2.2.1 Nguyên lý hoạt động..............................................................................8 2.2.2. Đường nước làm mát nắp máy ...........................................................13 2.2.3. Làm mát phận tăng áp (turbochargers)...............................................13 2.3. Hệ thống làm mát khí nạp..........................................................................15 3. Công nghệ water injection ................................................................................19 3.1. Nguyên lý hoạt động..................................................................................19 3.2. Ứng dụng trên BMW M4 GTS..................................................................19 3.3. Tính an toàn ...............................................................................................21 Tài liệu tham khảo ................................................................................................22 Bài tập lớn Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong – 2020-2021 Trang 1/22 Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Kĩ Thuật Giao Thông Mở đầu Động cơ đốt trong (IC) tỏa nhiều nhiệt khi hoạt động. Để ngăn động cơ bị động cơ, cần phải loại bỏ nhiệt. Công việc của hệ thống nước làm mát không phải là liên tục làm mát động cơ, công việc của hệ thống nước làm mát là điều hòa nhiệt độ động cơ nhằm duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu. Từ đó tối ưu hóa công suất động cơ và đảm bảo an toàn cho các chi tiết. Bài tập lớn Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong – 2020-202
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI H BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ S55B30T0 CỦA BMW M4 GTS LỚP: L02; NHÓM 09; HK201 GVHD: HỒ PHI LONG NGHIÊM PHAN THIỆN QUÂN SINH Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Kĩ Thuật Giao Thông MỤC LỤC Mở đầu 2 1 Giới thiệu về động cơ S55B30T0 3 2 Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0 4 2.1 Tổng quan 4 2.2 Hệ thống làm mát cho động cơ (Engine cooling) 5 2.2.1 Nguyên lý hoạt động 8 2.2.2 Đường nước làm mát nắp máy 13 2.2.3 Làm mát phận tăng áp (turbochargers) 13 2.3 Hệ thống làm mát khí nạp 15 3 Công nghệ water injection 19 3.1 Nguyên lý hoạt động 19 3.2 Ứng dụng trên BMW M4 GTS 19 3.3 Tính an toàn 21 Tài liệu tham khảo 22 Bài tập lớn Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong – 2020-2021 Trang 1/22 Mở đầu Động cơ đốt trong (IC) tỏa nhiều nhiệt khi hoạt động Để ngăn động cơ bị động cơ, cần phải loại bỏ nhiệt Công việc của hệ thống nước làm mát không phải là liên tục làm mát động cơ, công việc của hệ thống nước làm mát là điều hòa nhiệt độ động cơ nhằm duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu Từ đó tối ưu hóa công suất động cơ và đảm bảo an toàn cho các chi tiết 1 Giới thiệu về động cơ S55B30T0 H1 Động cơ S55B30T0 Một số thông số cơ bản: Config/No of cyls/valves Engine technology Effective capacity Stroke/bore Compression ratio Fuel Max output Max torque In-line/6/4 M TwinPower Turbo: two MonoScroll turbochargers; High Precision Injection; VALVETRONIC fully variable valve control; Double-VANOS variable camshaft timing; Water injection 2979 cc 89.6/84.0 mm 10.2:1 min RON 95 368/500 kW/hp at 6250 rpm 600/442 Nm/lb-ft at 4000-5500 rpm 2 Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0 2.1 Tổng quan Hệ thống làm mát S55B30T0 bao gồm bộ làm mát cho động cơ; bộ làm mát khí nạp; làm mát dầu bôi trơn H2.1 Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0 1 Két nước đầu dòng khí nạp; 2 Két nước động cơ; 3 Két nước chính khí nạp; 4 Bộ làm mát khí nạp; 5,6 Bình nước; 7 Bộ điều nhiệt; 8 Két nước phụ động cơ; 9 Tản nhiệt dầu bôi trơn; 10 Tản nhiệt dầu hộp số H2.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống làm mát 1 Két nước chính khí nạp; 2 Két nước đầu dòng khí nạp; 3 Két nước động cơ; 4,8,11 Bơm điện; 5, 14 Bình nước; 6 Van hằng nhiệt; 7 Máy bơm; 9 Turbochargers 10 Thiết bị chuyển đổi nhiệt; 12 Cảm biến nhiệt; 13 Bộ làm mát khí nạp; 15 Quạt điện; 16 Két nước phụ động cơ Sơ đồ trên được chia ra 3 phần: - Làm mát động cơ (engine cooling); - Làm mát bộ tăng áp turbochargers; - Làm mát khí nạp 2.2 Hệ thống làm mát cho động cơ (Engine cooling) H2.3 Bộ phận làm mát động cơ 1 Két nước phụ động cơ; 2 Két nước động cơ; 3 Bình nước; 4 Bơm nước; 5 Van hằng nhiệt; 6 Turbochargers; 7 Thiết bị trao đổi nhiệt; 8 Bơm điện của turbochargers; 9 Bơm điện của thiết bị trao đổi nhiệt H2.4 Quạt điện làm mát H2.5 Két nước động cơ H2.6 Puli dẫn động bơm nước (số 9) H2.7 Bơm nước 1 Cánh bơm; 2 Mặt ghép puli; 3 Vị trí đặt van hằng nhiệt; 4 Ron H2.8 Đường nước từ bơm vào động cơ 2.2.1 Nguyên lý hoạt động Khi động cơ ở nhiệt độ dưới ngưỡng 80℃ (hình H2.9): - Lúc này van hằng nhiệt 6 chưa giãn nở, máy bơm 7 hút nước từ hộp 14, đi qua áo nước quanh xylanh nên nhiệt độ tăng dần Dòng chu chuyển của nước được đi theo sơ đồ sau (mũi tên xanh) H2.9 Dòng chu chuyển của nước - Nước đi theo vòng tuần hoàn như trên cho đến khi nhiệt độ tăng đến khoảng 80℃ Khi động cơ ở nhiệt độ qua ngưỡng 80℃ (hình H2.10): - Van hằng nhiệt 6 đóng đường nước nóng, nước sẽ đi qua két nước 3, quạt điện 15 hoạt động hút nhiệt từ két nước 3, đường nước nóng cũng đi qua két nước phụ 16; - Nước sau khi được làm mát sẽ quay về lại đầu mát van hằng nhiệt và tiếp tục chu trình mới; - Ngoài ra, đường nước nóng có thể đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 10 bởi bơm điện 11 khi người trên xe có nhu cầu sưởi ấm Thiết bị trao đổi nhiệt 10 truyền nhiệt vào trong cabin nên môi chất làm nóng có nhiệt độ giảm rồi lại đi về máy bơm 7 H2.10 Dòng chu chuyển của nước H2.11 Đường áo nước (số 2) H2.12 Đường áo nước xylanh *Van hằng nhiệt H2.13 Cấu tạo van hằng nhiệt Cấu tạo van dùng wax: bao gồm một thanh truyền, một số lò xo, van sơ cấp (van chính), van thứ cấp (van rẽ nhánh) và xi lanh nạp Xylanh nạp chứa đầy sáp có nhiệt độ nóng chảy dưới ngưỡng khoảng 80℃ Khi nước làm mát vượt quá ngưỡng 80℃, sáp sẽ tan chảy và trở thành chất lỏng Sáp lỏng có thể tích lớn hơn so với khi sáp ở trạng thái rắn Một thanh cắm vào xylanh nạp bị đẩy ra khỏi xylanh do chất sáp nở ra Thanh đẩy van bypass tuyến tính ra khỏi thân bộ điều nhiệt và do đó đóng van bypass Đồng thời, van chính được mở và nước làm mát được đưa đến bộ tản nhiệt H2.14a Khi van đóng H2.14b Khi van mở 2.2.2 Đường nước làm mát nắp máy Đường nước này không những làm mát cả cả 2 xupap mà còn làm mát cả đầu phun nhiên liệu được biểu diễn qua hình H2.15 H2.15 Bộ phận làm mát nắp máy 1.Lỗ xupap nạp; 2 Lỗ đầu phun nhiên liệu; 3 Lỗ xupap thải; 4 Đầu nối ống giải nhiệt với van hằng nhiệt; 5 Đầu nối ống giải nhiệt với két nước 2.3 Làm mát bộ phận tăng áp (turbochargers) H2.16 Minh họa bộ phận tăng áp H2.17 Sơ đồ làm mát bộ tăng áp 8 Bơm điện; 9 Turbochargers Bơm điện phụ 8 không chỉ vận hành lúc động cơ đang vận hành mà còn cả lúc tắt động cơ, phụ thuộc vào yếu tố sau: - Nhiệt độ nước làm mát ở ống xả; - Nhiệt độ dầu bôi trơn; - Lượng nhiên liệu đã nạp Dựa vào thông số trên thì nhiệt độ của động cơ sẽ được tính toán Bơm điện có thế sẽ ngắt sau khoảng 30 phút Để cải thiện khả năng làm mát, quạt điện sẽ vẫn còn chạy cho đến khi tắt động cơ sau khoảng 11 phút H2.18 Nối đường nước làm mát với ống xả (số 12 và số 7) 2.4 Hệ thống làm mát khí nạp Trong suốt quá trình nạp, khí nạp được làm mát bởi thông qua bộ làm mát khí nạp 13 và dòng chu chuyển nước làm mát có nhiệt độ thấp Nước được giải nhiệt bởi không khí thông qua 2 két nước 1 và 2 H2.19 Sơ đồ làm mát khí nạp 1 Két nước chính khí nạp; 2 Két nước đầu dòng khí nạp; 4 Bơm điện; 5 Bình nước; 13 Bộ làm mát khí nạp H2.20 Bộ phận làm mát khí nạp 1 Bộ làm mát khí nạp; 2 Bình nước; 3 Két nước chính khí nạp; 4 Bơm điện; 5 Két nước đầu dòng khí nạp Nước nóng được bơm 4 hút từ bộ làm mát khí nạp 1 vào két nước phụ và két nước chính, nước được giải nhiệt chảy vào trong bộ làm mát khí nạp rồi tiếp tục chu trình tiếp theo Két nước chính khí nạp thuộc loại Double pass upstream - Double pass: sẽ có đầu vào và đầu ra ở cùng một phía Điều này làm cho nước sẽ chảy qua két nước hai lần trên đường dẫn của nó trở lại động cơ Những bộ tản nhiệt này sẽ hoạt động tốt trong cả các ứng dụng đường phố và đường đua; tuy nhiên, một máy bơm nước công suất lớn là một điều cần thiết Vì đầu vào sẽ ở phía đối diện, bạn có thể phải chuyển hướng ống tản nhiệt phía trên và có thể thực hiện điều này bằng cổ nước xoay hoặc bằng cách thay đổi hoàn toàn ống - Upstream: thay vì đường nóng vào phía trên, đường lạnh ra phía dưới, áp dụng nguyên tắc dối lưu thì upstream đường nóng sẽ vào phía dưới, đường mát ra phia trên, điều này đảm bảo việc trong két nước luôn có nước, từ đó tăng hiệu quả tản nhiệt; tuy nhiên, để làm được điều này phải đòi hỏi một bơm với công suất cao, bên cạnh việc két nước không quá to H2.21 Két nước phụ (upstream low temperature) H2.22 Dòng khí nạp được làm mát 8 Bộ làm mát khí nạp; A Không khí; B Khí sạch; C Khí nóng; D Khí được làm mát 3 Công nghệ water injection Nhiệt độ khi vận hành là một vấn đề được quan tâm hang đầu với động cơ đốt trong, để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt một lượng nhiên liệu sẽ được phun them vào buồng đốt để làm mát xylanh mà không được đốt cháy hoàn toàn Để giảm thiểu sự tiêu hao nhiên liệu này, tập đoàn BOSCH đã phát triển công nghệ làm mát water injection (2016) 3.1 Nguyên lý hoạt động Trước khi nhiên liệu được kích nổ, một lượng nước được đưa vào dưới dạng phun mịn vào họng khí nạp, gặp nhiệt độ cao, nước sẽ hóa hơi và hấp thu một lượng lớn nhiệt lượng xung quanh Lợi ích của công nghệ: - Làm giảm nhiệt độ nén cuối cùng trong buồng đốt, cũng làm giảm nguy cơ kích nổ; - Nhiệt độ được hạ thấp, động co xăng sẽ đạt được tỉ số nén cao hơn; - Thời điểm đánh lửa diễn ra sớm hơn làm giảm nguy cơ gõ máy và nhiên liệu đốt cháy triệt để hơn; - Công suất được tăng them trong khi tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải CO2 giảm; - Mặc dù có thêm công suất đầu ra, nhưng ứng suất nhiệt trên tất cả các thành phần liên quan đến hiệu suất được giảm bớt; - Bên cạnh đó, water injection còn giúp tăng tuổi thọ và độ bền các chi làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (piston, van xả, xylanh) 3.2 Ứng dụng trên BMW M4 GTS BMW M4 GTS là chiếc xe thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ water injection: - Gồm 3 kim phin nằm trong cổ góp khí nạp cung cấp cho 6 xylanh của động cơ; - Sau khi qua bộ tăng áp (turbo charged) nhiệt độ luồng khí khoảng 160℃ , sau khi qua bộ làm mát Intercooler, nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 70℃ , khi nước được phun vào cổ góp khí nạp thì nhiệt độ khí nạp còn khoảng 25℃; - Nhiệt độ thấp giúp làm cho nồng độ Oxi trong buồng đốt cao hơn đồng thời cho phép áp suất nén tăng từ 17,2 lên 21,6 psi kết quả là công suất M4 GTS cao hơn 50 HP so vói M4 Competition; - Hệ thống water injection chi tốn vai ml nước cho mỗi km vận hành Vậy nên chỉ cần nạp lại sao khoảng 3000km (phụ thuộc vào cường độ vận hành) H3 Phun nước vào đường khí nạp H4 Kim phun nước 3.3 Tính an toàn Về mặt an toàn, hệ thống phun nước BMW M được trang bị hệ thống tự chẩn đoán tinh vi Nếu két nước bị cạn hoặc trong trường hợp hệ thống bị trục trặc, các biện pháp thích hợp được thực hiện để bảo vệ động cơ Áp suất tăng giảm và thời gian đánh tia lửa bị chậm lại, cho phép động cơ tiếp tục hoạt động an toàn ở mức công suất giảm Ngay cả khi mọi thứ đang hoạt động bình thường, nhiều biện pháp phòng ngừa được thực hiện để giữ cho hệ thống hoạt động đầy đủ Mỗi khi động cơ tắt, tất cả nước trong hệ thống ống được xả vào bình chứa để ngăn các bộ phận của hệ thống đóng băng ở nhiệt độ dưới 0℃ Két nước cũng có khả năng chống sương giá Tài liệu tham khảo [1] Technical tranining Production information S55 Engine Trích từ http://s3.bimmerfile.com.s3.amazonaws.com/wp-content/uploads/2015/01/S55Engine.pdf [2] Car & Performance TV BMW M4 GTS | Water Injection SYSTEM Trích từ https://www.youtube.com/watch?v=xLFHFujQeic&ab_channel=GommeBlog.it %3ACar%26Performance [3] 5 Litres of water for 500 horses Trích từ https://www.bmw- m.com/en/topics/magazine-article-pool/5-litres-of-water-for-500-horses.html ... 4000-5500 rpm Hệ thống làm mát động S55B30T0 2.1 Tổng quan Hệ thống làm mát S55B30T0 bao gồm làm mát cho động cơ; làm mát khí nạp; làm mát dầu bơi trơn H2.1 Hệ thống làm mát động S55B30T0 Két... 22 Bài tập lớn Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong – 2020-2021 Trang 1/22 Mở đầu Động đốt (IC) tỏa nhiều nhiệt hoạt động Để ngăn động bị động cơ, cần phải loại bỏ nhiệt Công việc hệ thống nước làm mát. .. - Làm mát động (engine cooling); - Làm mát tăng áp turbochargers; - Làm mát khí nạp 2.2 Hệ thống làm mát cho động (Engine cooling) H2.3 Bộ phận làm mát động Két nước phụ động cơ; Két nước động