Báo cáo khoa học: "tự động điều chỉnh hệ thống làm mát của động cơ ôtô" pdf

nguyễn duy tiến Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT Tóm tắt: Bμi báo trình bμy kết cấu vμ tính toán kiểm tra khớp đóng ngắt tự động quạt gió bằng điện của các ô

tự động điều chỉnh hệ thống lμm mát

của động cơ ôtô

TS nguyễn duy tiến

Bộ môn Động cơ đốt trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT

Tóm tắt: Bμi báo trình bμy kết cấu vμ tính toán kiểm tra khớp đóng ngắt tự động quạt gió

(bằng điện) của các ô tô đời mới nhằm phân tích tính ưu việt của khớp vμ 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 nước làm mát Vì vậy

động cơ phải tiêu tốn một phần công suất có

ích để truyền động bơm nước, 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

nước, dầu nhờn và tốc độ hao mòn động cơ

Đặc biệt là tiết kiệm công suất động cơ, những

trường 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 phương pháp điều khiển quạt

gió của hệ thống lμm mát

Từ trước đến nay trên động cơ thường điều

khiển quạt gió bằng các phương pháp sau:

1 khớp thuỷ lực

2 khớp ma sát (điện thuỷ lực cơ khí)

3 khớp nối điện từ

Việc sử dụng phương pháp nào là tuỳ thuộc vào nền công nghiệp chế tạo động cơ ở nước 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 được 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 thường khi tính

toán ta thường 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: Pv = 2.6kW:

Tính kiểm tra mô men quay quạt gió với

số vòng quay ne = 5000 v/p:

) Nm ( 5 5000 14 , 3

30 2600 n

30 P P

Mk v v = =

π

=

ω

=

Tính toán lực ma sát Ft khi cánh tay đòn

r = 0.03 m:

) N ( 167 03 , 0

5 r

M

Ft = k = =

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

Fn' = n = =

Khi lực ép tăng hệ số dự trữ β = 1,8:

) N ( 2005 8 , 1 1114

F

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

6 7

6 2 0

2

x

2

0

x

≈

= η

=

η

=

ư

ư

ư

η0: Độ từ thẩm của không khí (chân

không) 4.10P-7 W/m

S: tiết diện khe hở (500 mm2)

X: độ lớn khe hở không khí (0,15mm2)

I: cường độ dòng điện (A)

N: tổng số vòng dây

Tính dòng điện yêu cầu khi điện áp

U = 12 V chọn điện trở R = 8Ω:

) A ( 5 , 1 8

12 R

U

Tính toán số vòng dây N khi cho dòng không vượt quá 1,5A I = 1.5 A:

IN = 300 vậy 200

5 , 1

300

N= = (vòng)

Tính toán chiều dài dây dẫn:

L = π.d.n = 3,14.0,075.200 = 45 m d: đường kính của cuộn dây = 70 mm Tính toán tiết diện dây dẫn:

0,15(mm )

8

027 , 0 45 R

L

d 4.S 0,4(mm)

4

d S

2

= π

=

⇒ π

=

ρ: độ dẫn điện riêng

R = 8 (Ω) 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 vμo tốc độ quay của động cơ

Bảng 1 So sánh các thông số tính toán lý

thuyết vμ thực tế của khớp nối

Lý thuyết Thông số thực tế

N = 200 N = 400

R = 8 Ω R = 10 Ω

d = 0,4 mm d = 0,3 mm

n (v/p)

10

8

6

4

2

n (min -1 )

P (kW)

iv Tính toán thử nghiệm tác động

vμo bộ điều khiển ECU thay đổi tốc

độ quạt có khớp nối điện từ

r THW

ECU

Cảm biến nước 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 nước làm mát (CTS) Themistor

Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (CTS)

Thermistor là một nhiệt điện trở, nó báo

thường xuyên nhiệt độ của dung dịch làm mát

động cơ về ECU dưới dạng các tín hiệu điện

áp thay đổi Nếu nhiệt độ nước làm mát thấp,

ECU phát tín hiệu điều khiển hệ thống định

lượng 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 nước làm mát

Dưới đây là sơ đồ mạch cảm biến nhiệt

độ nước làm mát trích ra từ ECU

r THW

THW

ECU

Cảm

biến

nước

làm mát

THW

E2 E

R404 THW E21 R411

5V V C

Hình 3 Mạch cảm biến nhiệt độ nước lμm 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 phương pháp tác động

vào mạch của ECU

Hình 4 Sơ đồ mạch hiệu chỉnh mạch cảm biến

nước lμm mát mắc nối tiếp biến trở R b với ECU

Theo hình 5 ta tính dòng điện chạy trong mạch:

THW b

404

c

R R R

V I

+ +

=

Hiệu điện thế đo được ở đầu THW:

THW b

404

c THW

THW b

THW

R R

R 1

V V

)

R R (

I V

+ +

=

+

=

Do R404 và Vc là hằng số (R404 = 2700Ω

và Vc = 5V) nên điện áp tại đầu THW phụ thuộc vào Rb và RTHW

V = 5 Vc

R404

Rb

RTHW

RTHW

Hình 5 Sơ đồ tính toán vμ cầu phân áp (R b mắc nối tiếp)

Trong trường hợp nhiệt độ nước làm mát

cố định, giả sử ở nhiệt độ nước làm mát (85 ữ 900C) thì RTHW = 300Ω = const

Có thể tính:

const )

T

1 T

1 (

e R R

0 0

Với R0 : điện trở ở nhiệt độ T0

e = 2,71828

T, T0: nhiệt độ tuyệt đối (K)

β: hệ số chọn theo điện trở RTHW

Từ đó ta có:

300 R

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 Rb (kΩ) VTHW (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

VTHW = f(Rb)

V THW (V) Điện áp

4,50

4,00

3,75

3,25

2,75

2 3 6 7 1

2 Điện trở

R (K ) Ω

Hình 6 Đồ thị V THW = f(R b )

Từ đồ thị hình 6 ta thấy khi điện trở Rb

tăng thì điện áp ở đầu THW tăng, nghĩa là thời

gian đóng ngắt quạt tăng lên và ngược 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 Rb 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 Rb mắc song song như hình 7

ECU

Cảm biến nước 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

nước lμm mát mắc biến trở song song

= 5V

VC

THW

R

b

vTHW

404

Hình 8 Sơ đồ tính toán vμ cầu phân áp (R b mắc song song)

Như vậy, trong mạch nhiệt độ tín hiệu nước làm mát (hình 7), bỏ qua điện trở nội của D949577 - 2100 ta có thể thấy R404 và

Rb + RTHW tạo thành cầu phân áp như hình 8 Dòng điện I chạy trong mạch là:

404 b

404 b THW

c

R R

R R R

V I

+ +

=

Hiệu điện thế đo được ở đầu THW:

THW 404 b

404 b THW

c THW

R R

R R R

V R

.I

V

+ +

=

=

Chia hai vế cho RTHW ta được:

THW 404 b

404 b

c THW

R )

R R (

R R 1

V V

+ +

=

Do R404 và Vc là hằng số (R404 = 2700Ω,

Vc = 5V) nên điện áp tại đầu THW sẽ phụ

thuộc chủ yếu vào Rb và RTHW

Trong trường hợp nhiệt độ nước làm mát

cố định, giả sử nhiệt độ nước làm mát là 800C

thì RTHW ≈ 300Ω = const

Từ đó ta có công thức:

300 )

2700 R

(

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 Rb (kΩ) VTHW (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 như hình 9

Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy khi điện

trở Rb tăng thì điện áp đầu THW giảm và

ngược 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 Rb

2,75

2,50

Ω

R (K )

4,00

3,25 3,00 3,50 3,75 4,50

THW

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 được 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

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