GI Ớ I THI Ệ U CHUNG V Ề H Ệ TH ỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ
Mục đích và yêu cầu của hệ thống làm mát
1 1 Mục đích của hệ thống làm mát
Trong quá trình hoạt động của động cơ, khoảng 25–35% nhiệt lượng từ nhiên liệu cháy được truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy như piston, xecmăng, xupap, nắp xylanh và thành xylanh Do đó, các bộ phận này thường phải chịu nhiệt độ cao, với nhiệt độ đỉnh của pittông có thể đạt tới 600°C, trong khi nhiệt độ của nấm xupap cũng rất cao.
900 o C Nhiệt độ của các chi tiết máy cao gây ra những hậu quả xấu như:
- Phụ tải nhiệt làm giảm sức bền làm giảm sức bền, độ cứng vững và tuổi thọ của các chi tiết máy
- Do nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt của dầu bôi trơn nên làm tăng tổn thất ma sát
- Có thể gây bó kẹt piston trong cylinder do hiện tượng giản nở nhiệt
Động cơ xăng dễ bị hiện tượng cháy kích nổ, do đó việc làm mát động cơ là rất cần thiết để khắc phục hậu quả xấu Hệ thống làm mát có nhiệm vụ truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy đến môi chất làm mát, đảm bảo nhiệt độ các chi tiết không quá nóng cũng như không quá nguội Nếu động cơ quá nóng, sẽ xảy ra các vấn đề nghiêm trọng, trong khi nếu quá nguội sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt lớn cho dung dịch làm mát, làm giảm hiệu suất nhiệt và ảnh hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn Nhiệt độ thấp làm tăng độ nhớt của dầu, gây khó khăn cho lưu động, từ đó gia tăng tổn thất cơ giới và ma sát, ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và công suất của động cơ Hệ thống làm mát của động cơ hoạt động theo cơ chế tuần hoàn cưỡng bức.
1.2 Yêu cầu của hệ thống làm mát Đối với động cơ cũng như các động cơ lắp trên xe ô tô khách thì hệ thống làm mát phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Làm việc êm dịu, tiêu hao công suất cho làm mát bé
- Bảo đảm nhiệt độ của môi chất làm mát tại cửa ra van hằng nhiệt ở khoảng 83– 95 0 C và nhiệt độ của dầu bôi trơn trong động cơ khoảng 95– 115 0 C
- Bảo đảm động cơ làm việc tốt ở mọi chế độ và mọi điều kiện khí hậu cũng như điều kiện đường sá, kết cấu nhỏ gọn, dễ bố trí
1.3 Nhiệm vụ của hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát của động cơ có nhiệm vụ làm mát động cơ, máy nén và dầu bôi trơn
1.3.1 Làm mát động cơ và máy nén
Hệ thống làm mát có vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ ổn định cho động cơ trong suốt quá trình hoạt động Nó không chỉ giúp động cơ nhanh chóng đạt được nhiệt độ làm việc mà còn rút ngắn thời gian chạy ấm máy Bên cạnh đó, hệ thống làm mát còn hỗ trợ làm mát cho máy nén khí, góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của máy Nguồn nước làm mát cho máy nén khí được lấy từ đường nước chính của hệ thống làm mát động cơ.
1.3.2 Làm mát d ầu bôi trơn
Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt độ của dầu bôi trơn tăng lên không ngừng do các nguyên nhân cơ bản sau:
- Dầu bôi trơn phải làm mát các trục, tỏa nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát các ổ trục ra ngoài
Dầu bôi trơn tiếp xúc với các chi tiết máy có nhiệt độ cao như cò mổ, đuôi xupap và piston, do đó cần được làm mát để duy trì nhiệt độ ổn định và độ nhớt ít thay đổi Đường dầu bôi trơn được khoan song song với đường nước làm mát động cơ, giúp nước làm mát không chỉ làm mát động cơ mà còn hạ nhiệt độ cho dầu bôi trơn, đảm bảo hiệu suất bôi trơn tối ưu.
1.4 Nhiệt độ làm việc tối ưu của động cơ
Nhiệt độ nước làm mát động cơ từ 70 –80°C là vùng có suất tiêu hao nhiên liệu thấp
Nhiệt độ của nước làm mát tăng thì độ mòn xylanh giảm
Thực nghiệm cho thấy rằng, chất lượng nhiên liệu và dầu bôi trơn, cùng với đặc điểm cấu tạo của từng loại động cơ, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ Khi nhiệt độ tăng, các yếu tố này có thể tác động đến hiệu quả và độ bền của động cơ.
Nước làm mát trong khoảng 50°C–90°C có thể giúp tăng công suất động cơ từ 2,5–8% và giảm suất tiêu hao nhiên liệu từ 1,5–4 g/kW Nhiệt độ tối ưu của nước ra khỏi động cơ là 75–85°C; nếu cao hơn, có thể gây ra bọc hơi trong hệ thống tuần hoàn kín, làm giảm hiệu quả làm mát và tạo vùng nhiệt độ cao Đối với động cơ làm mát bằng nước kiểu một vòng hở, nhiệt độ nước ra không nên vượt quá 50–55°C để tránh kết cặn trên bề mặt lót xylanh, mặc dù đây không phải là chế độ nhiệt tối ưu cho động cơ.
Hình 1.1 Đồ thị quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu, độ mòn xylanh với nhiệt độ làm việc của động cơ
PHÂN LO Ạ I H Ệ TH Ố NG LÀM MÁT
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng
Trong hệ thống làm mát, nước đóng vai trò là môi chất trung gian để tải nhiệt từ các chi tiết Tùy theo tính chất lưu động của nước, hệ thống được phân loại thành ba loại chính: bốc hơi, đối lưu tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức.
2.1.1 H ệ th ố ng làm mát ki ể u b ốc hơi
Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi là loại đơn giản nhất Hệ thống này không cần bơm, quạt
Bộ phận chứa nước có hai phần - khoang nước bao quanh thành xylanh (8), khoang nắp xylanh (5) và thùng chứa
Hình 2.1 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi
1- Thùng nhiên liệ u; 2- Khoang chứa nước bốc hơi; 3,4 Xupap 5- Nắp xylanh;
6- Thân máy; 7- Piston 8- Xylanh; 9- Thanh truyền; 10 - Trục khuỷu;
Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi, với cấu trúc đơn giản và đặc tính lưu động đối lưu, được ứng dụng rộng rãi cho các động cơ đốt trong kiểu xylanh nằm ngang, đặc biệt là trên các máy nông nghiệp cỡ nhỏ.
Nhược điểm của hệ thống làm mát này là thất thoát nước nhiều và hao mòn xylanh không đều
2.1.2 H ệ th ố ng làm mát b ằng nướ c ki ểu đố i lưu tự nhiên
Trong hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên, nước di chuyển tuần hoàn nhờ sự chênh lệch áp lực giữa cột nước nóng trong động cơ và cột nước nguội trong thùng chứa hoặc két nước, mà không cần sử dụng bơm.
Hình 2.2 H ệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên 1- Đường nước; 2 - Xylanh; 3- Đường dẫn nước vào két làm mát; 4 -
Nắp két; 5- Két nước; 6 - Quạt gió; 7 - Đường nước làm mát động cơ
2.1.3 H ệ th ố ng làm mát tu ần hoàn cưỡ ng b ứ c
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức khắc phục nhược điểm về tốc độ lưu động của dòng nước, từ đó nâng cao hiệu quả làm mát Tốc độ lưu động được tăng cường nhờ bơm nước được lắp đặt trong hệ thống, được dẫn động từ trục khuỷu động cơ Hệ thống này rất phù hợp cho các động cơ có công suất lớn, đặc biệt là động cơ trên ô tô.
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức có ba loại sau:
1) Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng
Hình 2.3 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng
Hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng kín mang lại nhiều ưu điểm, trong đó nước sau khi qua két làm mát sẽ trở về động cơ, giúp giảm thiểu việc bổ sung nước Việc tái sử dụng nguồn nước này rất hiệu quả cho việc làm mát động cơ, đặc biệt là đối với các loại xe đường dài và ở những khu vực thiếu nước.
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng rất phổ biến trên động cơ ô tô, máy kéo và động cơ tĩnh tại, hình 2.3 và hình 2.4.
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng hoạt động bằng cách bơm nước làm mát có nhiệt độ thấp từ bình chứa dưới két nước qua các ống dẫn đến két làm mát dầu và sau đó vào động cơ Nước được phân phối đều cho các xylanh thông qua ống phân phối trong thân máy, giúp làm mát đồng đều cho mỗi xylanh Sau khi làm mát xylanh, nước tiếp tục làm mát nắp máy và thoát ra ngoài với nhiệt độ cao đến van hằng nhiệt Khi van mở, nước chảy vào bình chứa trên két nước, rồi đi qua các ống mỏng gắn cánh tản nhiệt, nơi nước được làm mát bởi không khí do quạt tạo ra Quạt này được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, và chu trình làm mát tuần hoàn được lặp lại khi nước có nhiệt độ thấp lại được bơm hút vào động cơ.
2) Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn hai vòng
Trong hệ thống này, quá trình làm mát nước tại két nước không sử dụng không khí do quạt gió tạo ra, mà thay vào đó là dòng nước có nhiệt độ thấp hơn, chẳng hạn như nước từ sông hoặc biển.
Hệ thống làm mát động cơ tàu thủy bao gồm hai vòng Vòng thứ nhất, hay còn gọi là vòng kín, sử dụng nước để làm mát động cơ thông qua hệ thống làm mát cưỡng bức Vòng thứ hai, gọi là vòng hở, sử dụng nước sông hoặc nước biển được bơm đến két làm mát để làm mát nước vòng kín, sau đó nước này được thải ra lại vào sông hoặc biển.
Hình 2.5 Hệ thống làm mát cưỡng bức kiểu hai vòng tuần hoàn
1- Đường nước phân phối; 2 - Thân máy; 3- Nắp xylanh; 4- Van hằng nhiệt; 5- Két làm mát; 6- Đường nước ra vòng hở; 7 - Bơm nước vòng hở;
8- Đường nước vào bơm nước vòng hở; 9 - Đường nước tắt về bơm vòng kín;
3) Hệ thống làm mát một vòng hở
Hệ thống làm mát kiểu này về mặt bản chất không khác nhiều so với hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng kín
Hình 2.6 Hệ thống làm mát một vòng hở
1- Đường nướ c phân ph ố i; 2- Thân máy; 3- N ắ p máy; 4- Van h ằ ng nhi ệ t; 5- Đường nướ c ra vòng h ở ; 6- Đường nước vào bơm; 7 - Đường nướ c n ố i t ắ t v ề bơm; 8 - Bơm nướ c
Hệ thống làm mát động cơ sử dụng nước sông hoặc biển được bơm vào để làm mát, sau đó xả ra lại sông, biển Mặc dù hệ thống này đơn giản, nhưng ở một số động cơ, nước làm mát có thể đạt nhiệt độ lên đến 100°C hoặc cao hơn, dẫn đến hiện tượng bốc hơi Hơi nước có thể hình thành ngay trong áo nước làm mát (bốc hơi bên trong) hoặc trong thiết bị riêng (bốc hơi bên ngoài) Do đó, việc thiết lập một hệ thống làm mát riêng cho động cơ là cần thiết.
Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao bao gồm hai loại chính: hệ thống làm mát cưỡng bức kiểu bốc hơi bên ngoài và hệ thống làm mát cưỡng bức sử dụng nhiệt hơi nước cùng nhiệt khí thải.
2.1.5 H ệ th ống làm mát cưỡ ng b ứ c nhi ệt độ cao ki ể u b ốc hơi bên ngoài
Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài bao gồm các thành phần chính như động cơ, van tiết lưu, bộ tách hơi, quạt gió và bộ ngưng tụ nước Các bộ phận này phối hợp với nhau để đảm bảo quá trình làm mát hiệu quả, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho hệ thống.
6- Không khí làm mat; 7- Bơm nước
Hệ thống này bao gồm hai vùng áp suất riêng biệt Vùng đầu tiên có áp suất p1 được truyền từ bộ tách hơi (3) qua bộ ngưng tụ (5) đến bơm tuần hoàn (7) Quạt gió cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Bộ ngưng tụ được làm mát bằng quạt (4), trong khi vùng thứ hai có áp suất p2 lớn hơn p1, dẫn từ bơm tuần hoàn qua động cơ đến van tiết lưu (2) của bình tách hơi (3), tạo ra độ chênh áp suất p = p.
1 được điều chỉnh bởi van tiết lưu (2) Nước trong vùng có áp suất cao p 2 không sôi
9 mà chỉ nóng lên (từ nhiệt độ t vào đến t ra ) Áp suất p 2 tương ứng với nhiệt độ sôi t 2 > t ra nên nước chỉ sôi ở bộ tách hơi có áp suất p 1 < p 2
2.1.6 H ệ th ống làm mát cưỡ ng b ứ c nhi ệt độ cao có l ợ i d ụ ng nhi ệ t c ủa hơi nướ c và nhi ệ t c ủ a khí th ả i Ưu điểm của hệ thống làm mát này là: Có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của động cơ lên 6 – 7 %, giảm được lượng tiêu hao hơi nước và không khí làm mát, do đó ta rút gọn được kích thước bộ tản nhiệt, đốt cháy được nhiều lưu huỳnh trong nhiên liệu này
Hệ thống làm mát có nhược điểm là nhiệt độ của các chi tiết máy cao, do đó cần đảm bảo khe hở công tác và sử dụng dầu bôi trơn chịu nhiệt tốt Đối với động cơ xăng, cần chú ý đến hiện tượng kích nổ Khi tăng áp suất để nâng nhiệt độ nước làm mát, cần đảm bảo các mối nối đường ống, khe hở của bơm kín hơn và bộ tản nhiệt chắc chắn hơn.
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống làm mát nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước và nhiệt của khí thải
1- Động cơ; 2 - Tuabin tăng áp; 3 - Đường thải; 4 - Bộ tăng nhiệt cho hơi nước;
5- Bộ tăng nhiệt cho nước ra; 6 - Bộ tăng nhiệt cho nước trước khi vào bộ tách hơi; 7,9 -
Van tiết lưu; 8 - Bộ tách hơi nước; 10 - Tuabin hơi; 11 - Bộ ngưng tụ;
12,14,15,16- Bơm nước; 13 - Thùng chứa nước
Hệ thống làm mát động cơ bằng không khí (gió)
Hệ thống làm mát của động cơ làm mát bằng gió bao gồm ba bộ phận chính: phiến tản nhiệt, quạt gió và bản dẫn gió Hệ thống này được chia thành hai loại: làm mát bằng không khí tự nhiên và làm mát bằng không khí cưỡng bức, sử dụng quạt gió để tăng cường hiệu quả làm mát.
2.2.1 H ệ th ố ng làm mát b ằ ng không khí ki ể u t ự nhiên
Hệ thống làm mát động cơ đơn giản gồm các phiến tản nhiệt trên nắp xylanh và thân máy Các phiến trên nắp xylanh thường được bố trí dọc theo hướng di chuyển của xe, trong khi các phiến ở thân máy thường vuông góc với đường tâm xylanh Hệ thống làm mát này phổ biến trong đa số động cơ môtô và xe máy.
Một số loại xe máy có động cơ nằm ngang thiết kế phiến tản nhiệt dọc theo tâm xylanh, giúp gió luân chuyển hiệu quả qua các rãnh giữa các phiến tản nhiệt.
Hệ thống làm mát kiểu tự nhiên lợi dụng nhiệt khi xe chạy trên đường để lấy làm mát các phiến tản nhiệt
Khi xe di chuyển lên dốc, chở nặng hoặc chạy chậm, động cơ thường bị quá nóng do hệ thống làm mát không hiệu quả Để khắc phục tình trạng này, giải pháp được đề xuất là sử dụng phương pháp làm mát bằng không khí kiểu cưỡng bức.
2.2.2 H ệ th ố ng làm mát không khí ki ểu cưỡ ng b ứ c
Hệ thống làm mát này có ưu điểm lớn là không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của xe, giúp đảm bảo làm mát hiệu quả cho động cơ ngay cả khi xe đứng yên Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là cấu trúc thân máy và nắp xy-lanh phức tạp, khó chế tạo do cách bố trí và hình dạng của các phiến tản nhiệt.
Hi ệ u qu ả làm mát c ủ a h ệ th ố ng ph ụ thu ộ c nhi ề u v ề hình d ạ ng, s ố lượ ng và cách b ố trí các phi ế n t ả n nhi ệ t trên thân máy và n ắ p xylanh
