tự động điều chỉnh hệ thống lm mát của động cơ ôtô TS. nguyễn duy tiến Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by kết cấu v tính toán kiểm tra khớp đóng ngắt tự động quạt gió (bằng điện) của các ô tô đời mới nhằm phân tích tính u việt của khớp v kiểm tra khi khai thác chúng ở Việt nam. Summary: The acticle presents the design and calculation of an electromaznetic clutch of the fan of the engine automobiles to analyze the optimum of the clutch and inspect them when being exploited in Vietnam. i. đặt vấn đề Chúng ta biết rằng nhiệt do cháy nhiên liệu trong động cơ sinh ra trong xi lanh một phần đáng kể truyền ra nớc làm mát. Vì vậy động cơ phải tiêu tốn một phần công suất có ích để truyền động bơm nớc, quạt gió để làm mát động cơ. Việc tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió có một ý nghĩa rất lớn tới chế độ nhiệt của nớc, dầu nhờn và tốc độ hao mòn động cơ. Đặc biệt là tiết kiệm công suất động cơ, những trờng hợp khác cần thiết có thể tắt quạt một cách tự động để giảm ồn, giảm mài mòn nâng cao hiệu suất có ích. ii. Các phơng pháp điều khiển quạt gió của hệ thống lm mát Từ trớc đến nay trên động cơ thờng điều khiển quạt gió bằng các phơng pháp sau: 1. khớp thuỷ lực 2. khớp ma sát (điện thuỷ lực cơ khí) 3. khớp nối điện từ. Việc sử dụng phơng pháp nào là tuỳ thuộc vào nền công nghiệp chế tạo động cơ ở nớc đó Với trình độ phát triển của công nghiệp ô tô thế giới, hiện nay các liên doanh lắp ráp ô tô ở Việt nam đã dùng kỹ thuật hiện đại áp dụng vào động cơ. Hệ thống nhiên liệu sử dụng hệ thống phun xăng điện tử (EFI) hoặc Cacbuaratơ hồi tiếp điện tử. Vì vậy hệ thống làm mát cũng đợc tự động điều chỉnh theo chế độ nhiệt của động cơ. III. Khớp nối điện từ (dẫn động quạt gió) 3.1. Mô tả kết cấu 1 2 3 4 5 6 1. Puli 2. ổ bi 3. Đĩa chủ động 4. Lò xo 5. Đĩa ép 6. Nam châm điện Hình 1. Mặt cắt khớp ly hợp điện từ điều khiển quạt 3.2. Tính kiểm tra khớp nối điện từ Đối với động cơ thông thờng khi tính toán ta thờng lấy công suất dẫn động quạt gió vào khoảng 6% công suất động cơ. Thí dụ tính cho động cơ xe con 4 chỗ của Hàn Quốc đang lắp ráp tại Việt Nam sử dụng khớp nối điện từ với công suất 44kW/5000v/p thì công suất truyền động quạt là: P v = 2.6kW: Tính kiểm tra mô men quay quạt gió với số vòng quay n e = 5000 v/p: )Nm(5 5000.14,3 30.2600 n. 30.PP M vv k == = = Tính toán lực ma sát F t khi cánh tay đòn r = 0.03 m: )N(167 03,0 5 r M F k t === Tính toán lực tiêu chuẩn khi hệ số ma sát của thép với thép là f = 0.15: ' n F )N(1114 15,0 167 f F F n ' n === Khi lực ép tăng hệ số dự trữ = 1,8: )N(20058,1.1114.FFn ' n === Theo [1] William Crous tính tổng số vòng dây và dòng điện đi qua cuộn dây: 300 10.500.10.4 10.15.0.4.2005 .S X.4.F IN )NI.( X.4 S .F 67 62 0 2 x 2 0x = = = 0 : Độ từ thẩm của không khí (chân không) 4.10P -7 W/m S: tiết diện khe hở (500 mm 2 ) X: độ lớn khe hở không khí (0,15mm 2 ) I: cờng độ dòng điện (A) N: tổng số vòng dây Tính dòng điện yêu cầu khi điện áp U = 12 V chọn điện trở R = 8: )A(5,1 8 12 R U I === Tính toán số vòng dây N khi cho dòng không vợt quá 1,5A I = 1.5 A: IN = 300 vậy 200 5,1 300 N == (vòng) Tính toán chiều dài dây dẫn: L = .d.n = 3,14.0,075.200 = 45 m d: đờng kính của cuộn dây = 70 mm. Tính toán tiết diện dây dẫn: )mm(15,0 8 027,0.45 R .L S 2 == = )mm(4,0 S.4 d 4 d. S 2 = = = : độ dẫn điện riêng. R = 8 () Công suất tiêu thụ trên cuộn dây: P = U.I = 12.1,5 = 18 (W) Hình 2. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc công suất quạt gió vo tốc độ quay của động cơ Bảng 1. So sánh các thông số tính toán lý thuyết v thực tế của khớp nối Lý thuyết Thông số thực tế N = 200 N = 400 R = 8 R = 10 d = 0,4 mm d = 0,3 mm n (v/p) 10 8 6 4 2 0 1000 2000 n ( min -1 ) P ( kW ) iv. Tính toán thử nghiệm tác động vo bộ điều khiển ECU thay đổi tốc độ quạt có khớp nối điện từ rTHW THW E 5V V C ECU Cảm biến nớc làm mát THW E2 R411 E21 R404 THW R b Trong các loại động cơ ô tô hiện đại có sử dụng bộ điều khiển động cơ bằng điện tử ECU. Trong xi lanh động cơ có bố trí một cảm biến nhiệt độ nớc làm mát (CTS) Themistor . Cảm biến nhiệt độ nớc làm mát (CTS) Thermistor là một nhiệt điện trở, nó báo thờng xuyên nhiệt độ của dung dịch làm mát động cơ về ECU dới dạng các tín hiệu điện áp thay đổi. Nếu nhiệt độ nớc làm mát thấp, ECU phát tín hiệu điều khiển hệ thống định lợng nhiên liệu cung cấp thêm nhiên liệu để động cơ có thể làm việc ở tình trạng lạnh. ECU cũng có thể thay đổi thời điểm đánh lửa để thích hợp với nhiệt độ động cơ. Hầu hết các động cơ đặt ngang dùng một quạt điện để làm mát động cơ. Khi động cơ lạnh, sự làm mát không cần thiết, quạt ngừng. Khi động cơ nóng quạt hoạt động, ECU điều khiển việc đóng mở quạt điện thông qua tín hiệu nhận từ cảm biến nhiệt độ nớc làm mát. Dới đây là sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ nớc làm mát trích ra từ ECU. rTHW THW ECU Cảm biến nớc làm mát THW E2 E R404 THW E21 R411 5V V C Hình 3. Mạch cảm biến nhiệt độ nớc lm mát 4.1. Hiệu chỉnh mạch bằng cách mắc nối tiếp biến trở R b với cực THW từ cảm biến đến ECU Trong điều kiện khai thác ở Việt Nam nóng ẩm các linh kiện trong bộ ECU bị lão hoá dẫn đến sai lệch các thông số của linh kiện. Vì vậy ta chọn phơng pháp tác động vào mạch của ECU. Hình 4. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh mạch cảm biến nớc lm mát mắc nối tiếp biến trở R b với ECU Theo hình 5 ta tính dòng điện chạy trong mạch: THWb404 c RRR V I ++ = Hiệu điện thế đo đợc ở đầu THW: THWb 404 c THW THWbTHW RR R 1 V V ).RR.(IV + + = += Do R 404 và V c là hằng số (R 404 = 2700 và V c = 5V) nên điện áp tại đầu THW phụ thuộc vào R b và R THW . V = 5 V c R 404 R b R THW R THW Hình 5. Sơ đồ tính toán v cầu phân áp (R b mắc nối tiếp) Trong trờng hợp nhiệt độ nớc làm mát cố định, giả sử ở nhiệt độ nớc làm mát (85 ữ 90 0 C) thì R THW = 300 = const. Có thể tính: const) T 1 T 1 .(e.RR 0 0THW == Với R 0 : điện trở ở nhiệt độ T 0 e = 2,71828 T, T 0 : nhiệt độ tuyệt đối (K) : hệ số chọn theo điện trở R THW . Từ đó ta có: 300R 2700 1 5 V b THW + + = Thay giá trị vào biểu thức trên ta có bảng sau: Bảng 2. Biến thiên điện áp ở đầu THW khi R b mắc nối tiếp Điện trở R b (k) V THW (V) 2,4 3,0 3,7 4,7 6,0 7,8 10,5 15,0 24,0 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 Dựa vào bảng trên ta có đồ thị biểu diễn V THW = f(R b ). V THW (V) Điện áp 4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 3,25 3,00 2,75 2,50 2 , 4 3 , 0 3 , 7 4 , 7 6 , 0 7 , 8 1 0 , 5 1 5 , 0 2 4 Điện trở R (K ) Hình 6. Đồ thị V THW = f(R b ) Từ đồ thị hình 6 ta thấy khi điện trở R b tăng thì điện áp ở đầu THW tăng, nghĩa là thời gian đóng ngắt quạt tăng lên và ngợc lại (điện trở càng tăng thì điện áp càng tăng chậm). Do đó, muốn thay đổi thời gian đóng ngắt quạt gió tăng hay giảm thì chỉ cần thay đổi giá trị điện trở R b từ đó tốc độ quạt sẽ tăng hoặc giảm. 4.2. Hiệu chỉnh mạch bằng cách mắc song song biến trở R b với đầu THW từ cảm biến đến ECU Sơ đồ mạch điện khi R b mắc song song nh hình 7. ECU Cảm biến nớc làm mát THW THW THW R E E21 THW E2 R411 R b R 404 -2100 D949577 c 5V V Hình 7. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh cảm biến nhiệt độ nớc lm mát mắc biến trở song song = 5V V C THW R R R b v THW 404 Hình 8. Sơ đồ tính toán v cầu phân áp (R b mắc song song) Nh vậy, trong mạch nhiệt độ tín hiệu nớc làm mát (hình 7), bỏ qua điện trở nội của D949577 - 2100 ta có thể thấy R 404 và R b + R THW tạo thành cầu phân áp nh hình 8. Dòng điện I chạy trong mạch là: 404b 404b THW c RR R.R R V I + + = Hiệu điện thế đo đợc ở đầu THW: THW 404b 404b THW c THWTHW R. RR R.R R V R.IV + + == Chia hai vế cho R THW ta đợc: THW404b 404b c THW R).RR( R.R 1 V V + + = Do R 404 và V c là hằng số (R 404 = 2700, V c = 5V) nên điện áp tại đầu THW sẽ phụ thuộc chủ yếu vào R b và R THW . Trong trờng hợp nhiệt độ nớc làm mát cố định, giả sử nhiệt độ nớc làm mát là 80 0 C thì R THW 300 = const. Từ đó ta có công thức: 300).2700R( R.2700 1 5 V b b THW + + = Ta có thể thấy sự thay đổi này theo bảng 3. Bảng 3. Biến thiên điện áp ở đầu THW khi R b mắc song song Điện trở R b (k) V THW (V) 0,033 0,053 0,077 0,103 0,135 0,171 0,125 0,270 0,337 4,50 4,25 4,00 3,75 3,50 3,25 3,00 2,75 2,50 Căn cứ vào bảng trên, ta xây dựng đồ thị biến thiên điện áp đầu THW khi thay đổi giá trị biến trở R nh hình 9. Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy khi điện trở R b tăng thì điện áp đầu THW giảm và ngợc lại, nghĩa là thời gian đóng ngắt quạt thay đổi. Do đó, muốn thay đổi thời gian đóng ngắt quạt tăng hay giảm tốc độ quay ta chỉ cần thay đổi giá trị điện trở R b . 2,75 0 , 0 5 3 0 , 0 3 3 2,50 0 , 2 7 0 0 , 2 1 5 0 , 1 7 1 0 , 1 3 5 0 , 1 0 3 0 , 0 7 7 0 , 3 3 7 R (K ) 4,00 3,25 3,00 3,50 3,75 4,50 4,25 THW V(V) Hình 9. Đồ thị V THW = f(R b ) mắc song song v. Kết luận Từ lý thuyết, tính toán, kiểm tra ta thấy rằng có thể tự sửa chữa, thay thế các loại quạt điện sử dụng trong các động cơ ô tô hiện đại đang đợc sử dụng ở Việt Nam. Đồng thời ta cũng có thể tác động vào bộ điều khiển động cơ bằng điện tử (ECU) để điều chỉnh tốc độ quạt gió có bộ ly hợp điện từ khi làm việc trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam khi các hệ thống điện tử bị lão hoá. Tài liệu tham khảo [1]. William.Crous. Electronic Control of Automotive Engines. London, 2000. [2]. G.Hill. EFI and Engine Management. Moscow, 2002. [3]. T.S Nguyễn Duy Tiến. Khai thác ô tô đời mới sử dụng ở Việt Nam. Đề tài nghiên cứu cấp Bộ B98 - 25 - 38. [4]. T.S Nguyễn Duy Tiến. Nghiên cứu sử dụng xăng không chì ở động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam. Đề tài nghiên cứu cấp Bộ B2002 - 35 - 28. [5]. T.S Nguyễn Duy Tiến. Hệ thống cung cấp nhiên liệu thế hệ mới. Bài giảng cao học. Hà nội, 2002 . vào động cơ. Hệ thống nhiên liệu sử dụng hệ thống phun xăng điện tử (EFI) hoặc Cacbuaratơ hồi tiếp điện tử. Vì vậy hệ thống làm mát cũng đợc tự động điều chỉnh theo chế độ nhiệt của động cơ. . tự động điều chỉnh hệ thống lm mát của động cơ ôtô TS. nguyễn duy tiến Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by kết cấu v. trong động cơ sinh ra trong xi lanh một phần đáng kể truyền ra nớc làm mát. Vì vậy động cơ phải tiêu tốn một phần công suất có ích để truyền động bơm nớc, quạt gió để làm mát động cơ. Việc