3. Giới thiệu chung về hệ thống lăm mât động cơ
3.3.4. Hệ thống lăm mât bằng nướ cở nhiệt độ cao
Hệ thống lăm mât ở nhiệt độ cao ở đđy bao gồm hai hệ thống lăm mât chính lă hệ thống lăm mât cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bín ngoăi vă hệ thống lăm mât cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt hơi nước vă nhiệt của khí thải.
3.3.4.1. Hệ thống lăm mât cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bín ngoăi
2 3 4 5 7 1 p2 , tra 6 p2 , tvào
Hình 3-6 Sơ đồ hệ thống lăm mât cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bín ngoăi 1- Động cơ; 2- Van tiết lưu; 3- Bộ tâch hơi; 4- Quạt gió; 5- Bộ ngưng tụ nước;
6- Không khí lăm mat; 7- Bơm nước.
Trong hệ thống năy có hai vùng âp suất riíng khâc nhau. Vùng thứ nhất có âp suất p1 truyền từ bộ tâch hơi (3) qua bộ ngưng tụ (5) đến bơm tuần hoăn (7). Quạt gió (4) dùng để quạt mât bộ ngưng tụ (5). Vùng thứ hai có âp suất p2 > p1 truyền từ bơm tuần hoăn qua động cơ đến van tiết lưu (2) của bình tâch hơi (3), độ chính âp suất ∆p = p2 - p1 được điều chỉnh bởi van tiết lưu (2). Nước trong vùng có
âp suất cao p2 không sôi mă chỉ nóng lín (từ nhiệt độ tvăo đến tra ). Âp suất p2 tương ứng với nhiệt độ sôi t2 > tra nín nước chỉ sôi ở bộ tâch hơi có âp suất p1 < p2.
3.3.4.2. Hệ thống lăm mât cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước vă nhiệt của khí thải nhiệt của khí thải
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 p2 , t'ra PK>P1 P K > P 1 P1 t'1>t1 P1 p2, t1 tra p1 t1 tr 1
Hình 3-7 Sơ đồ hệ thống lăm mât nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước vă nhiệt của khí thải
1- Động cơ; 2- Tuabin tăng âp; 3- Đường thải; 4- Bộ tăng nhiệt cho hơi nước; 5- Bộ tăng nhiệt cho nước ra; 6- Bộ tăng nhiệt cho nước trước khi văo bộ tâch hơi;
7,9- Van tiết lưu; 8- Bộ tâch hơi nước; 10- Tuabin hơi; 11- Bộ ngưng tụ; 12,14,15,16- Bơm nước; 13- Thùng chứa nước.
Hệ thống lăm mât năy có hai vòng tuần hoăn vă quâ trình hoạt động như sau: - Vòng 1: Bộ tâch hơi (8) đến bơm tuần hoăn (14) văo động cơ (1), bộ tăng nhiệt trước cho nước tuần hoăn (5) đến van tiết lưu (7), bộ tâch hơi (8). Nước tuần hoăn trong hệ thống tuần hoăn lăm kín nhờ bơm (11) bơm lấy nước từ bộ tâch hơi với âp suất p1 đưa văo động cơ với âp suất p2. Từ động cơ nước lưu động ra với âp suất p2 vă nhiệt độ tra rồi văo bộ tăng nhiệt (5), ở đđy nhiệt độ nđng lín t’ra > tra.
Nhưng do âp suất của p2 của nước tương ứng với với nhiệt độ sôi t2> t’ra> tra nín nước không sôi trong động cơ vă cả bộ tăng nhiệt. Nước chỉ sôi ở bộ tâch hơi sau khi qua bơm tiết lưu, tại đđy âp suất giảm từ p2 xuống p1 với nhiệt độ t1.
- Vòng 2: Hơi từ bộ tâch hơi (8) qua bộ tăng nhiệt (4), sau đó văo tuabin (10), rồi văo bộ ngưng tụ (11). Nước lăm mât do hơi nước ngưng tụ trong bộ phận ngưng tụ (11) được bơm (12) bơm văo buồng chứa (13) rồi qua bơm (15) để bơm văo bộ tăng nhiệt (6), sau đó qua van điều tiết tự động (9) văo bộ tâch hơi. Nước lăm mât của vòng tuần hoăn ngoăi chảy văo bình lăm mât dầu, đi lăm mât đỉnh vă qua bộ ngưng tụ (11) đều do bơm (16) của hệ thống bơm cấp văo mạch hở để piston lăm mât nước trong mạch kín.
Ưu điểm của hệ thống lăm mât năy lă: Có thể nđng cao được hiệu suất lăm việc của động cơ lín 6-7%, giảm được lượng tiíu hao hơi nước vă không khí lăm mât, do đó ta rút gọn được kích thước bộ tản nhiệt, đốt chây được nhiều lưu huỳnh trong nhiín liệu năy.
Tuy nhiín, hệ thống lăm mât năy cũng có những nhược điểm cơ bản lă nhiệt độ của câc chi tiết mây cao. Do đó cần đảm bảo câc khe hở công tâc của câc chi tiết cũng như cần phải dùng loại dầu bôi trơn có tính chịu nhiệt tốt. Ngoăi ra đối với động cơ xăng cần phải chú ý đến hiện tượng kích nổ. Khi tăng âp suất để nđng nhiệt độ của nước lăm mât trong hệ thống, cần phải đảm bảo câc mối nối đường ống, câc khe hở của bơm phải kín hơn, bộ tản nhiệt phải chắc chắn hơn.
3.4. Hệ thống lăm mât động cơ bằng không khí (gió)
Hệ thống lăm mât của động cơ lăm mât bằng gió bao gồm ba bộ phận chủ yếu- phiến tản nhiệt trín thđn mây vă nắp xilanh, quạt gió vă bản dẫn gió. Hệ thống lăm mât bằng không khí chia lăm hai loai: lăm mât bằng không khí kiểu tự nhiín vă kiểu lăm mât theo cưỡng bức (dùng quạt gió).
Tùy thuộc văo đặc điểm của từng loại động cơ mă trang bị hệ thống lăm mât hợp lý.
3.4.1. Hệ thống lăm mât bằng không khí kiểu tự nhiín
Hệ thống lăm mât kiểu năy rất đơn giản. Nó chỉ gồm câc phiến tản nhiệt bố trí trín nắp xilanh vă thđn mây. Câc phiến ở mặt trín nắp xilanh bao giờ cũng bố trí dọc theo hướng di chuyển của xe, câc phiến lăm mât ở thđn thường bố trí vuông góc với đường tđm xilanh. Đa số động cơ môtô vă xe mây bố trí hệ thống lăm mât kiểu năy.
Tuy nhiín, một văi loại xe mây đặt động cơ nằm ngang lại bố trí phiến tản nhiệt dọc theo đường tđm xilanh để tạo điều kiện gió lùa qua rênh giữa câc phiến tản nhiệt. Hệ thống lăm mât kiểu tự nhiín lợi dụng nhiệt khi xe chạy trín đường để lấy lăm mât câc phiến tản nhiệt.
Do đó, khi xe lín dốc hay chở nặng hoặc chạy chậm... thường động cơ bị quâ nóng do lăm mât kĩm. Để khắc phục nhược điểm năy người ta đưa ra phương ân lăm mât bằng không khí kiểu cưỡng bức.
3.4.2. Hệ thống lăm mât không khí kiểu cưỡng bức
Hệ thống kiểu năy có ưu điểm lớn lă không phụ thuộc văo tốc độ di chuyển của xe dù xe vẫn đứng một chỗ vẫn đảm bảo lăm mât tốt cho động cơ. Tuy nhiín, hệ thống lăm mât kiểu năy vẫn còn tồn tại nhược điểm lă kết cấu thđn mây vă nắp xilanh phức tạp, rất khó chế tạo do câch bố trí câc phiến tản nhiệt vă hình dạng câc phiến tản nhiệt.
Hiệu quả lăm mât của hệ thống phụ thuộc nhiều về hình dạng, số lượng vă câch bố trí câc phiến tản nhiệt trín thđn mây vă nắp xilanh.
1 2 3 4 6 5 (A) (B)
Hình 3-8 Hệ thống lăm mât bằng không khí động cơ 4 xi lanh (A)- Hệ thống lăm mât bằng gió dùng quạt gió hướng trục. (B)- Quạt gió hướng trục.
1- Tang trống có cânh quạt; 2- Nắp đầu trục; 3- Bulông; 4- Trục quạt gió; 5- Tang trống có cânh dẫn; 6- Bânh đai truyền.
Hệ thống lăm mât bằng gió kiểu cưỡng bức bao gồm ba bộ phận chủ yếu đó lă câc phiến tản nhiệt trín thđn mây vă nắp xilanh, quạt gió vă bản dẫn gió. Nhưng quan trọng nhất lă quạt gió, quạt gió cung cấp lượng gió cần thiết, có tốc độ cao để lăm mât động cơ. Quạt gió được dẫn động từ trục khuỷu cung cấp gió với lưu lượng lớn lăm mât động cơ. Để rút ngắn thời gian từ trạng thâi nguội khi khởi khởi động đến trạng thâi nhiệt ổn định, quạt gió trang bị ly hợp thủy lực hay điện từ.
Hình vẽ (A) giới thiệu hướng lưu động dòng không khí lăm mât động cơ bốn xilanh dung quạt gió hướng trục. Từ hình vẽ ta thấy không khí qua cửa hút gió, qua quạt gió hướng trục rồi theo bản dẫn gió đi văo khu vực câc phiến tản nhiệt của câc xilanh, sau đó theo ống thải thoât ra ngoăi.
Nhờ có bản dẫn gió nín dòng không khí lăm mât được phđn chia đều cho câc xilanh, khiến cho nhiệt độ câc xilanh tương đối đồng đều. Hơn nữa do khí có bản dẫn gió, dòng không khí đi sât mặt đỉnh của câc phiến tản nhiệt vì vậy có thể nđng cao hiệu suất truyền nhiệt. Ngoăi ra nhờ có bản dẫn gió, ta có thể bố trí ưu tiín cho dòng không khí đến lăm mât câc vùng nóng nhất (xupâp thải, buồng chây…).
Bản dẫn gió được chế tạo bằng tôn dăy 0,8 ÷ 1mm. Để trânh rung vă ồn, bản dẫn gió được cố định văo thđn mây.
4. Kết cấu câc cụm chi tiết chính của hệ thống lăm mât bằngnước
Trong hệ thống lăm mât bằng chất lỏng thì sự tuần hoăn của chất lỏng được thực hiện một câch cưỡng bức dưới tâc dụng của bơm nước bơm văo âo lăm mât, nước bị hđm nóng vă qua đường nước ở nắp mây trở về kĩt nước. Quạt gió có tâc dụng lăm nguội nước ở kĩt lăm mât được nhanh chóng.
4.1. Kết cấu kĩt lăm mât
Kĩt lăm mât có tâc dụng để chứa nước truyền nhiệt từ nước ra không khí để hạ nhiệt độ của nước vă cung cấp nước nguội cho động cơ khi lăm việc. Vì vậy yíu cầu kĩt nước phải hấp thụ vă toả nhiệt nhanh. Ðể đảm bảo yíu cầu đó thì bộ phận tản nhiệt của kĩt nước thường được lăm bằng đồng thau vì vật liệu năy có hệ số tỏa nhiệt cao.
Kích thước bín ngoăi vă hình dâng của kĩt lăm mât phụ thuộc văo bố trí chung, chiều cao của động cơ, chiều cao của mui xe, kết cấu của bộ tản nhiệt... Nhưng tốt nhất lă bề mặt đón gió của kĩt lăm mât nín có dạng hình vuông để cho tỷ lệ giữa diện tích chắn gió của quạt đặt sau kĩt lăm mât vă diện tích đón gió của kĩt tiến gần đến một. Trín thực tế tỷ lệ đó chỉ chiếm 75 ÷ 80%.
Kĩt lăm mât được phđn lăm hai loai: kĩt lăm mât kiểu “nước- nước” vă kĩt lăm mât kiểu “nước - không khí” .
Kĩt lăm mât kiểu “nước-nước” được dùng trín động cơ có hai vòng tuần hoăn, nước lăm mât như đê nói trín trong đó nước ngọt đi trong ống, cấu tạo của kĩt nước năy cũng tương tự kĩt lăm mât dầu nhờn bằng nước.
Kĩt lăm mât kiểu “nước- không khí”, thường dùng trín câc loại ô tô mây kĩo bao gồm ba phần, ngăn trín chứa nước nóng từ động cơ ra, ngăn dưới chứa nước nguội để văo lăm mât động cơ, nối giữa ngăn trín vă ngăn dưới lă giăn ống truyền nhiệt. Giăn ống truyền nhiệt lă bộ phận quan trọng nhất của kĩt lăm mât.
Ðânh giâ chất lượng kĩt lăm mât bằng hiệu quả lăm mât cao tức hệ số truyền nhiệt của bộ phận tản nhiệt lớn, công suất tiíu tốn ít để dẫn động bơm nước, quạt gió. Cả hai chỉ tiíu đó đều phụ thuộc văo 3 yếu tố sau:
- Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu lăm kĩt tản nhiệt. - Khả năng truyền nhiệt đối lưu của kĩt.
- Kết cấu của kĩt.(diện tích bề mặt truyền nhiệt).
Hình 4-1 Sơ đồ kĩt nước
Ðể giải quyết vấn đề thứ nhất, người ta dùng vật liệu chế tạo ống vă lâ tản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt cao như: đồng, nhôm.
Vấn đề thứ hai được thực hiện bằng câch tăng tốc độ lưu động của môi chất thải nhiệt (nước) vă môi chất thu nhiệt (không khí) nhằm tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu của chúng.
Tuy nhiín, tăng tốc độ lưu động đòi hỏi phải tăng công suất tiíu hao cho dẫn động bơm nước vă quạt gió.
Vấn đề thứ ba bao gồm việc chọn hình dâng vă kích thước của ống vă lâ tản nhiệt, vă câch bố trí ống trín kĩt.
Hình 4-2 Kết cấu một số ống nước
Thông thường kĩt lăm mât được lăm bằng câc ống dẹt, cắm sđu trong câc lâ tản nhiệt bằng đồng thau (hình 4.2a). Ống nước dẹt lăm bằng đồng có chiều dăy thănh ống lă (0,13 - 0,20)mm vă kích thước tiết diện ngang của ống lă (13÷20) x (2÷4)mm. Còn câc lâ tản nhiệt có chiều dăy khoảng (0,08 ÷ 0,12)mm.
Câc ống được bố trí theo kiểu song song (hình 4.2a) hoặc theo kiểu so le (hình 4.2.d). Loại so le dùng phổ biến nhất vì hiệu quả truyền nhiệt của nó tốt hơn loại song song. Trong một số trường hợp, để tăng hiệu quả truyền nhiệt (tăng không đâng kể), người ta đặt ống chếch đi một góc năo đó (hình 4.2c).
Ðể tạo xoây cho dòng không khí nhằm tăng hiệu quả truyền nhiệt, người ta còn dùng ống dẹt hăn với lâ tản nhiệt gấp khúc (hình 4.2b), trín lâ dập rênh thủng, hoặc dùng ống dẹt hăn với lâ tản nhiệt hình sóng (hình 4.2e) vă trín phần sóng của lâ đó được dập lõm (chỗ có số 1). Hai loại năy có hệ số truyền nhiệt khâ cao, nín
i)
k
cũng được ứng dụng rộng rêi trín động cơ ô tô. Trín một số mây kĩo vă tải nặng người ta còn dùng ống tròn có gđn tản nhiệt hình xoắn ốc (hình 4.2g). Loại năy có ưu điểm lă thay thế do hỏng hóc của từng ống rất đơn giản vì câc ống không phải hăn văo ngăn trín vă ngăn nước dưới như câc kiểu ống dẹt mă ghĩp vă lăm kín bằng câc đệm cao su chịu nhiệt.
Câc kiểu bộ phận tản nhiệt níu trín đđy dùng lâ tản nhiệt hoặc gđn tản nhiệt thì ống tản nhiệt đều lă ống nước.
Trín một số rất ít động cơ mây kĩo người ta còn dùng bộ phận tản nhiệt ống không khí hình tròn hoặc hình lục lăng, mang tín kĩt nước hình “tổ ong” (hình 4- 2.i). Loại năy ít dùng vì hệ số truyền nhiệt kĩm.
Muốn nđng cao hiệu quả truyền nhiệt của kĩt lăm mât thì phải giảm bước của lâ tản nhiệt, bước của ống cả theo chiều ngang (chiều đón gió) vă cả chiều sđu (chiều gió) cũng như tăng chiều sđu của kĩt (tức lă tăng số dêy ống theo chiều sđu). Nhưng tăng chiều sđu nhiều cũng không có hiệu quả lớn vì rằng khi hệ số truyền nhiệt của dêy ống đê ổn định thì nếu tăng chiều sđu lín 50%, khả năng tản nhiệt của kĩt tăng15% , còn nếu tăng chiều sđu lín 100% thì khả năng tản nhiệt cũng chỉ tăng thím 20%. Cần chú ý rằng câc biện phâp nđng cao hiệu quả trín đđy đều kĩo theo sự gia tăng sức cản khí động của kĩt. Thông thường kĩt nước dùng trín ô tô sức cản khí động của không khí qua kĩt không vượt quâ 300 (N/m2).
Ðânh giâ kết cấu kĩt lăm mât dùng trín ô tô mây kĩo bằng hệ số hiệu quả vă hệ số thu gọn Theo [2] tập 3 ta có như sau:
0 20 40 60 80 100 4 8 12 ωkk.ρkk 1 2 3 4 w/m2
Hình 4-3 Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt k với tích số của vận tốc vă mật độ không khí (ωkk.ρkk) của câc loại kĩt lăm mât khi tốc độ nước lă 0,4 m/s.
2. Câc ống dẫn nước so le.
3. Câc ống dẫn nước bố trí song song. 4. Loại kĩt nước tổ ong.
5. Hệ số hiệu quả η = e lm N F (m2/W) (7-1) Hệ số thu gọn φ = k lm V F (1/m) (7-2)
Giâ trị của η vă φ nằm trong khoảng sau:
+ η = (0,14 ÷ 0,20).10-3 m2/W - đối với ô tô du lịch. + η = (0,20 ÷ 0,41).10-3 m2/W - đối với ô tô tải.
+ φ = 900 ÷ 1100 (1/m) - trị số lớn nhất đối với ô tô du lịch, trị số nhỏ nhất đối với ô tô tải.
Flm- Diện tích tản nhiệt của bộ phận tản nhiệt (m2). Ne- Công suất có ích, danh nghĩa của động cơ (W). Vk- Thể tích tản nhiệt của bộ phận tản nhiệt (m3).
4.2. Kết cấu của bơm nước
Bơm nước có tâc dụng tạo ra một âp lực để tăng tốc độ lưu thông của nước lăm mât. Bơm có nhiệm vụ cung cấp nước cho hệ thống lăm mât với lưu lượng vă âp suất nhất định. Lưu lượng nước lăm mât tuần hoăn trong câc loại động cơ thay đổi trong phạm vi (68÷245) l/Kwh vă với tần số tuần hoăn khoảng (7 ÷ 12) lần /phút. Câc loại bơm dùng trong hệ thống lăm mât động cơ bao gồm: bơm ly tđm, bơm piston, bơm bânh răng, bơm guồng...được lần lượt giới thiệu ở phần sau.
4.2.1. Bơm ly tđm
Bơm ly tđm được dùng phổ biến trong hệ thống lăm mât câc loại động cơ. Nguyín lý lăm việc lă lợi dùng lực ly tđm của nước nằm giữa câc cânh để dồn nước từ trong ra ngoăi rồi đi lăm mât.
15 16 14 12 10 11 9 13 1 2 3 4 5 7 8 6
Hình 4-4 Kết cấu bơm nước ly tđm
1- Phớt, 2- Vú mỡ, 3- Vòng chặn dầu, 4- Ống lót, 5- Vít cấy, 6- Vòng chặn lớn, 7- Lò xo, 8- Bânh công tâc, 9- Mặt bích, 10- Trục bơm, 11- Đai ốc, 12- Đường nối với