Các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới KS. Trần Văn Giảng về sự hướng dẫn tận tình và hiệu quả của thầy, thầy đã dành cho tôi những điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa luận này. Tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết trong thời gian qua. Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Tác giả Phạm Thị Liên TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ LIÊN CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM MÁT ĐỘNG CƠ THẾ HỆ MỚI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Kết quả trong khóa luận này do chính bản thân tôi đã thực hiện tại Khoa Vật lý Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả viết trong luận văn là trung thực. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung khóa luận của mình. Hà Nội, tháng 5 năm 2014 Tác giả Phạm Thị Liên TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ LIÊN CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM MÁT ĐỘNG CƠ THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học KS. TRẦN VĂN GIẢNG HÀ NỘI - 2014 HÀ NỘI, 2014 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chương 1: Tổng quan về hệ thống làm mát……………………………………. Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống làm mát động cơ………………………………… 5 Hình 1.2 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi…………………………7 Hình 1.3 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên………………….8 Hình 1.4 Hệ thống làm mát bằng nước loại tuần hoàn cưỡng bức…………….9 Hình 1.5 Hệ thống làm mát bằng không khí sử dụng quạt gió……………… 10 Hình 1.6 Kết cấu bơm nước ly tâm…………………………………………… 13 Hình 1.7 Lốc máy……………………………………………………………… 13 Hình 1.8 Hình ảnh của bộ tản nhiệt cho thấy xe tăng bên với mát………… 15 Hình 1.9 Nắp giữ áp suất……………………………………………………… 17 Hình 1.10 Quạt làm mát………………………………………………………. 19 Chương 2: Các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới…………………… Hình 2.1 Hệ thống làm mát bằng gió…………………………………………. 20 Hình 2.2 Hệ thống làm mát bằng nước……………………………………… 22 Hình 2.3 Viễn nhiệt kế và bộ điều nhiệt……………………………………… 24 Hình 2.4 Động cơ làm mát bằng dung dịch với bộ tản nhiệt tích hợp……… 27 Hình 2.5 Động cơ làm mát bằng dung dịch tích hợp………………………….28 Hình 2.6 Làm mát bằng nhớt………………………………………………… 30 Hình 2.7 Một lõi nóng giống như một tản nhiệt nhỏ………………………….32 Hình 2.8 Hệ thống ống nước nóng…………………………………………….33 MỤC LỤC Trang phụ bìa…………………………………………………………… Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục các hình vẽ……………………………………………………… MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2 4. Đối tượng nghiên cứu 2 5. Phương pháp nghiên cứu 2 6. Đóng góp của luận văn. 2 7. Cấu trúc của luận văn 2 NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan về hệ thống làm mát 3 1.1. Nhiệm vụ và phân loại 3 1.2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống làm mát 4 1.2.1. Nguyên lí cơ bản 5 1.2.2. Các bộ phận cấu thành hệ thống làm mát động cơ 11 Chương 2: Các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới 20 2.1. Làm mát bằng gió 20 2.2. Làm mát bằng nước 21 2.2.1 Cấu tạo của hệ thống làm mát bằng nước 21 2.2.2 Nguyên lí làm việc 25 2.3 Hệ thống làm mát bằng dung dịch tích hợp 26 2.3.1. Cơ chế tuần hoàn của dung dịch làm mát 28 2.3.2. Ưu điểm vốn có của động cơ làm mát bằng dung dịch 29 2.4. Làm mát bằng nhớt 29 2.5 Chất làm mát động cơ đa năng 31 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong khi động cơ hoạt động, nhiệt độ ở trong các xilanh rất cao, ở kì nổ có thể đạt tới hàng ngàn độ, do vậy động cơ cần phải có hệ thống làm mát để thoát nhiệt kịp thời cho các chi tiết bị nóng quá và có như vậy thì mới có thể đảm bảo cho nó hoạt động được bình thường. Các loại động cơ đốt trong ngày nay có hiệu suất nhiệt rất thấp, chẳng hạn các động cơ xăng có hiệu suất nằm trong khoảng 23¸ 28 %. Nghĩa là, bình quân chỉ có khoảng 25% năng lượng do nhiên liệu bị đốt cháy là được chuyển hoá thành cơ năng hữu ích phục vụ cho các hoạt động của động cơ. Còn lại, khoảng 34% năng lượng đi theo khí xả thải ra ngoài không khí, 6% mất mát do ma sát, 3% chi phí cho kéo tải bơm nước và khoảng 32% được thải vào không khí qua hệ thống làm mát. Ví dụ trên đây cho thấy sự tồn tại của hệ thống làm mát là tất yếu để đảm bảo cho động cơ có thể hoạt động được bình thường. Thông thường người ta sử dụng phương pháp làm mát truyền thống là: làm mát bằng nước và làm mát bằng không khí bình thường. Ở động cơ thế hệ mới, đặc biệt là những động cơ có yêu cầu cao, làm mát bằng nước, không khí bình thường thì tính ổn định và an toàn không cao, hiệu quả thấp, cơ cấu làm mát không kịp thời làm mát cho động cơ…Để động cơ làm việc ổn định và hiệu quả làm mát cao hơn thì ngoài phương pháp truyền thống người ta còn có những phương pháp làm mát khác đối với động cơ. Để hiểu rõ về các phương pháp này, tôi đã chọn đề tài: “Các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới ” Làm đề tài khóa luận tốt nghiệp. 2 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về hệ thống làm mát. - Nghiên cứu các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết. - Nghiên cứu tài liệu về phương pháp làm mát truyền thống. - Tìm hiểu các phương pháp làm mát mới. 4. Đối tƣợng nghiên cứu - Các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết. - Thực hành. 6. Đóng góp của khóa luận Khóa luận này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và người quan tâm. 7. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và mục lục. Nội dung chính của luận văn gồm hai chương: CHƢƠNG 1: Tổng quan về hệ thống làm mát Tìm hiểu về nhiệm vụ, phân loại và nguyên tắc hoạt động của hệ thống làm mát. CHƢƠNG 2: Các phƣơng pháp làm mát động cơ thê hệ mới Nghiên cứu các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới. 3 NỘI DUNG CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ 1.1. Nhiệm vụ và phân loại Khi động cơ hoạt động, hỗn hợp nhiên liệu (nhiên liệu và không khí) cháy trong buồng đốt của động cơ tỏa ra với một nhiệt độ lớn khoảng 2000÷2500 0 C, một phần chuyển thành công, phần còn lại tỏa ra môi trường bên ngoài qua các chi tiết tiếp xúc với khí cháy tiếp nhận (xilanh, pit-tông, nắp xilanh, các xupáp, vòi phun, xecmăng ), mặt khác cũng có nhiệt lượng sinh ra do ma sát giữa các bề mặt làm việc của các chi tiết trong động cơ. Nếu không làm mát động cơ hay làm mát không đủ, các chi tiết của động cơ sẽ nóng lên quá nhiệt độ cho phép (nhiệt độ đỉnh pit-tông có thể tới 600℃, nhiệt độ xupap thải tới 900℃ ) sẽ gây ra nhiều tác hại như: + Phụ tải nhiệt các chi tiết lớn làm giảm sức bền, giảm độ cứng vững và tuổi thọ của chúng. + Nhiệt độ cao dẫn tới nhiệt độ của dầu bôi trơn cũng cao do đó dẫn tới độ nhớt giảm, khả năng bôi trơn kém làm tăng ma sát. + Có thể gây bó kẹt pit-tông do hiện tượng giãn nở. + Giảm hệ số nạp. + Có thể gây ra hiện tượng kích nổ. Nhưng nếu động cơ được làm mát quá mức cần thiết cũng có những hậu quả xấu như: hơi nhiên liệu bị ngưng tụ và đọng bám trên các bề mặt chi tiết; độ nhớt của dầu bôi trơn tăng làm khả năng lưu động của nó giảm. Ngoài ra, công suất tiêu hao cho làm mát tăng do đó tổn thất cơ giới của động cơ tăng. 4 Do vậy, nhiệm vụ của hệ thống làm mát là duy trì chế độ nhiệt xác định trong thời gian động cơ làm việc bằng cách truyền nhiệt từ các chi tiết quá nóng trong động cơ ra môi trường xung quanh. Theo môi chất làm mát, người ta chia hệ thống làm mát thành hai loại: + Làm mát bằng chất lỏng. + Làm mát bằng không khí. Trong hệ thống làm bằng nước người ta lại được chia làm ba loại: bốc hơi, đối lưu tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức. 1.2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống làm mát Mặc dù các động cơ xăng đã có những cải tiến đáng kể, nhưng hiệu suất chuyển đổi cơ năng thành điện năng vẫn không cao. Phần lớn năng lượng trong nhiên liệu (khoảng 70%) được chuyển thành nhiệt và nhiệm vụ của hệ thống làm mát là phải xử lý lượng nhiệt này. Trên thực tế, hệ thống làm mát trên một chiếc xe khi chạy trên đường cao tốc có thể tản một lượng nhiệt đủ để sưởi ấm cho cả 2 tòa nhà cỡ trung bình. Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống làm mát là tản nhiệt từ động cơ ra ngoài môi trường. Ngoài ra hệ thống làm mát còn có một vài nhiệm vụ quan trọng khác. Động cơ trong xe chỉ có thể hoạt động tốt nhất tại mức nhiệt độ cao vừa phải. Khi động cơ bị lạnh, các bộ phận bị mòn nhanh hơn, hiệu suất hoạt động của động cơ thấp và động cơ xả nhiều khói hơn. Vì vậy, một nhiệm vụ quan trọng nữa của hệ thống làm mát là cho phép động cơ tăng nhiệt rất nhanh và giữ động cơ ở mức nhiệt độ ổn định. Khi nóng, các chi tiết của động cơ giãn nở. Nếu quá mức giới hạn, máy sẽ bị bó làm các chi tiết ngừng hoạt động. Khi nguội bớt, động cơ lại hoạt động bình thường. Hiện tượng trên thường xảy ra đối với các xe đang trong thời kỳ chạy rốt-đa hoặc xe mới làm lại hơi. Các chi tiết động cơ nở ra, pit-tông cũng nở nhưng do quán tính, pit-tông không ngừng tức khắc mà vẫn chuyển dịch. Do vậy, nòng xilanh sẽ bị xước làm công suất xe yếu đi. 5 Ngày nay, các loại xe hiện đại đều được thiết kế máy ở nơi thoáng mát nhất và yếm xe được cấu tạo để gió được thổi thẳng vào máy khi xe chạy. Các loại động cơ được lắp phía sau như xe Scooter đều có quạt gió làm mát máy. Chúng ta sẽ tìm hiểu về các bộ phận cấu thành hệ thống làm mát động cơ và nguyên tắc hoạt động của nó. Trước tiên, chúng ta hãy cùng xem qua một vài nguyên lý cơ bản. Hình 1.1. Cấu tạo hệ thống làm mát động cơ. 1.2.1. Nguyên lý cơ bản Bên trong động cơ, nhiên liệu luôn cháy. Việc đốt cháy hỗn hợp khí - nhiên liệu trong xilanh động cơ sinh ra nhiệt độ đến 2000℃ hoặc cao hơn. Điều đó có nghĩa các chi tiết động cơ rất nóng. Tuy nhiên, vách của xilanh động cơ không được nóng hơn 260℃. Nhiệt độ cao hơn là nguyên nhân làm cấu trúc dầu bôi trơn bị phá vỡ, mất khả năng bôi trơn. Các chi tiết động cơ khác cũng bị hư hỏng. Để phòng ngừa hiện tượng này người ta phải sử dụng hệ thống làm mát để triệt tiêu một phần lượng nhiệt thừa, khoảng 1/3 lượng nhiệt sinh ra trong buồng đốt. [...]... hợp dầu trong tất cả các xe dẫn động bằng 4 bánh Hình 1.10 Quạt làm mát 19 CHƢƠNG 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP LÀM MÁT ĐỘNG CƠ THẾ HỆ MỚI 2.1 Làm mát bằng gió Làm mát động cơ là rút bớt một phần nhiệt lượng do khí cháy truyền lại cho pít-tông, xilanh, quy lát Nếu không được làm mát xilanh nóng quá làm cho khối hoà khí rút vào bị nở giản ra trọng lượng hoà khí bị giảm theo Hơn thế nữa nếu động cơ nóng quá sẽ gây... cùng động cơ Việc phát triển loại động cơ mới phát huy cao nhất tính ưu việt của công nghệ làm mát bằng dung dịch ra đời 26 Hình 2.4 Động cơ làm mát bằng dung dịch với bộ tản nhiệt tích hợp  Động cơ mới phát triển là sự kết hợp hoàn hảo giữa ưu điểm nhỏ gọn của hệ thống làm mát bằng không khí với những ưu thế vốn có của hệ thống làm mát bằng dung dịch Để tích hợp tất cả các bộ phận cần thiết cho hệ. .. mòn Hệ thống làm mát giữ cho động cơ làm việc hiệu quả trong mọi điều kiện hoạt động cũng như ở mọi tốc độ Nó cũng giúp cho động cơ đạt được nhiệt độ làm việc bình thường một cách nhanh nhất khi bắt đầu khởi động trong mùa đông giá rét Và nó cũng cung cấp nguồn nhiệt sưởi ấm vào trong khoang hành khách Có 2 loại hệ thống làm mát: làm mát bằng nước và làm mát bằng không khí Hệ thống làm mát bằng nƣớc Hệ. .. qua động cơ, làm nóng động cơ Động cơ hoạt động tốt nhất khi nhiệt độ nước làm mát là khoảng 200oF (93oC) Ở nhiệt độ này:  Khoang cháy đủ nóng để làm cho nhiên liệu hóa hơi, tăng hiệu suất của kì cháy và giảm khí thải  Dầu bôi trơn động cơ có độ nhớt thấp (mỏng hơn) Do đó, các bộ phận của động cơ chuyển động tự do hơn và động cơ không bị mất nhiều công suất khi các bộ phận của nó chuyển động  Các. .. cháy tự động Khi động cơ hoạt động, lớp dầu nhớt làm trơn giữa các bộ phận cọ sát sẽ bị cháy hoặc biến chất làm các chi tiết máy giãn nở ra bó kẹt không di chuyển được Do đó để bảo đảm cho các chi tiết máy làm việc bình thường tăng sức bền và tuổi thọ, tất cả các loại hoạt động đều phải trang bị hệ thống làm mát Tùy theo nhà chế tạo, công suất và công dụng động cơ, hệ thống làm mát có thể chia ra làm hai... quanh các van không mấy quan trọng nhưng vẫn cần được làm mát Nếu động cơ lâu không được làm mát thì động cơ sẽ bị kẹt Khi đó, kim loại cũng đủ nóng để pittông dính chặt vào xilanh Tóm lại, nếu không làm mát động cơ thì nó sẽ bị hư hại rất nhanh chóng Một trong những cách tốt nhất để hạn chế nhu cầu làm mát động cơ là hạn chế lượng nhiệt truyền từ khoang cháy sang các chi tiết kim loại khác của động cơ. .. bớt các chi tiết, cả những chi tiết nhỏ nhất như là vít bắt vào phần vỏ của van điều nhiệt làm kích thước và trọng lượng của hệ thống gọn, nhẹ hơn rất nhiều Chế tạo thành công động cơ làm mát bằng dung dịch tích hợp có kích thước chỉ tương đương với động cơ làm mát bằng không khí 2.3.1 Cơ chế tuần hoàn của dung dịch làm mát: Hình 2.5 Động cơ làm mát bằng hệ thống dung dịch tích hợp Dung dịch làm mát. .. khi động cơ nguội đi, chân không gây ra một số chất làm mát trong các ống mở rộng bị hút trở lại vào hệ thống Bởi vì một hệ thống làm mát với một bể mở rộng là hầu như là một hệ thống khép kín, nước làm mát có thể chảy giữa hệ thống và các xe tăng mở rộng khi nó mở rộng và hợp đồng Bằng cách này, không có nước làm mát bị mất nếu hệ thống hoạt động tốt Một chức năng của xe tăng mở rộng là để loại bỏ các. .. nên để đạt được cùng một hiệu suất động cơ như nhau loại xe này thường phải có dung tích xilanh lớn hơn so với xe lắp động cơ làm mát bằng dung dịch Ngoài ra, cũng phải tính đến ảnh hưởng của lượng hơi nóng tỏa ra khi động cơ được làm mát bằng gió Động cơ làm mát bằng dung dịch: Với những lý do như trên, khi phát triển các xe đời mới đã quyết định chọn động cơ làm mát bằng dung dịch với khả năng kiểm... việc: Khi động cơ làm việc, nhiệt từ các chi tiết bao quanh buồng cháy được truyền tới các cánh tản nhiệt rồi tản ra không khí Nhờ các cánh tản nhiệt có diện tích tiếp xúc với không khí lớn nên tốc độ làm mát được tăng cao Hệ thống sử dụng quạt gió không chỉ tăng tốc độ làm mát mà còn đảm bảo làm mát đồng đều hơn 1.2.2 Các bộ phận cấu thành hệ thống làm mát động cơ: Ống dẫn Hệ thống làm mát trong xe của . hệ thống làm mát Tìm hiểu về nhiệm vụ, phân loại và nguyên tắc hoạt động của hệ thống làm mát. CHƢƠNG 2: Các phƣơng pháp làm mát động cơ thê hệ mới Nghiên cứu các phương pháp làm mát động. Chương 2: Các phương pháp làm mát động cơ thế hệ mới 20 2.1. Làm mát bằng gió 20 2.2. Làm mát bằng nước 21 2.2.1 Cấu tạo của hệ thống làm mát bằng nước 21 2.2.2 Nguyên lí làm việc 25 2.3 Hệ thống. thấp, cơ cấu làm mát không kịp thời làm mát cho động cơ Để động cơ làm việc ổn định và hiệu quả làm mát cao hơn thì ngoài phương pháp truyền thống người ta còn có những phương pháp làm mát khác