Hệ thống làm mát (cooling system) giới thiệu chung về hệ thống làm mát trên động cơ ô tô

Như vậy nếu khônglàm mát hay làm mát không đủ các chi tiết đó bị nóng lên quá nhiệt độ chophép dẫn đến các tác hại: Ứng suất nhiệt lớn, làm giảm sức bền, giảm độ cứngvững và tuổi thọ của

B CÁC HỆ THỐNG TRÊN ĐỘNG CƠ XT4-023

PHẦN 2: HỆ THỐNG LÀM MÁT (COOLING SYSTEM)

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống làm mát trên động cơ ô tô.

Hệ thống làm mát là tập hợp những chi tiết có chức năng giải nhiệt chođộng cơ, hộp số,… khi động cơ bị quá nhiệt và chống đông, khởi động đượctrong điều kiện quá lạnh

Trong quá trình làm việc của động cơ, khi nhiên liệu cháy trong xi lanhcủa động cơ có một nhiệt lượng lớn tỏa ra, một phần chuyển thành công, phầncòn lại tỏa ra ngoài không khí, hoặc các chi tiết tiếp xúc với khí cháy tiếp nhận( xi lanh, piston, nắp xilanh, xupap tải, vòi phun ) mặt khác nhiệt lượng sinh

ra do ma sát giữa các bề mặt làm việc của các chi tiết động cơ

Nhiệt lượng truyền cho các chi tiết tiếp xúc với các khí cháy chiếmkhoảng 25 – 35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra Như vậy nếu khônglàm mát hay làm mát không đủ các chi tiết đó bị nóng lên quá nhiệt độ chophép dẫn đến các tác hại: Ứng suất nhiệt lớn, làm giảm sức bền, giảm độ cứngvững và tuổi thọ của các chi tiết, làm giảm độ nhớt của dầu nhờn gây ra tăngtổn thất ma sát, có thể gây bó kẹt nhóm piston vì giản nở, giảm lượng khí nạpvào xi lanh, ở động cơ xăng dễ cháy kích nổ

Để khắc phục hậu ra nêu trên đây, trên động cơ đốt trong cần thiết phải có

hệ thống làm mát Hệ thống làm mát có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyềnnhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy đến môi chất làm mát đảm bảo cho cácchi tiết không nóng quá nhưng cũng không nguội quá Trên động cơ XT4-023

sử dụng hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức, giúp làm giảm đi một phầnnhiệt lượng do nhiệt độ sinh ra trong quá trình đốt cháy trong xi-lanh

2.2 Nhiệm vụ và yêu cầu:

2.2.1 Điều kiện làm việc

Hệ thống làm mát (HTLM) động cơ là một trong những hệ thống chínhcủa động cơ đốt trong Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệttruyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy (piston, xec-măng, xupap, nắpxilanh, thành xilanh,…) chiếm 25÷35% nhiệt lượng trong buồng cháy tỏa ra

Vì vậy, các chi tiết đó thường bị đốt nóng mảng liệt như: nhiệt độ đỉnh piston

có thể lên đến 6000C, còn nhiệt nấm xupap có khi lên đến 9000C

Tác hại khi động cơ bị quá nhiệt:

Nhiệt độ các chi tiết động cơ cao sẽ gây ra các hậu quả xấu như:

Phụ tải nhiệt của các chi tiết động cơ lớn, làm giảm sức bền, độ cứngvững và tuổi thọ của chúng,

Do nhiệt độ cao, độ nhớt dầu bôi trơn giảm nên tổn thất ma sát tăng

Có thể hây kẹt bó piston trong xilanh do hiện tượng giãn nở nhiệt

2.2.3 Yêu cầu:

Để khắc phục các hậu quả trên, cần thiết phải làm mát động cơ Hệ thốnglàm mát động cơ có nhiệm vụ nhận nhiệt từ khí cháy truyền qua thành buồngcháy( thành vách xilanh) thông qua môi chất làm mát để đảm bảo nhiệt độ cácchi tiết không quá nóng cũng không quá nguội

Quá nóng sẽ gây ra các hiện tượng xấu ở các tác hại nói trên, còn quánguội cũng không tốt Vì rằng quá nguội có nghĩa là động cơ được làm mát quánhiều, nhiệt lượng dùng để sinh công ít do đó hiệu suất động cơ nhỏ Mặt khác,

Hình 2.1B Piston hoạt động trong điều kiện quá nhiệt

do nhiệt độ động cơ quá thấp, độ nhớt của dầu nhờn tăng tăng, khiến cho dầunhờn khó lưu động vì vậy làm tăng tổn thất cơ giới, và tổn thất ma sát

Hơn nữa khi nhiệt độ thành xilanh quá thấp, nhiên liệu sẽ ngưng tụ trên

bề mặt xilanh làm cho màng dầu bôi trơn sẽ bị nhiên liệu rửa sạch Nếu trongnhiên liệu có nhiều thành phần lưu huỳnh thì có thể tạo ra các axit do sự kếthợp giữa khí cháy, nhiên liệu và hơi nước ngưng tụ trên bề mặt thành xilanh, từ

đó ăn mòn bề mặt kim loại của các chi tiết trong động cơ

 Tiêu hao ít công suất cho làm mát

 Kết cấu của hệ thống làm mát phải gọn nhẹ

 Đơn giản dễ chế tạo và lắp ráp sửa chữa; vật liệu phải đảm bảo truyềnnhiệt tốt nhưng rẻ tiền

 Cường độ làm mát phải đảm bảo không để các chi tiết của động cơkhông quá nóng hoặc quá nguội

 Nếu nóng độ nhớt dầu bôi trơn giảm, ma sát tăng, có thể do giãn nởnhiệt mà bó pittông, dễ kích nổ đối với động cơ xăng, gây các phụ tảinhiệt làm giảm độ cứng, độ bền và tuổi thọ của chi tiết của động cơ Từ

đó tính kinh tế của động cơ sẽ bị giảm một cách đáng kể!

2.3 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống:

2.3.1 Sơ đồ

2.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát:

Khi mới khởi động (động cơ bị nguội) Nước làm mát được bơm hút từkét qua ổng phân phối đi vào các khoang chứa của các xilanh Lúc này nhiệt độnước làm mát chưa cao mà yêu cầu cần thiết là động cơ phải được làm nóngnhanh chóng, Vì khi động cơ quá nguội, rất khó khởi động vì quá trình bay hơihòa trộn của nhiên liệu rất kém, hơn nữa nếu lõi sưởi (giàn nóng) bị đóng nước

sẽ rất khó tuần hoàn về lại bơm nên ở đây giải pháp cho vấn đề này là mộtđường vòng cho phép nước làm mát chảy xung quanh động cơ và quay trở lạiđầu vào của máy bơm, bất cứ khi nào van hằng nhiệt đóng Điều này sẽ giúpnước được tuần hoàn lại nhanh chóng giúp động cơ nhanh ấm lên và dễ khởiđộng hơn

Khi động cơ làm việc sau một thời gian nhất định, động cơ sẽ nóng lên doquá trình đốt cháy nhiên liệu bên trọng buồng cháy, lúc này động cơ chúng tacần phải nhanh chóng được làm mát, nếu không sẽ ảnh hưởng đến các chi tiếtbên trong động cơ, cũng như hiệu quả bôi trơn của dầu bôi trơn Khi nhiệt độnước làm mát đạt trên 820C (thống số ghi trên van hằng nhiệt của nhà sản xuất)lúc này van hằng nhiệt dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ tự động mở, nước đượctuần hoàng từ bơm → thân máy → nắp máy →két nước (két làm mát) →bơm Nước chảy qua két nước sẽ theo các đường ống kim loại di chuyểnxuống phía dưới két, tại vị trí này nhờ có quạt làm mát giúp tăng lượng không

Hình 2.2B Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát động cơ XT4-023

khí lưu thông qua két, giúp quá trình làm mát được nhanh chóng và tối ưu Quátrình này lặp đi lặp lại trong suốt quá trình động cơ hoạt động.

2.4 Phân tích đặc điểm kết cấu

Trên động cơ XT4-023, để tăng tốc độ lưu lượng của nước ta dùng bơmđặt trên đường nước của hệ thống làm mát, do vậy nước tuần hoàn được là docột áp của bơm tạo ra Vì vậy gọi là tuần hoàn cưỡng bức

2.4.1 Két làm mát:

 Két làm mát kiểu “nước-không khí” Két nước là bộ phận có nhiều lớp lákim loại xếp sát nhau như mang cá Cấu trúc này giúp tăng tối đa diệntích và không gian cho nước mát chảy qua Về cấu tạo cơ bản của hệthống làm mát, nước làm mát sau khi tiếp xúc với động cơ sẽ nhận nhiệtlượng và nóng lên, sau đó theo các đường ống chạy về két nước Tạiđây, két nước có quạt tản nhiệt cộng gió tự nhiên làm mát lượng nướcvừa tới và tiếp tục quay trở lại động cơ làm mát tiếp theo một vòng khépkín

+Trên động cơ ô tô, máy kéo, két làm mát gồm 3 phần: ngăn trên chưanước nóng, ngăn dưới chứa nước nguội vào làm động cơ, giữa là đường ốngtruyền nhiệt Dàn truyền nhiệt là bộ phận quan trọng nhất của két nước Hiệusuất truyền nhiệt phụ thuộc vào tốc độ lưu động của hai dòng môi chất Vì vậy

để tăng hệ số truyền nhiệt, phía sau két nước thường được bố trí quạt gió đểhút gió đi qua giãn ống truyền nhiệt

+ Kích thước bên ngoài và hình dáng của két làm mát phụ thuộc vào bốtrí chung nhưng tốt nhất là chọn bề măt đón gió của két nước có dạng hìnhvuông để cho tỷ lệ giữa diện tích chém gió và quạt hút đặt sau két làm mát vàdiện tích gió của két gần đến 1

+ Đánh giá chật lượng làm mát của két bằng hiệu quả tản nhiệt mát cao,tức là hệ số truyền nhiệt bộ phận tản nhiệt lớn, công suất tiêu tốn để dẫn độngbơm và quạt gió ít…

Nói chung nó phụ thuộc vào 3 yêu tố sau:

- Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu làm két

- Khả năng truyền nhiệt đối lưu

- Kết cấu của két

+ Giải quyết vấn đề thứ nhất bằng cách chọn vật liệu làm ống và lá tản nhiệt + Vấn đề thứ hai là tăng tốc của môi chất làm mát (nước) Nhưng phải đảm bảocông suất tiêu hao cho dẫn động bơm không quá lớn

+ Vấn đề thứ ba bao gồm chọn hình dáng và kích thước của ống lá tản nhiệt vàcách bố trí ống trên két

Hình 2.3B Két nước động cơ XT4-023

1 Nắp; 2 Vòng đàn hồi; 3 Lò xo van; 4 Thân của van hơi nước; 5 Đĩa cao su của van xả; 6 Đệm cao su của van xả; 7 Mũ của can không khí; 8 Lò xo van không khí; 9 Vòng đệm van không khí; 10 Thân của van không khí; 11 Vòng đệm; 12 Lỗ thoát hơi nước

Hình 2.5B Kết cấu chung của nắp két nước

2.4.2 Nắp két nước:

Nắp két được thiết kế kín để giảm thất thoát nước làm mát do bay hơi.Nắp két nước có 2 van: van áp suất và van chân không Khi nhiệt độ nước làmmát tăng lên, áp suất trong bình cũng tăng lên, van áp suất sẽ mở ra cho phépnước làm mát chảy vào bình phụ, do đó áp suất sẽ giảm xuống Khi nhiệt độnước làm mát thấp và áp suất trong bình thấp, van chân không sẽ mở, cho phépnước từ bình phụ chảy vào bình

Hình 2.4B Nắp két nước làm mát

Khi áp suất của hệ thống làm mát tăng lên, điểm sôi của nước cũngtăng cao hơn 1000C Sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước làm mát và bên ngoàităng, nước càng nóng thì khả năng truyền nhiệt thì khả năng truyền nhiệt rakét nước cảng nhanh Tùy áp suất của hệ thống làm mát củng làm tăng hiệuquả bơm nước

Ở động cơ nắp két nước có hai van, có một van không khí và một vanhơi Van hơi dùng để khống chế áp suất dư ở hệ thống làm mát trong giớihạn 0,28 ÷ 1KG/cm2, như vậy sẽ nâng cao nhiệt độ sôi của nước lên khoảng119°C và giảm bởi sự hao hụt của nước do bốc hơi Khi áp suất tiếp tục tăngcao, van hơi mở và hơi qua ống thoát xã ra ngoài Van không khí nối thông

hệ thống làm mát với không khí bên ngoài sau khi động cơ nguội để đềphỏng két nước bị vỡ do hiện tượng giảm áp sinh ra

2.4.3 Bơm nước làm mát:

Nhiệm vụ của bơm nước là tạo ra sự tuần hoàn của nước trong hệ thốnglàm mát bằng nước với lưu lượng cần thiết cho chế độ làm mát với tần suấttuần hoàn khoảng 7 12 lần trên phút

Bơm là loại bơm ly tâm, nguyên lý làm việc của nó là lợi dụng lực ly tâmcủa nước nằm giữa các bánh đà dồn nước từ trong ra ngoài rồi đi làm mát Puli

13 được dẫn động từ trục khuỷu, qua trục bơm 3 sẽ dẫn động cánh quạt củabơm nước, còn máy của quạt gió được gắn qua khớp điện từ, khi nhiệt độ củanước làm mát lên đến 900C thì sẽ được đóng điện làm việc và sẽ ngắt khi nhiệt

độ dưới 850C

Kết cấu của bơm nước lắp trên xe ở mặt đầu của thân, dẫn động quay củabơm nước nhờ đai truyền và buli Nắp và thân bơm chế tạo bằng gang Cánhbơm chế tạo bằng chất dẻo Trục bơm đặt trên hai ổ bi cầu, để bao kín dầu mởbôi trơn ổ bi ta dùng phớt và ban kín nước ta cũng dùng phớt

2.4.4 Kết cấu quạt gió

Trong hệ thống làm mát bằng nước dùng két làm mát bằng không khí,quạt dùng để tăng tốc độ của không khí qua két nhằm nâng cao hiệu quả làmmát Quạt gió là loại quạt hướng trục

- Đánh giá chất lượng của quạt bằng hai chỉ tiêu:

+ Năng suất của quạt

+ Công suất tiêu tốn cho quạt

Hai chỉ tiêu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Số vòng quay củaquạt, kích thước của cánh, góc nghiêng của cánh và vị trí tương quan giữa quạt

và két làm mát

+ Tăng góc nghiêng của cánh và tăng số vòng quay của quạt đều làm cho côngsuất dẫn động quạt tăng nhanh (hàm mũ bậc 3 theo số vòng quay) Thường đốivới loại cánh phẳng chọn góc nghiêng từ 400…450, cánh lồi 380

+ Tăng đường kính quạt và tăng chiều rộng cánh quạt có làm cho lưu lượngtăng nhưng công suất dẫn động quạt tăng mãnh liệt, vì vậy đối với động cơ ô tômáy kéo thì đường kính không vượt quá 0,65m và chiều rộng không vượt quá70mm

+ Khoảng cách từ quạt đến két phụ thuộc vào việc tổ chức dòng khí làm máttiếp các bộ phận dưới nắp mui xe:

- Dài 80 ÷100 mm nếu có bán dẫn hướng

- Không quá 10 ÷15 mm nếu không bán dẫn hướng gió

- Số cánh không vượt quá 8

+ Quạt dẫn động bằng đai truyền hình thang, tốc độ của đai không vượt quá 30

÷35 (m/s) Tỷ số truyền động nằm trong khoảng 1 ÷1,3

2.4.5 Van hằng nhiệt.

Hình 2.6B Kết cấu bơm nước làm mát động cơ XT4-023

Van hằng nhiệt chỉ là một bộ phận nhỏ trong hệ thống làm mát của động

cơ xe ô tô Tuy nhiên, đây lại là chi tiết tác động đến việc ổn định nhiệt độ củađộng cơ, giúp tiết kiệm nhiên liệu, gia tăng tuổi thọ và độ bền cho xe

Van hằng nhiệt ô tô thường được lắp trên đường ống dẫn từ động cơ đếnkét nước Bộ phận này có công dụng điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát củađộng cơ đến một mức ổn định bằng cách khống chế lượng chất lỏng này đi quakét làm mát

 Cấu tạo van hằng nhiệt:

 Van chính: Các van chính giúp kiểm soát dòng chảy của nước làm mát

trong động cơ Khi nhiệt độ trong hệ thống làm mát tăng lên, van sẽ dần

mở ra và xả nhiều nước làm mát hơn đến bộ tản nhiệt

 Van thứ cấp: Khi van thứ cấp mở, nước làm mát sẽ đi qua bộ tản nhiệt

và lưu thông theo một chu trình khép kín Trường hợp nhiệt độ nước làmmát tăng lên, van này sẽ đóng lại và nước làm mát được dẫn đến bộ tảnnhiệt động cơ Động cơ sẽ nhanh chóng nóng lên nếu nước làm mátkhông di chuyển đến bộ tản nhiệt kịp thời

 Xi lanh nạp: Khi nhiệt độ nước làm mát động cơ tăng lên, xi lanh nạp

đầy sáp (một loại sáp đặc biệt có thể giãn nở theo nhiệt) bắt đầu tan chảy(chuyển từ dạng rắn sang dạng lỏng) Sự nóng chảy này sẽ làm cho vanchính mở ra, nước làm mát dẫn trực tiếp vào bộ tản nhiệt Trường hợpnước làm mát thấp, sáp ở trạng thái rắn thì van xả của bộ tản nhiệt sẽ

mở

 Con dấu: Một con dấu được sử dụng để ngăn chặn bất kỳ dòng chảy

không mong muốn nào đi qua van chính của bộ tản nhiệt Ngoài ra, đểcon dấu hoạt động chính xác thì vị trí đặt phải sạch sẽ, gọn gàng

Hình 2.7B Van hằng nhiệt động cơ XT4-023

Hình 2.9B Bình nước phụ động cơ XT4-023

 Lò xo: Khi nhiệt độ nước làm mát giảm xuống dưới một mức quy định

(khoảng dưới 87 độ C) thì lò xo này sẽ đưa van chính trở về vị trí đóng

2.4.6 Bình nước phụ

Nắp bộ tản nhiệt cũng giống như hệ thống thoát khí của nồi áp suất Khi

bộ tản nhiệt nóng, áp lực bên trong tăng lên, nó sẽ làm một phần nước làm mát

bị tràn ra khỏi nắp Phần nước làm mát bị tràn này sẽ đi vào bình nước phụ.Khi hệ thống nguội, nước làm mát được lưu trữ trong bình nước phụ sẽ quay lại

bộ tản nhiệt khi áp suất giảm Sau khi chất lỏng này chảy ngược trở lại bộ tảnnhiệt, bình nước phụ sẽ thường chỉ để lại 1/3 nước làm mát Do đó, bình nướcphụ hoạt động giống một cái chai để chứa nước làm mát dư thừa

Hình 2.8B Đường nước dẫn ra bình nước phụ

Bất kỳ sự rò rỉ hoặc nứt vỡ nào trong bình nước phụ đều có thể khiếnđộng cơ dễ bị quá nhiệt Khi xe nổ máy và nóng lên, nước làm mát sẽ chảy vàobình nước phụ Nếu có rò rỉ nước làm mát sẽ bị thất thoát ra ngoài Cuối cùng,không có nước làm mát đi qua các ống dẫn và động cơ sẽ không được giảinhiệt trong khi đang hoạt động.

Bình nước phụ được làm bằng nhựa, nên nó rất dễ bị nứt Đặc biệt nếu xecủa bạn từng gặp một tai nạn nhỏ Nếu nhận thấy dấu hiệu rò rỉ nước làm mát,hãy kiểm tra bình nước phụ và thay thế ngay lập tức để tránh gây ra những hưhỏng nghiêm trọng

2.4.7 Giàn nóng (Heater core)

Lõi sưởi hay giàn nóng là một bộ tản nhiệt nhỏ làm ấm cabin ô tô bằngcách sử dụng chất làm mát từ động cơ.Các ống của hệ thống làm mát luânchuyển chất lỏng làm mát qua giàn nóng giống như chúng đi qua động cơ và bộtản nhiệt làm mát lớn phía sau lưới tản nhiệt của xe

Kết cấu lỏi sưởi

Có kết cấu gần tương tự như két nước, cũng gồm các cảnh tản nhiệt kimloại thường làm bằng nhôm để tránh bị gỉ, gồm hai đường nước vào ra

Hình 2.10B Giàn nóng trên hệ thống làm mát

2.5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM MÁT

2.5.1 Xác định lượng nhiệt từ động cơ truyền cho nước làm mát

Nhiệt độ từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần bằng số nhiệtlượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lượng nhiệt truyền cho hệthống làm mát của động cơ xăng chiếm khoảng 20  30% tổng số nhiệt lượng

do nhiên liệu toả ra Nhiệt lượng Qlm có thể tính theo công thức kinh nghiệm

156612

3,74( / ) 4187.10

lm lm

- C nlà tỷ nhiệt của nước làm mát (J/kg.độ);

- Nước: C  n 4187J/kg.độ

- T n Hiệu nhiệt độ nước vào và ra bộ tản nhiệt

- Đối với ô tô ta chọn T n  5 100C ta chọn T n 100C