7. TÍNH TÔN NHIỆT CỦA HỆ THỐNG LĂM MÂT ĐỘNG CƠ 4JB1-TC
7.1.Tổng quan về hệ thống lăm mât động cơ Turbo 4JB1-TC
7.1.1. Mục đích vă ý nghĩa của việc lăm mât cho động cơ
Khi động cơ lăm việc, nhiín liệu chây trong xylanh tỏa nhiệt lăm câc chi tiết tiếp xúc với buồng chây bị đốt nĩng. Nếu câc chi tiết quâ nĩng thì độ bền cơ học giảm, điều kiện bơi trơn kĩm, biến dạng nhiệt năng vă cĩ thể gđy ra hiện tượng bĩ kẹt Piston- xecmăng trong xylanh. Mặt khâc, điều kiện bơi trơn kĩm lăm tăng măi mịn. Câc chi tiết buồng chây quâ nĩng cịn lăm cơng suất động cơ giảm vă cĩ thể gđy hiện tượng chây trong động cơ xăng.
Để cho động cơ hoạt động hiệu quả, câc hệ thống của động cơ như hệ thống nhiín liệu, hệ thống bơi trơn, hệ thống lăm mât… phải lăm việc một câch ổn định. Ngoăi ra, sự lăm việc của câc hệ thống năy cũng cĩ tâc động lớn về cơng suất, tuổi thọ, hiệu suất lăm việc của động cơ. Hệ thống lăm mât lă một trong những hệ thống quan trọng của động cơ.
Nếu nhiệt độ câc chi tiết quâ thấp so với chế độ nhiệt thích hợp thì chất lượng hịa trộn nhiín liệu với khơng khí sẽ kĩm, do đĩ nhiín liệu chây khơng hết lăm giảm cơng suất vă tăng tiíu hao nhiín liệu. Do đĩ, nếu khơng lăm mât hay lăm mât khơng đủ, câc chi tiết đĩ sẽ nĩng lín, quâ nhiệt độ cho phĩp, sẽ gđy ra nhiều tâc hại như: ứng suất nhiệt lớn, sức bền giảm, dẫn đến phâ hỏng câc chi tiết, giảm chất lượng bơi trơn, giảm hiệu suất, cơng suất động cơ...
Vì vậy, cần lăm mât động cơ bằng khơng khí hay bằng nước (chất lỏng).Với bất kỳ hệ thống lăm mât kiểu năo, cần phải đảm bảo những yíu cầu kỹ thuật sau:
- Bảo đảm động cơ lăm việc tốt ở mọi chế độ lăm việc vă mọi điều kiện khí hậu cũng như điều kiện đường sâ (đối với động cơ đặt trín xe);
- Tiíu hao cơng suất cho việc lăm mât phải tương đối bĩ;
- Kết cấu của hệ thống lăm mât phải gọn nhẹ, đơn giản, dễ chế tạo vă lắp râp, sửa chữa;
- Vật liệu phải đảm bảo truyền nhiệt tốt nhưng rẻ tiền.
Nhiệm vụ của hệ thống lăm mât: Lă tản nhiệt vă duy trì chế độ nhiệt thích hợp cho câc chi tiết tiếp xúc với buồng chây để đảm bảo động cơ hoạt động bình thường.
7.1.2. Giới thiệu chung về hệ thống lăm mât
7.2. Hệ thống lăm mât bằng khơng khí
Trong hệ thống lăm mât bằng khơng khí, phải tạo ra xung quanh xylanh một luồng khơng khí bao bọc để thu nhiệt. Muốn tăng bề mặt tỏa nhiệt thì bề ngoăi của động cơ phải cĩ nhiều gđn nổi lín hay cịn gọi lă cânh tản nhiệt. Hệ thống lăm mât bằng khơng khí cĩ hai loại: Lăm mât tự nhiín vă lăm mât cưỡng bức.
7.2.1. Lăm mât tự nhiín
Lăm mât tự nhiín thường dùng ở động cơ cơng suất nhỏ, lắp trín mơtơ xe mây, người ta lợi dụng tốc độ của xe chạy trín đường để lấy khơng khí lăm mât động cơ.
7.2.2. Lăm mât cưỡng bức
Lăm mât cưỡng bức khâc với lăm mât tự nhiín lă cĩ thím quạt giĩ vă bản hướng giĩ. Khi động cơ lăm việc, quạt sẽ hút hay đẩy dịng khí qua câc cânh tản nhiệt để lăm nguội động cơ lắp trín ơtơ, xe mây...
Động cơ lăm mât bằng khơng khí so với lăm mât bằng nước cĩ ưu điểm: Lă kích thước vă trọng lượng nhỏ, an toăn vă dễ sử dụng hơn, nhưng lại cĩ nhược điểm lă thường cĩ tiếng kíu hay ồn, do dịng khí phải đi qua câc khe hở nhỏ giữa những cânh tản nhiệt. Ngoăi ra, lăm mât tự nhiín cịn cĩ thím nhược điểm lă khơng điều chỉnh được nhiệt độ của động cơ khi phụ tải thay đổi, nghĩa lă phụ tải tăng, nhiệt độ của động cơ cũng tăng nhưng khả năng lăm mât lại giảm đi.
7.3. Hệ thống lăm mât bằng nước
Hệ thống lăm mât bằng nước được chia ra nhiều kiểu khâc nhau như: Lăm mât bằng nước kiểu bốc hơi, kiểu đối lưu tự nhiín, kiểu cưỡng bức vă kiểu hở. Mỗi kiểu lăm mât đều cĩ những ưu nhược điểm khâc nhau vă thích hợp cho từng điều kiện lăm việc của từng động cơ.
7.3.1. Lăm mât bằng nước bốc hơi
Hệ thống lăm mât bằng nước bốc hơi lă loại đơn giản nhất, cĩ cấu tạo đơn giản, vì khơng cần quạt giĩ vă bơm. Bộ phận chứa nước gồm hai phần: Khoang nước bao quanh thănh xylanh, khoang nắp xylanh vă thùng chứa nước bốc hơi ở phía trín.
Sơ đồ nguyín lý của hệ thống lăm việc như sau:
1 2
3 4 5 6 7
Hình 7 – 1 Hệ thống lăm mât bằng nước kiểu bốc hơi.
1- Khoang chứa nước bốc hơi; 2- Thùng nhiín liệu; 3- Nắp xylanh; 4- Thđn mây; 5- Xy lanh; 6- Thanh truyền; 7- Hộp cacte chứa dầu.
Khi động cơ lăm việc, nước nhận nhiệt của thănh buồng chây sẽ sơi tạo thănh bọt nước, nổi lín mặt thông của thùng chứa để bốc hơi ra ngoăi khí trời. Nước nguội trong thùng chứa cĩ tỷ trọng lớn chìm xuống điền chỗ cho nước nĩng đê nổi lín, do đĩ tạo thănh lưu động đối lưu tự nhiín. Căn cứ văo nhiệt lượng của động cơ để thiết kế hệ thống kiểu bốc hơi.
Hệ thống lăm mât bằng nước bốc hơi cĩ cấu tạo đơn giản, vì khơng cĩ bơm nước vă quạt giĩ nhưng yíu cầu nước phải sạch vă ít muối không để trânh đĩng cặn mặt ngoăi của âo lĩt xylanh, lăm giảm việc truyền nhiệt cho nước lăm mât. Do lăm mât bằng câch bốc hơi, mức nước trong thùng chứa sẽ giảm nhanh, cần phải bổ sung nước thường xuyín vă kịp thời. Vì vậy kiểu lăm mât năy khơng thích hợp cho câc động cơ dùng trín phương tiện vận tải mă thường dùng ở một động cơ cĩ cơng suất nhỏ vă xylanh đặt nằm ngang trín câc mây nơng nghiệp cỡ nhỏ, ví dụ: Mây D12, D18 trong nơng nghiệp.
7.3.2. Lăm mât bằng nước đối lưu tự nhiín
Trong hệ thống lăm mât kiểu đối lưu tự nhiín, nước lưu động tuần hoăn nhờ chính lệch âp lực giữa hai cột nước nĩng vă lạnh. Hệ thống lăm mât bằng nước đối
lưu gồm cĩ: Kĩt nước, quạt gĩ lăm mât, ống dẫn. Sơ đồ nguyín lý lăm việc:
1 2 3 4 5 6 7 9 8
Hình 7- 2 Hệ thống lăm mât bằng nước kiểu đối lưu tự nhiín. 1- Thđn mây; 2- Xylanh; 3- Nắp xylanh; 4- Đường ra kĩt; 5- Nắp đổ rĩt nước;
6- Kĩt nước; 7- Khơng khí lăm mât; 8- Quạt giĩ; 9- Đường nước lăm mât động cơ. Nguyín lý lăm việc: Khi động cơ lăm việc, nước lưu động tuần hoăn nhờ chính âp lực của hai cột nước nĩng vă nước nguội, mă khơng cần bơm. Cột nước nĩng trong động cơ vă cột nước nguội trong thùng chứa hoặc trong kĩt nước. Nước nhận nhiệt của xylanh trong thđn mây, khối lượng riíng giảm nín nước nổi lín trín. Trong khoang của nắp xylanh, nước tiếp nhận nhiệt của câc chi tiết bao quanh buồng chây, nhiệt độ tiếp tục tăng vă khối lượng riíng tiếp tục giảm, nước tiếp tục nổi lín theo đường dẫn ra khoang phía trín của kĩt lăm mât. Quạt giĩ được dẫn động bằng buli từ trục khuỷu động cơ hút khơng khí qua kĩt. Do đĩ, nước trong kĩt được lăm mât giảm nín nước sẽ chìm xuống khoang dưới của kĩt vă từ đđy đi văo thđn mây, thực hiện một vịng tuần hoăn.
Hệ thống lăm mât bằng nước kiểu đối lưu tự nhiín cĩ ưu điểm lă chế độ lăm mât phù hợp với chế độ khơng tải của động cơ. Khi mới khởi động do sự chính lệch nhiệt độ của hai cột nước nĩng vă nguội bĩ nín chính lệch âp lực giữa hai cột nước bĩ. Vì vậy, nước lưu động chậm, động cơ chĩng đạt nhiệt độ ở chế độ lăm việc.
Lăm mât nước đối lưu so với lăm mât bằng nước bốc hơi, tuy cấu tạo phức tạp hơn nhưng cĩ ưu điểm lă tự động điều chỉnh được sự lưu thơng của nước nín khả năng lăm mât động cơ tốt hơn. Tuy nhiín, hệ thống cĩ nhược điểm lă nước lưu động trong hệ thống cĩ vận tốc bĩ văo khoảng V = 0,120,19 m/s. Điều đĩ dẫn đến hiệu quả lăm mât kĩm. Do tốc độ nước bĩ mă muốn đảm bảo lưu lượng nước lăm
mât thì phải tăng tiết diện lưu thơng của nước trong động cơ dẫn đến hệ thống lăm mât nặng nề cồng kềnh. Do vậy, hệ thống lăm mât kiểu năy khơng thích hợp cho động cơ ơ tơ mây kĩo, mă dùng trín động cơ tĩnh tại cĩ cơng suất nhỏ vă xylanh đặt nằm ngang.
7.3.3. Lăm mât bằng nước cưỡng bức
a. Lăm mât bằng nước cưỡng bức tuần hoăn
Hệ thống lăm mât tuần hoăn cưỡng bức khắc phục được nhược điểm trong hệ thống lăm mât kiểu đối lưu tự nhiín. Trong hệ thống năy, nước lưu động do sức đẩy cột nước của bơm nước tạo ra. Tùy theo số vịng tuần hoăn vă kiểu tuần hoăn, ta cĩ câc loại tuần hoăn cưỡng bức như: Hệ thống lăm mât tuần hoăn cưỡng bức một vịng kín, kiểu cưỡng bức một vịng hở, kiểu cưỡng bức hai vịng tuần hoăn. Mỗi kiểu lăm mât cĩ những nguyín lý lăm việc, ưu nhược điểm, phạm vi sử dụng khâc nhau.
a1. Hệ thống lăm mât cưỡng bức tuần hoăn kín một vịng :
1 14 2 3 5 7 8 12 13 6 11 4 9 10
Hình 7 - 3 Hệ thống lăm mât cưỡng bức tuần hoăn kín một vịng. 1- Thđn mây; 2- Nắp xilanh; 3- Đường nước ra khỏi động cơ; 4- Ống dẫn bọt nước;5- Van hằng nhiệt; 6- Nắp rĩt nước; 7- Kĩt lăm mât; 8- Quạt giĩ; 9- Puly; 10-
Ống nước nối tắt văo bơm; 11- Đường nước văo động cơ; 12- Bơm nước; 13- Kĩt lăm mât dầu; 14- Ống phđn phối nước.
Trín hình (7- 3) lă hệ thống lăm mât tuần hoăn cưỡng bức của động cơ ơ tơ mây kĩo một hăng xilanh. Ở đđy, nước tuần hoăn nhờ bơm ly tđm (12), qua ống phđn phối nước (14) đi văo câc khoang chứa của câc xilanh. Để phđn phối nước lăm mât đồng đều cho mỗi xilanh, nước sau khi bơm văo thđn mây (1) chảy qua ống phđn phối (14) đúc sẵn trong thđn mây. Sau khi lăm mât xilanh, nước lín lăm mât nắp mây rồi theo đường ống (3) ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao đến van hằng nhiệt (5). Khi van hằng nhiệt mở, một phần nước chảy qua đường ống (10) về lại trước ống hút của bơm nước (12), một phần lớn nước qua van văo bình chứa phía trín của kĩt nước.
Tiếp theo, nước từ bình phía trín đi qua câc ống mỏng cĩ gắn cânh tản nhiệt. Tại đđy, nước được lăm mât bởi dịng khơng khí qua kĩt do quạt (8) tạo ra. Quạt được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu của động cơ. Tại bình chứa phía dưới, nước cĩ nhiệt độ thấp hơn lại được bơm nước hút văo, rồi đẩy văo động cơ, thực hiện một chu kỳ lăm mât tuần hoăn.
Ưu điểm của hệ thống lăm mât cưỡng bức một vịng kín lă nước sau khi qua kĩt lăm mât lại trở về động cơ, do đĩ đỡ phải bổ sung nước, tận dụng được trở lại nguồn nước lăm mât tiếp động cơ. Do đĩ, hệ thống năy rất thuận lợi đối với câc loại xe đường dăi, nhất lă ở những vùng thiếu nguồn nước.
a2. Hệ thống lăm mât cưỡng bức tuần hoăn hai vịng:
Trong hệ thống năy, nước được lăm mât tại kĩt nước khơng phải lă dịng khơng khí do quạt giĩ tạo ra mă lă bằng dịng nước cĩ nhiệt độ thấp hơn, như nước sơng, biển. Vịng thứ nhất lăm mât động cơ như ở hệ thống lăm mât cưỡng bức một vịng cịn gọi lă nước vịng kín. Vịng thứ hai với nước sơng hay nước biển được bơm chuyển đến kĩt lăm mât để lăm mât nước vịng kín, sau đĩ lại thải ra sơng, biển nín gọi lă vịng hở. Hệ thống lăm mât hai vịng được dùng phổ biến ở động cơ tău thủy.
Hệ thống lăm việc như sau: Nước ngọt lăm mât động cơ đi theo chu trình kín, bơm nước (10) đến động cơ lăm mât thđn mây vă nắp xilanh đến kĩt lăm mât nước ngọt (5). Nước ngọt trong hệ thống kín được lăm mât bởi nước ngoăi mơi trường bơm văo do bơm (7), qua lưới lọc, qua câc bình lăm mât dầu, qua kĩt lăm mât (5), lăm mât nước ngọt rồi theo đường ống (6) đổ ra ngoăi mơi trường.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Hình 7- 4 Hệ thống lăm mât cưỡng bức kiểu hai vịng tuần hoăn
1-Đường nước phđn phối; 2- Thđn mây; 3- Nắp xilanh; 4- Van hằng nhiệt; 5- Kĩt lăm mât; 6- Đường nước ra vịng hở; 7- Bơm nước vịng hở; 8- Đường nước văo bơm nước vịng hở; 9- Đường nước tắt về bơm vịng
kín; 10- Bơm nước vịng kín.
Khi động cơ mới khởi động, nhiệt độ của nước trong hệ thống tuần hoăn kín cịn thấp, van hằng nhiệt (4) đĩng đường nước đi qua kĩt lăm mât nước ngọt. Vì vậy, nước lăm mât ở vịng lăm mât ngoăi, nước được hút từ bơm (7) qua kĩt lăm mât (5) theo đường ống (6) đổ ra ngoăi. Van hằng nhiệt (4) cĩ thể đặt trín mạch nước ngọt để khi nhiệt độ nước ngọt lăm mât thấp, nĩ sẽ đĩng đường ống đi văo kĩt lăm mât (5). Lúc năy nước ngọt cĩ nhiệt độ thấp sau khi lăm mât động cơ qua van hằng nhiệt (4) rồi theo đường ống đi văo bơm nước ngọt (10) để bơm trở lại động cơ.
a3. Hệ thống lăm mât một vịng hở:
Hệ thống lăm mât kiểu năy về mặt bản chất khơng khâc nhiều so với hệ thống lăm mât cưỡng bức một vịng kín.
5 3 7 4 2 1 6 8 Hình 7- 5 Hệ thống lăm mât một vịng hở.
1-Đường nước phđn phối; 2- Thđn mây; 3- Nắp mây; 4- Van hằng nhiệt; 5- Đường nước ra vịng hở; 6- Đường nước văo bơm; 7- Đường nước nối tắt về bơm; 8- Bơm
nước.
Trong hệ thống năy nước lăm mât lă nước sơng, biển được bơm (8) hút văo, lăm mât động cơ, sau đĩ theo đường nước (5) đổ ra sơng, biển. Hệ thống năy cĩ ưu điểm lă đơn giản. Tuy nhiín, ở một số kiểu động cơ, nước lăm mât đạt được ở 1000- C hoặc cao hơn. Khi nước ở nhiệt độ cao, nước sẽ bốc hơi. Hơi nước cĩ thể tạo thănh ngay trong âo nước lăm mât (kiểu bốc hơi bín trong) hoặc hơi nước bị tạo ra trong một thiết bị riíng (kiểu bốc hơi bín ngoăi). Do đĩ, cần phải cĩ một hệ thống lăm
mât riíng cho động cơ.
So sânh hai hệ thống lăm mât kín vă hở của động cơ tău thủy thì hệ thống hở cĩ kết cấu đơn giản hơn, nhưng nhược điểm của nĩ lă nhiệt độ của nước lăm mât phải giữ trong khoảng 500 ÷ 600C để giảm bớt sự đĩng cặn của câc muối ở thănh xylanh, nhưng với nhiệt độ năy do sự lăm mât khơng đều nín ứng suất nhiệt của câc chi tiết sẽ tăng lín. Cũng do vâch âo nước bị đĩng cặn muối mă sự truyền nhiệt từ xylanh văo nước lăm mât cũng kĩm. Ngoăi ra, do ảnh hưởng của nhiệt độ nước ở ngoăi tău thay đổi mă nhiệt độ nước trong hệ thống hở cũng dao động lớn. Điều năy khơng cĩ lợi cho chế độ lăm mât.
7.4. Câc bộ phận chính của hệ thống lăm mât bằng nước.
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 nĩng vă qua đường nước ở nắp mây trở về kĩt nước. Quạt giĩ cĩ tâc dụng lăm nguội nước được nhanh chĩng.
7.4.1. Kĩt nước
Kĩt nước lăm mât hay bộ tản nhiệt dùng để lăm nguội nước nĩng, nghĩa lă truyền nhiệt từ nước nĩng sau khi đê lăm mât động cơ ra khí trời. Vì vậy yíu cầu của kĩt nước phải hấp thụ vă tỏa nhiệt nhanh. Để đảm bảo yíu cầu đĩ thì bộ phận tản nhiệt của kĩt nước thường được lăm bằng đồng thau vì vật liệu năy cĩ hệ số tỏa nhiệt cao. Kích thước bín ngoăi vă hình dâng của kĩt nước 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 đĩn giĩ của kĩt lăm mât nín cĩ dạng hình vuơng để cho tỷ lệ giữa diện tích chắn giĩ của quạt đặt sau kĩt lăm mât vă diện tích đĩn giĩ