Giáo trình động cơ đốt trong 2 - Chương 8 docx

Nhiệt độ nước làm mát Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy piston, xécmăng, xupáp nắp xylanh, thành xylanh chiếm khoản

Chương 8 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống làm mát

Chương 8

TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT

I YÊU CẦU TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÀM MÁT

I.1 Nhiệt độ nước làm mát

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xécmăng, xupáp nắp xylanh, thành xylanh) chiếm khoảng 25  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra Vì vậy các chi tiết đó thường bị đốt nóng mãng liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 6000C, còn nhiệt độ nấm xupap có thể lên tới 9000C

Hệ thống làm mát động cơ có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy đến môi chất làm mát để đảm bảo cho nhiệt độ các chi tiết không quá nóng nhưng cũng không quá nguội

Nhiệt độ của nước làm ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và công suất động

cơ Trên hình 8.1 trình bày quan hệ của suất tiêu hao nhiên liệu, độ mòn xylanh với nhiệt độ của nước làm mát Nhìn vào đồ thị ta thấy:

- Nhiệt độ nước làm mát động cơ từ 70 ÷ 80oC 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, tùy theo đặc điểm cấu tạo của từng loại động cơ cụ thể, chất lượng nhiên liệu và dầu bôi trơn, cùng một số các yếu tố khác thì nhiệt độ tối ưu của nước từ động cơ ra nằm trong khoảng từ (75 ÷ 85)oC

I.2 Lưu lượng nước làm mát

Trong hệ thống làm mát bằng nước, bơm nước có nhiệm vụ cung cấp nước cho hệ thống với lưu lượng và áp suất nhất định để đảm bảo được hiệu quả làm mát tốt nhất cho động cơ làm việc ở mọi chế độ

Tiêu hao nhiên liệu

(g/ml.h)

T o C

165

170

175

180

Toàn tải

Độ mòn xylanh (mm/1000h)

60 70 80 90 T o C

0 0,02 0,04 0,06

0,08

1

Hình 8.1 Đồ thị quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu, độ mòn xylanh với

nhiệt độ làm việc của động cơ

75% tải 50% tải

Động cơ hai kỳ

Động cơ bốn kỳ Chế độ tối ưu

Trong quá trình tính toán xác định lưu lượng nước trong hệ thống làm mát phải lưu ý: lưu lượng nước làm mát lệ thuộc vào nhiệt lượng do nước mang đi làm mát và chênh lệch nhiệt độ của nước trong động cơ tuỳ theo từng chế độ làm việc của động cơ

Lưu lượng của nước làm mát tuần hoàn cần cho các loại động cơ thay đổi trong phạm vi:

68  245 (l/kWh) với số lần tuần hoàn từ 7 đến 12 lần/phút

I.3 Lý thuyết về bơm ly tâm

Bơm ly tâm được dùng rất nhiều trong hệ thống làm

mát của động cơ ôtô máy kéo, động cơ tĩnh tại và tàu thủy

Hình 8.2 giới thiệu kết cấu loại bơm nước thường dùng

trong hệ thống làm mát của động cơ ôtô Loại bơm ly tâm này

có đặc điểm cùng chung một trục với quạt gió và bao giờ cũng

bố trí ở đầu của thân máy

Vỏ bơm chế tạo bằng gang hay bằng hợp kim nhôm có

mặt bích lắp ghép với mặt đầu của thân máy, cánh bơm cũng

chế tạo bằng cùng một loại vật liệu như vỏ bơm hoặc bằng

đồng và đôi khi bằng chất dẻo

Để đảm bảo hiệu suất của bơm khe hở hướng kính giữa

bánh công tác và thân bơm không lớn hơn 1mm và khe hở

chiều trục không quá 0,2mm Khi trục của bơm quay, dưới tác

dụng của lực ly tâm các phân tử nước bị dồn từ trong ra ngoài với áp suất cao nên nước được bơm đi Trong động cơ ôtô, cột áp toàn phần của bơm khoảng 0,05 ÷ 0,15 MN/m2 Tốc độ của nước vào bơm đối với bơm một tầng, không quá 2,5 ÷ 3m/s Trục bơm và quạt gió (chung trục) lắp với bánh đai truyền (puly) và được dẫn động bằng đai truyền hình thang với tỷ số truyền từ trục khuỷu đến trục bơm khoảng 1 ÷ 2

Công suất dùng để dẫn động bơm chiếm khoảng (0,005 ÷ 0,01)Ne

I.4 Xác định công suất và kích thước của bơm

Lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống làm mát phụ thuộc vào nhiệt lượng do nước làm mát mang đi và chênh lệch nhiệt độ của nước trong động cơ, xác định theo công thức:

t t c

Q G

G

nv nr n

m 1 n

m 1





Trong đó: Q1m – nhiệt lượng truyền cho nước làm mát (J/s)

cn – tỷ nhiệt của nước (J/kg.độ)

tnr, tnv – nhiệt độ của nước ra và nhiệt độ của nước vào động cơ

Sau khi xác định lượng nước làm mát tiêu hao Gn, ta có thể xác định lượng kích thước cơ bản của bơm nước

Lưu lượng của bơm nước xác định theo công thức:



b

G

Hình 8.2 Bơm nước kiểu ly tâm

Ổ bi

Trục bơm

Bánh công tác

Phớt ngăn nước

Vỏ bơm

Trong đó:  – hệ số tổn thất của bơm,   0,80,9.

Xác định kích thước của bơm chủ yếu phải căn cứ vào sự chuyển động của chất lỏng trong bơm Đối với loại bơm ly tâm các phần tử chất lỏng đồng thời tham gia hai chuyển động

- Chuyển động theo: nước quay cùng cánh bơm với vận tốc u (tại điểm vào A vận tốc là u ; 1 tại điểm ra B vận tốc là u2 )

- Chuyển động tương đối theo hướng tiếp tuyến với cánh quạt có vận tốc  (tại A vận tốc tương đối là  , tại B vận tốc tương đối là 1  ) 2

Như vậy phân tử nước sẽ chuyển động với vận tốc tuyệt đối là:





 u c (tại A có vận tốc tuyệt đối c ; tại B có vận tốc tuyệt đối là 1 c ) 2

Lỗ nước vào bơm phải đảm bảo cung cấp đủ lượng nước tính toán cần thiết, kích thước của nó được tính theo công thức :

n 1

b 2

0 2 1 1

c

G r

r f









Trong đó: Gb – lượng nước tính toán của bơm (kg/s)

r1 – bán kính trong của bánh công tác (m)

r0 – bán kính ở bánh công tác (m)

c1 – vận tốc tuyệt đối của nước khi đi vào cánh, (bằng 2  5 m/s)

n – mật độ nước (kg/m3)

Từ phương trình (8-3) ta rút ra: 2

0 n 1

b

c

G





Hình 8.3 Sơ đồ tính toán bơm ly tâm

b1 b1

r1

ro

d

2

w2

2 u2

1 w1

2

L

E

A

r2 r1

ro

u1

1 = 90o

B

c1

O

Trị số bán kính ngoài r2 của bánh công tác được xác định từ vận tốc vòng u2 ở điểm B

b 2 2

gH g

cot tg 1 v









vậy

b 2 b

2 2

n

u 30 u

r







Trong đó: 1, 2 – góc giữa các phương của vận tốc c và 1 u , 1 c và 2 u 2

(thường thì 1= 900 và 2 = 8  120

)

2

1,

 – góc giữa các phương của vận tốc tương đối  với phương của u theo

hướng ngược lại (ở A có  , ở B có 1  ); 2

2  1215

 , khi tăng  thì cột nước do bơm tạo nên sẽ tăng) 2

g – gia tốc trọng trường g = 9,18 m/s2

H – cột áp của bơm (m)

b – hiệu suất của bơm b = 0,6 – 0,7

nb – số vòng quay của bánh công tác (vg/ph)

1  90

 , khi đó xác định theo công thức : 1

1 2

2 1 1

1 1

r u

r c u

c

Trị số của  nằm trong khoảng 40  551 0 cũng có thể nhỏ hơn

Quan hệ giữa tốc độ vòng u1, u2 biểu thị theo biểu thức sau:

2

1 2 1

r

r u

Chiều cao của cánh bơm ở lối vào và lối ra được xác định theo công thức:





















1

1 1

1 n

b 1

sin Z r 2 c

G





















2

2 2

r

b 2

sin Z r 2 c

G

Trong đó: 1, 2 – chiều dày của cánh ở lối vào và lối ra, (m) (1 = 2 = 3 = 3 5 mm)

cr – tốc độ ly tâm của nước ở lối ra (m/s)

2 b 2 2 2

u

H sin

c

Z – số cánh của bánh công tác thường Z = 4  8

Các bơm đặt trong động cơ ô tô máy kéo ngày nay thường có:

b1 = (12  35) mm b2 = (10  25) mm Sau khi đã có giá trị kích thước có thể tiến hành thiết kế dạng cánh bơm theo trình tự sau đây:

- 1/ Vẽ hai vòng tròn đồng tâm có bán kính r1 và r2

- 2/ Trên vòng của r2, lấy điểm B, qua B, dựng góc EBO  2 (hình 8.3)

- 3/ Từ tâm O, kẻ một đường cắt vòng r1 ở K sao cho OK làm với OB một góc 1  2

- 4/ Kéo dài đường BK, cắt vòng r1 tại A

- 5/ Vẽ đường trung trực LE của đoạn AB, đường trung trực đó gặp BE tại E

- 6/ Điểm E là tâm của cung tròn qua AB (dạng của cánh bơm), bán kính mayơ ở bánh công tác r0 = OE

Lưu lượng của bơm và cột áp do bơm tạo ra phụ thuộc rất nhiều vào dạng của cánh bơm

II TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÀM MÁT BẰNG NƯỚC

II.1 Tính toán lưu lượng nước tuần hoàn

Khi tính toán hệ thống làm mát ta thường tính ở chế độ công suất cực đại

Đối với hệ thống làm mát bằng nước, ở trạng thái nhiệt ổn định; nhiệt độ từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, vì số nhiệt lượng tản trên các ống dẫn nước ra vào chiếm khoảng 2 ÷ 3% nên có thể bỏ qua

Lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động cơ xăng dùng chế hoà khí chiếm khoảng

20 ÷ 30% còn của động cơ Diesel khoảng 15 ÷ 25% tổng số nhiệt lượng do nhiên liệu tỏa ra Nhiệt lượng từ động cơ truyền cho môi chất làm mát (Qlm) có thể tính theo phương trình cân bằng nhiệt:

Hoặc cũng có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau:

Trong đó: Qo – Nhiệt lượng tổng cộng đưa vào động cơ khi động cơ làm việc ở trạng thái

phụ tải đã cho

Qe – Nhiệt lượng tương đương với công có ích của động cơ

Qth – Nhiệt lượng do khí thải đem ra ngoài

Qch – Nhiệt lượng tổn hao do cháy không hoàn toàn

Qd – Nhiệt lượng truyền cho dầu bôi trơn

Qcl – Nhiệt lượng của các tổn thất nhiệt khác

q’lm – lượng nhiệt truyền cho nước làm mát ứng với 1 đơn vị công suất trong 1 đơn vị thời gian (J/kW.s)

Ne – công suất có ích của động cơ (kW)

- Đối với động cơ xăng dùng chế hoà khí có thể lấy:

q’lm = 1263 ÷ 1360 (J/kW.s)

- Đối với động cơ Diesel:

q’lm = 1108 ÷ 1138 (J/kW.s) Sau khi đã xác định trị số Qlm, ta có thể xác định lượng nước Glm tuần hoàn trong hệ thống trong 1 đơn vị thời gian theo biểu thức sau :

n n

lm lm

t c

Q G



Trong đó: cn – tỷ nhiệt của nước làm mát (J/kg.độ)

 Trị số cn của nước: cn = 4,187 (J/kg.độ)

 Trị số cn của êtylen glucon: cn = 2.093 (J/kg.độ)

Ätn – hiệu nhiệt độ nước vào và nước ra bộ tản nhiệt: (Ätn = tnv – tnr)

 Đối với động cơ ôtô máy kéo: Ätn = (5 ÷ 10)0C

 Động cơ tàu thủy dùng với hệ thống làm mát hở: Ätn = (15 ÷ 20)0C

 Động cơ tàu thủy dùng hệ thống làm mát kín : Ätn = (7 ÷ 15)0C

II.2 Tính toán két nước

Tính toán két nước bao gồm việc xác định bề mặt tản nhiệt để truyền nhiệt từ nước vào môi trường xung quanh Xác định kích thước của mặt tản nhiệt dựa trên cơ sở lý thuyết truyền nhiệt Két nước tản nhiệt của động cơ ôtô máy kéo có một mặt tiếp xúc với nước nóng và mặt kia tiếp xúc với không khí Do đó truyền nhiệt từ nước vào không khí là sự truyền nhiệt từ môi chất này đến môi chất khác qua thành mỏng Như vậy quá trình truyền nhiệt có thể phân làm ba giai đoạn ứng với ba phương trình truyền nhiệt sau:

- Từ nước đến mặt thành ống bên trong:

 n 1

1 1

lm F.t t

- Qua thành ống :

 1 2

1

- Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí:

 2 kk

2 2

Trong đó: Qlm – nhiệt lượng của động cơ truyền cho nước làm mát (J/s), bằng nhiệt lượng

do nước dẫn qua bộ tản nhiệt

1 – hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống bộ tản nhiệt (W/m2.độ)

 – hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống tản nhiệt (W/m.độ)

 – chiều dày của thành ống (m)

2 – hệ số tản nhiệt từ thành ống của bộ tản nhiệt vào không khí, (W/m2.độ) F1 – diện tích bề mặt tiếp xúc với nước nóng (m2)

F2 – diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí (m2)

t1,t2 – nhiệt độ trung bình của bề mặt trong và ngoài của thành ống

tn,tkk – nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong bộ tản nhiệt và không khí đi qua bộ tản nhiệt

Giải các phương trình, ta được:

 n kk 2 n kk

2

2 1 2 1

2 1

1 F

F F

F 1

1















Trong đó:

2 1 2 1

2 1

1 F

F F

F 1

1 k















 là hệ số truyền nhiệt của két nước

Diện tích F2 thường lớn hơn diện tích F1 vì F2 còn tính đến diện tích của F1 và tính đến diện tích của các tấm tản nhiệt

Tỷ số  

1

2

F

F

là hệ số diện tích, với loại két nước dùng ống nước dẹt có thể chọn  = 3 ÷ 6 Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong két nước xác định theo biểu thức sau đây:

2

t t

tn  nv  nr Trong đó: tnv, tnr – nhiệt độ nước vào và nhiệt độ nước ra của két nước

(có thể lấy bằng nhiệt độ nước vào và nhiệt độ nước ra của động cơ)

Nhiệt độ trung bình của không khí làm mát:

2

t t

tkk  kkv  kkr Trong đó: tkkv, tkkr – nhiệt độ không khí vào và ra bộ tản nhiệt (lấy tkkv = 490C)

Chênh lệch nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt Ätkk lấy bằng 20 ÷ 300C

Vì vậy: tkkr = tkkv + Ätkk Hệ số 1 có thể xác định bởi các số liệu thực nghiệm Trị số thí nghiệm của hệ số 1 thay đổi trong khoảng 1 = 2326 ÷ 4070 (W/m2.độ)

Hệ số  của đồng lá  = 83,9 ÷ 126 (W/m.độ), của hợp kim nhôm 104,8 ÷ 198 (W/m.độ) còn của thép không gỉ 9,3 ÷ 18,6 (W/m.độ)

Hệ số 2 phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ lưu động của không khí kk

Khi thay đổi kk từ 5 ÷ 60 m/s thì hệ số 2 thay đổi đồng biến từ 40,6 ÷ 303 (W/m2.độ)

Hệ số k cho bộ tản nhiệt kiểu ống có thể xác định theo đồ thị k = f(kk) trên hình 8.4 Căn cứ vào các số liệu thí nghiệm, người ta thấy rằng khi xác định bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt, có thể lấy k  2 và có thể tính gần đúng

kk

2  11,38

Trong đó: kk – tốc độ của không khí đi qua bộ tản nhiệt (m/s)



Khi không tính đến các tổn thất nhiệt Qlm cũng có thể xác định theo biểu thức:

Do đó:

kk kk

lm kkv

kkr

G c

Q t

Tương tự, từ công thức (8-10) chúng ta tìm được nhiệt độ của nước khi ra khỏi két nước

n n

lm nv

nr

G c

Q t

Đối với động cơ ôtô máy kéo, trị số Gkk có thể tính theo công thức thí nghiệm:

Gkk = (0,053 ÷ 0,102).Ne (kg/s) Trong đó: Ne – công thức cực đại (kW)

Diện tích F2 cũng có thể tính theo công thức thực nghiệm gần đúng:

F2 = f2.Ne, (m2) Trong đó: f2 – hệ số diện tích làm mát của két nước ứng với 1 đơn vị công suất (m2/kW )

 Đối với ôtô du lịch: f2 = 0,136 ÷ 0,313 (m2/kW)

 Đối với ôtô tải: f2 = 0,0204 ÷ 0,408 (m2/kW)

Ne – công suất có ích cực đại của động cơ (kW)

Dung tích của hệ thống làm mát bằng chất lỏng ứng với 1 đơn vị công suất (Vlm/Ne) thường trong khoảng:

- Với ôtô du lịch: 0,163.10-3 ÷ 0,354.10-3 (m3/kW)

- Với ôtô tải: 0,272.10-3 ÷ 0,816.10-3 (m3/kW)

- Với máy kéo: 0,816.10-3 ÷ 2,04.10-3 (m3/kW)

III TÍNH VÀ CHỌN CÔNG SUẤT QUẠT CHO HỆ THỐNG LÀM MÁT BẰNG KHÔNG KHÍ

Chọn theo lượng không khí cần thiết và sức cản khí động mà quạt cần phải khắc phục: Sức cản toàn bộ của hệ thống làm mát bằng gió xác định theo công thức sau:

Hình 8.4 Quan hệ của hệ số truyền

nhiệt k với tốc độ gió kk

0 10 20 30 40 50 kk, (m/s)

k (W/m2.độ)

Trong đó: ÄHth – sức cản không khí qua các phiến tản nhiệt ở nắp và thân xylanh (N/m2)

ÄHđh – sức cản không khí qua các phiến tản nhiệt ở nắp và thân xylanh (N/m2)

ÄHra – tổn thất khí động ở chỗ ra của không khí khi đưa qua các rãnh (N/m2) Trị số ÄHth – xác định theo công thức:

8 , 9 2

2 kk th th









Trong đó: th – hệ số tổn thất áp suất có thể lấy trong phạm vi 2 ÷ 3

kk – khối lượng riêng trung bình của không khí (kg/m3)

kk – tốc độ của không khí qua các phiến tản nhiệt (m/s)

Trị số: ÄHđh = (0,1 ÷ 0,2) Hq

kk 2 kk

8 , 9 2

Thông thường có thể chọN sức cản của toàn bộ của các quạt gió nằm trong phạm vi sau:

 Khi D < 100 mm: Hq  735,75981, (N/m2)

 Khi D = (100  150) mm: Hq 1171,51962, (Nm2)

Công suất tiêu hao cho dẫn động quạt tính theo công thức sau:

3 q

kk p

q H .V 10



Trong đó: q – hiệu suất của quạt

(Đối với loại quạt gió lắp ghép bằng đinh tán có thể chọn q = 0,6  0,7)

- Đối với động cơ xăng dùng chế hoà khí: Nq = (0,04  0,15)Ne

- Đối với động cơ Diesel: Nq = (0,03  0,08)Ne

Chú ý rằng, nếu dùng quạt hút thì các xylanh được làm mát đồng đều hơn Tuy vậy, tiêu hao công suất dẫn động lớn hơn so với loại quạt thổi Trên bảng 8-1 giới thiệu kích thước thường dùng của các phiến tản nhiệt trên động cơ làm mát bằng gió

Bảng 8-1 Kích thước của các phiến tản nhiệt

Thông số cơ bản

h

s

e



14  30

6  12

4  8

2  4

15  50

6  12

4  8

2  4

15  35 3,5  8

2  6 1,5  2,5

15  75 3,5  8

2  6 1,5  2,5

-