NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM cải TIẾN hệ THỐNG làm mát XE máy NOUVO LX BẰNG bộ tản NHIỆT KÊNH MINI

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẢI TIẾN HỆ THỐNG LÀM MÁT XE MÁY NOUVO LX BẰNG BỘ TẢN NHIỆT KÊNH MINI EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INNOVATIVE COOLING SYSTEM FOR NOUVO LX SCOOTER USING MINICHAN

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẢI TIẾN HỆ THỐNG LÀM MÁT XE MÁY

NOUVO LX BẰNG BỘ TẢN NHIỆT KÊNH MINI

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF INNOVATIVE COOLING SYSTEM FOR

NOUVO LX SCOOTER USING MINICHANNEL RADIATOR

Nguyễn Đình Trung1a, Nguyễn Văn Trạng2b, Đặng Thành Trung2c

1Trường Cao Đẳng Nghề Số 22 Dĩ An – Bình Dương

2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

a dinhtrung1503@gmail.com; b trangnv@hcmute.edu.vn; c trungdang@hcmute.edu.vn

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu bước đầu về cải tiến hệ thống làm mát của

xe tay ga Nouvo LX sử dụng bộ trao đổi nhiệt kênh mini Két làm mát được cải tiến có kích thước nhỏ gọn hơn khoảng 35%, công nghệ chế tạo đơn giản hơn và giảm giá thành khoảng 50% so với hệ thống ban đầu Thí nghiệm được tiến hành trong ba trường hợp để xác định sự thay đổi hiệu quả truyền nhiệt và công suất của động cơ với điều kiện làm việc thay đổi Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả làm mát của bộ tản nhiệt kênh mini cao hơn hoặc bằng so với két ban đầu Thêm vào đó, công suất động cơ gia tăng khi dùng két nước kênh mini kết hợp tháo rời quạt gió được dẫn động từ trục khuỷu động cơ Kết quả đạt được cho thấy điều này đúng với những nghiên cứu liên quan đã công bố trước đây Nghiên cứu cũng đã thể hiện được tính khả thi của bộ tản nhiệt kênh mini khi thay thế cho bộ tản nhiệt ban đầu của xe

Từ khóa: xe tay ga, hệ thống làm mát, truyền nhiệt, két làm mát kênh mimi, bộ trao đổi nhiệt

ABSTRACT

This paper presents the results of initial research on innovative cooling system of a Nouvo LX scooter using minichannel heat exchanger The minichannel radiator is reduced the size by 35%, made it easier to manufacture, and cut down the cost of its approximately 50% compared to the original cooling system Three cases are carried out to determine the change

of heat transfer efficiency and power output with variation of operating conditions The experimental results show that the heat transfer efficiency obtained from the minichannel heat exchanger higher than or equal to that obtained from the original radiator In addition, the engine power can be increased by using minichannel radiator together with removing the air fan that driven from crankshaft engine The obtained results are in good agreement with published relevant studies The study also illustrated the feasibility of the minichannel radiater that can be replaced for the conventional scooter radiator

Keywords: scooter, cooling system, heat transfer, minichannel radiator, heat exchanger

1 GIỚI THIỆU

Ở Việt Nam, xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chủ yếu Theo thống kê của

Bộ Giao thông Vận tải, hiện tại trên toàn quốc có khoảng 40 triệu xe máy [1] đã đăng ký và chưa được đăng ký đang lưu hành Phương tiện giao thông này đáp ứng đến 90% nhu cầu đi lại của người dân Tuy nhiên, đa phần người sử dụng không phân biệt được sự khác nhau giữa

các hệ thống làm mát trên xe máy nên bỏ qua việc theo dõi nhiệt độ động cơ cho tới khi đi xe

có mùi khét lạ xuất hiện [2], máy ỳ thì người sử dụng mới đem xe đi bảo dưỡng

Đa phần xe số công suất nhỏ với ưu điểm kết cấu thoáng, động cơ được trang bị hệ thống làm mát bằng không khí Khi chạy trên đường, xe tạo nên vận tốc không khí thay đổi và băng qua động cơ tuỳ vào tốc độ di chuyển của nó Tuy nhiên, hiện nay lượng xe tay ga ngày

càng được ưa chuộng nhờ kiểu dáng đẹp, hệ thống truyền động vô cấp cho phép người sử dụng không phải sang số khi cần thay đổi tốc độ Do coi trọng yếu tố thẩm mỹ và kiểu dáng nên phần thân động cơ bị che chắn, điều này làm hạn chế tốc độ không khí lưu thông dù xe chuyển động với vận tốc cao

Hệ thống làm mát của các loại xe này có hai dạng: làm mát bằng không khí kết hợp dùng quạt gió dẫn động từ trục khuỷu để tạo dòng không khí cưỡng bức băng qua động cơ hoặc làm mát bằng chất lỏng kết hợp quạt gió cưỡng bức để giải nhiệt cho két làm mát Hệ thống làm mát bằng dung dịch có ưu điểm giúp động cơ làm việc hiệu quả hơn, êm dịu hơn Tuy nhiên, hệ thống này tiêu hao nhiều công suất động cơ do phải dẫn động bơm nước và quạt gió cưỡng bức cùng lúc Két làm mát được chế tạo theo công nghệ riêng của nhà sản suất khá phức tạp, kích thước lớn và giá thành khá cao

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền nhiệt mini/micro trong 10 năm gần đây đã giúp giải nhiệt hiệu quả cho những chi tiết nằm trong không gian hẹp có mật độ dòng nhiệt cao Dang [3] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những bộ trao đổi nhiệt micro có kênh hình chữ nhật cho cả mô phỏng số học lẫn thực nghiệm Wei [4]

đã chế tạo bộ tản nhiệt ghép sử dụng công nghệ gia công micro dùng giải nhiệt cho các linh

kiện điện tử Dang và Teng [5-8] đã nghiên cứu những ảnh hưởng của hình học (như là bề dày, tiết diện cắt và vị trí dòng chảy vào/ra) đến trạng thái truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trên những bộ trao đổi nhiệt Dựa trên kết quả mô phỏng số, Dang [9] cùng nhóm nghiên cứu

đã chế tạo thành công bộ tản nhiệt kênh mini dùng cho xe máy Kết quả mô phỏng số và kiểm

chứng trong điều kiện phòng thí nghiệm đã được thực hiện cho hai mẫu trong cùng điều kiện thu được đặc tính truyền nhiệt như nhau Kế thừa những kết quả đã công bố, bài báo này sẽ trình bày những kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên xe Nouvo LX để đánh giá tính hiệu quả

và tính khả thi của nó khi triển khai sử dụng cho xe máy tay ga

Kết quả thực nghiệm cho thấy được hiệu quả làm mát của bộ tản nhiệt kênh mini, với kích thước nhỏ gọn, công nghệ chế tạo đơn giản nên có thể giảm giá thành khoảng 50% so với két làm mát của xe Do khả năng dẫn nhiệt tốt nên có thể tháo rời quạt gió cưỡng bức dẫn động từ trục khuỷu động cơ và thay thế bằng quạt điện công suất nhỏ (khoảng 5 W) sử dụng nguồn điện accu 12 volt điều khiển bằng công tắc nhiệt thời gian Khi nhiệt độ tăng cao thì công tắc đóng, quạt điện quay để tăng lưu lượng và vận tốc của không khí giúp tăng hiệu quả làm mát cho bộ tản nhiệt kênh mini Với những giải pháp kỹ thuật đã nêu, bộ tản nhiệt kênh mini vẫn đảm bảo được tính năng làm mát đồng thời còn giúp tăng công suất động cơ Kết

quả bước đầu của nghiên cứu thực nghiệm đã thể hiện được sự hiệu quả và tính khả thi của bộ tản nhiệt kênh mini khi thay thế két làm mát ban đầu của xe tay ga

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Đặc tính truyền nhiệt và hiệu quả của giải pháp cải tiến hệ thống làm mát trên xe Nouvo

LX được xác định dựa vào phương trình cân bằng nhiệt từ động cơ truyền cho hệ thống làm mát (công thức thực nghiệm) và phương trình truyền nhiệt từ két làm mát ra môi trường không khí xung quanh Quá trình tính toán là quá trình kiểm nghiệm lại các thông số lựa chọn

để đảm bảo được điều kiện: nhiệt độ không khí môi trường xung quanh khoảng 41oC, nhiệt độ môi chất vào và ra khỏi động cơ khoảng 88oC – 98oC

2.1 Xác định lượng nhiệt từ động cơ truyền cho môi chất làm mát

Nhiệt độ từ động cơ truyền cho môi chất làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động

cơ xăng chiếm khoảng 20 ÷ 30% tổng số nhiệt lượng do nhiên liệu toả ra Nhiệt lượng Q lm có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau đây:

Trong đó: q’ lm: nhiệt lượng truyền cho nước làm mát ứng một đơn vị công suất trong 1

đơn vị thời gian (J/kW.s)

Đối với động cơ xăng: q’ lm = 1263 – 1360 (J/kW.s)

Ne: công suất có ích của động cơ (kW)

Có trị số Q lm , ta có thể xác định được lượng nước G lm tuần hoàn trong hệ thống trong 1 đơn vị thời gian:

n n

lm lm

t c

Q G

∆

Trong đó:

c n: tỷ nhiệt của môi chất làm mát (J/kg.độ)

Nước: c n = 4187 (J/kg.độ)

Êtylen glycon c n= 2093 (J/kg.độ)

∆t n: hiệu số nhiệt độ môi chất vào và ra bộ tản nhiệt (∆t n ≈ 10o C)

Dựa vào công thức (2) để tính toán và xác định lưu lượng môi chất và kích thước cần thiết cho bộ tản nhiệt của hệ thống làm mát

2.2 Tính toán s ự truyền nhiệt của két làm mát

Sự truyền nhiệt từ môi chất làm mát ra 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 ra làm ba giai đoạn ứng với ba phương trình truyền nhiệt sau:

 Từ môi chất làm mát đến mặt thành ống bên trong:

 Qua thành ống:

 Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí:

Trong đó:

Q lm: nhiệt lượng của động cơ truyền cho nước làm mát bằng nhiệt lượng do nước dẫn

qua bộ tản nhiệt (J/s)

α 1: hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống của bộ tản nhiệt (W/m 2 độ)

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống dẫn nhiệt (W/m.độ)

δ: chiều dày của thành ống (m)

α 2: Hệ số tản nhiệt từ thành ống của bộ tản nhiệt vào không khí (W/m 2 độ)

F 1: diện tích bề mặt tiếp xúc với nước nóng (m 2)

F 2: diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí (m 2)

T s1 ,t s2: nhiệt độ trung bình của bề mặt trong và ngoài của thành ống (o C)

T n ,t n: nhiệt độ trung bình của môi chất làm mát trong bộ tản nhiệt và của không khí đi qua bộ tản nhiệt (o C)

3 BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM

Các bộ phận chính được sử dụng để thực hiện thí nghiệm hệ thống bao gồm: két làm mát kênh mini, bơm, hệ thống đường ống, quạt điện, công tắc nhiệt và nguồn gia nhiệt được thể hiện trên hình 1 Trong đó, bộ phận trao đổi nhiệt là két làm mát đã được chế tạo mới theo công nghệ truyền nhiệt kênh mini được dùng làm thí nghiệm trên hình 2

Hình 1 Những dụng cụ cần thiết cần chuẩn bị để tiến hành thí nghiệm

Hình 2 Két làm mát kênh mini

Môi chất thực hiện quá trình giải nhiệt cho động cơ được sử dụng bằng dung dịch làm mát hiện có trên thị trường Môi chất làm mát từ bình chứa được bơm vào áo nước xy-lanh, nhiệt từ lòng xy-lanh truyền cho môi chất Độ chính xác của dụng cụ đo thể hiện ở bảng 1

Bảng 1: Dụng cụ đo và độ chính xác

Nhiệt kế điện tử + đầu đo nhiệt độ ± 0,50C 0 ~1200 0C

Thiết bị đo nhiệt độ bề mặt bằng tia laser ± 0,50C 0 ~ 600 0C

Ngoài việc sử dụng két làm mát kênh mini, giải pháp thay quạt gió cưỡng bức lắp trên vô-lăng của động cơ bằng quạt điện, điều khiển bằng công tắc nhiệt thời gian dựa vào nhiệt độ của môi chất làm mát đã được thực hiện Đồng thời kết hợp thay đổi cánh đón gió tự nhiên nhờ vào vận tốc xe khi chạy trên đường Trong trường hợp xe chạy tại chỗ như đứng chờ tín hiệu đèn giao thông quá lâu hoặc tắt đường thì không khí giải nhiệt két làm mát do quạt điện

sử dụng nguồn điện accu cung cấp Khi xe chạy có vận tốc, nhiệt độ môi chất làm mát giảm

Đường vào

Đường ra

Vị trí lắp nắp két làm mát

Hình 3 Mô hình thí nghi ệm thay thế quạt gió cưỡng bức

4 CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Để đánh giá hiệu quả làm mát, thí nghiệm được tiến hành ở các chế độ làm việc khác nhau của xe, kết quả thực nghiệm được thống kê và phân tích về sự thay đổi nhiệt độ môi chất khi vào và ra két cho cả hai loại két làm mát kênh mini và két ban đầu của xe

Trường hợp 1: Khi động cơ làm việc ổn định ở tốc độ cầm chừng, không tải (xe đứng yên tại chỗ) và quạt gió cưỡng bức của xe được lấy ra đối với két cũ và không sử dụng quạt điện đối với két mới

Hình 4 Sự thay đổi nhiệt độ môi chất vào két làm mát (trường hợp 1)

Thời gian, phút

Két kênh mini Két ban đầu

Nhiệt độ,

o

C

Hình 5 Sự thay đổi nhiệt độ môi chất sau khi qua két làm mát (trường hợp 1)

Dựa vào đồ thị trên hình 4 và hình 5, với điều kiện đo như nhau cùng nhiệt độ phòng

29oC, cùng vị trí và thời gian đo ở két làm mát kênh mini và két cũ Kết quả bước đầu thu được nhiệt độ môi chất vào két mới và két cũ tăng theo thời gian làm việc của động cơ, khoảng thời gian đạt nhiệt độ làm việc ổn định cả hai trường hợp tương đương nhau Tuy nhiên, nhiệt độ môi chất vào và ra của két kênh mini đều thấp hơn nhiệt độ vào và ra của két

cũ theo xe Kết quả từ trường hợp này cho thấy, két mới phát huy tốt hiệu quả khi tháo rời quạt gió cưỡng bức dẫn động từ trục khuỷu động cơ Điều này làm gia tăng công suất cho động cơ bởi không cần tiêu tốn công suất để dẫn động quạt gió cưỡng bức

Trường hợp 2: Đo nhiệt độ môi chất vào và sau khi qua két làm mát khi động cơ làm việc ở tốc độ cầm chừng, không tải (xe đứng yên tại chỗ), giữ lại quạt gió cưỡng bức của xe đối với két cũ và sử dụng quạt điện đối với két mới

Hình 6 Sự thay đổi nhiệt độ môi chất vào két làm mát (trường hợp 2)

Thời gian, phút

Két kênh mini Két ban đầu

Nhiệt độ,

o C

Thời gian, phút

Két kênh mini Két ban đầu

Nhiệt độ,

o

C

Hình 7 Sự thay đổi nhiệt độ môi chất sau khi qua két làm mát (trường hợp 2)

Ban đầu nhiệt độ môi chất đầu vào và ra khỏi két làm mát kênh mini thấp hơn két cũ, điều này có được là do két mới làm mát hiệu quả hơn Nhiệt độ đầu ra két trong cả hai trường hợp tương đương nhau, tuy nhiên nhiệt độ ra két kênh mini có xu hướng thấp hơn chút ít Sau khoảng thời gian động cơ đạt nhiệt độ làm việc ổn định, nhiệt độ đầu ra két làm mát kênh mini vẫn có giá trị thấp hơn so với két ban đầu của xe Kết quả trên thể hiện được rằng, két làm mát kênh mini làm mát hiệu quả tương đương thậm chí tốt hơn so với két cũ khi kết hợp dùng quạt điện công suất nhỏ điều khiển bằng công tắc nhiệt thời gian lấy nguồn từ accu sẵn

có Chính yếu tố này làm gia tăng được công suất trong khi vẫn đảm bảo được tính năng làm mát cho động cơ

Qua hai trường hợp thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ môi chất vào két mới và két cũ tăng theo thời gian làm việc của động cơ, nhưng nhiệt độ vào và ra két cũ lớn hơn so với két kênh mini khoảng từ 6 đến 8oC Kết quả bước đầu đã thể hiện được hiệu quả làm mát của bộ tản nhiệt kênh mini và khả năng thay thế cho bộ tản nhiệt cũ

5 KẾT LUẬN

Nghiên cứu này đã được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm để tổng hợp kết quả,

so sánh và đánh giá hiệu quả của két làm mát kênh mini Két làm mát được cải tiến có kích thước nhỏ gọn hơn khoảng 35%, công nghệ chế tạo đơn giản hơn và giảm giá thành khoảng 50% so với hệ thống ban đầu Kết quả thực nghiệm cho thấy, hiệu quả làm mát của bộ tản nhiệt kênh mini cao hơn hoặc bằng so với két ban đầu Thêm vào đó, với giải pháp kết hợp sử dụng quạt điện, bỏ hẳn quạt gió cưỡng bức và đồng thời tận dụng vận tốc dòng không khí tạo

ra khi xe chạy trên đường sẽ gia tăng được công suất động cơ Trong thời gian tới cần tiến hành đo công suất trên băng thử để xác định cụ thể lượng gia tăng công suất và tăng tính thuyết phục của nghiên cứu Tuy nhiên, với những kết quả đạt được cũng cho thấy được hiệu quả và tính khả thi của két làm mát kênh mini khi sử dụng cho xe máy có hệ thống làm mát bằng dung dịch

LỜI CẢM ƠN

Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các đơn vị đã hỗ trợ để thực hiện

dự án nghiên cứu này: (1) Trường ÐH Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM; (2) Trường Cao đẳng Nghề Số 22 Dĩ An – Bình Dương

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] http://www.thesaigontimes.vn/130636/Cuoi-nam-2017-thi-diem-kiem-soat-khi-thai-xe-may.html

Thời gian, phút

Két kênh mini Két ban đầu

Nhiệt độ,

o

C

[2] http://vnexpress.net/tin-tuc/oto-xe-may/tu-van/can-trong-voi-he-thong-lam-mat-tren-xe-ga-2213541.html

[3] Dang, T.T, (2010), A study on the heat transfer and fluid flow phenomena of

microchannel heat exchanger, Ph.D, thesis, Chung Yuan Christian University, Chung-Li,

Taiwan

[4] Wei, X, (2004), Stacked microchannel heat sinks for liquid cooling of microelectronics

devices, Ph.D, thesis, Academic Faculty, Georgia Institute of Technology

[5] Dang, T.T & Teng, J.T, (2011), The effects of configurations on the performance of

microchannel counter-flow heat exchangers-An experimental study, Applied Thermal

Engineering, Vol 31, Issue 17-18, 2011, pp 3946-3955 (SCIE)

[6] Dang, T.T.; Teng, J.T., & Chu, J.C, (2010), A study on the simulation and experiment of a

microchannel counter-flow heat exchanger, Applied Thermal Engineering, Volume 30,

Issues 14-15, 2010, p.p 2163-2172 (SCIE)

[7] Dang, T.T & Teng, J.T, (2011), Comparison on the heat transfer and pressure drop of

the microchannel and minichannel heat exchangers, Heat and Mass Transfer, Vol, 47,

2011, pp 1311-1322 (SCI)

[8] Dang, T.T & Teng, J.T, (2010), Numerical and experimental studies of the impact of

flow arrangement on the behavior of heat transfer of a microchannel heat exchanger,

IAENG International Journal of Applied Mathematics Volume 40, 207-213

[9] Thangtrung Dang, Daly Minh Nao, Ngoctan Tran, and Jyh-Tong Teng, (2013), A Novel

Design for a Scooter Radiator Using Minichannel, International Journal of

Computational Engineering Research Volume 3, 41-49

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 Nguyễn Đình Trung, nhận bằng Kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô tại

trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Nghiên cứu về lĩnh vực động cơ đốt trong, hiện đang công tác tại trường Cao Đẳng Nghề Số 22 Dĩ An – Bình Dương

2 Nguyễn Văn Trạng, nhận bằng Kỹ sư chuyên ngành Ô tô và máy động lực tại trường Đại

học Bách khoa Tp HCM năm 2002, bằng Thạc sĩ kỹ thuật từ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM năm 2004 Tốt nghiệp Tiến sĩ tại trường Đại học Yeungnam, Hàn Quốc năm 2014 Nghiên cứu về lĩnh vực động cơ đốt trong, động lực học kết cấu cơ khí Hiện đang công tác tại khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

3 Đặng Thành Trung: nhận bằng Kỹ sư và Thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Nhiệt-Điện

lạnh tại trường Đại học Bách khoa Tp HCM lần lượt từ năm 2001 và 2004 Tốt nghiệp Tiến sĩ tại trường Đại học Trung Nguyên, Đài Loan, năm 2010 Công nhận chức danh Phó Giáo sư vào năm 2013 Nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt, năng lượng Hiện đang công tác tại khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM