Giới thiệu chung về hệ thống làm mát động cơ. Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao. Kết cấu các cụm chi tiết chính của hệ thống làm mát bằng nước Kết cấu két làm mát. Kết cấu của bơm nước. Hệ thống làm mát động cơ bằng không khí (gió).
Mục đích và ý nghĩa đề tài
Để động cơ hoạt động hiệu quả, các hệ thống như nhiên liệu, bôi trơn và làm mát cần hoạt động ổn định Những hệ thống này ảnh hưởng lớn đến công suất, tuổi thọ và hiệu suất của động cơ Trong số đó, hệ thống làm mát là một trong những yếu tố quan trọng nhất.
Mục đích của đề tài là:
- Hiểu rõ các phương án làm mát cho động cơ động cơ đốt trong;
- Vận dụng lý thuyết truyền nhiệt, tính toán kiểm tra nhiệt két làm mát theo các thông số thực tế và rút ra nhận xét.
Với mục đích trên, đề tài này có ý nghĩa không kém phần quan trọng đối với sinh viên ngành Cơ khí Động Lực chúng ta.
Việc thực hiện đề tài này giúp sinh viên củng cố kiến thức đã học và rèn luyện kỹ năng nghiên cứu độc lập, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho sự nghiệp của các kỹ sư tương lai.
Giới thiệu chung về hệ thống làm mát động cơ
Hệ thống làm mát
Hệ thống làm mát bằng nước bao gồm nhiều loại như làm mát bốc hơi, đối lưu tự nhiên, cưỡng bức và hở Mỗi loại hệ thống này có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với điều kiện làm việc của từng loại động cơ.
2.1.1 Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi:
Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi là loại đơn giản nhất Hệ thống này không cần bơm, quạt.
Bộ phận chứa nước có hai phần: khoang nước bao quanh thành xilanh, khoang nắp xilanh và thùng chứa nước bay hơi ở phía trên.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống như sau:
Hình 2-1 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi.
1- Khoang chứa nước bốc hơi; 2- Thùng nhiên liệu; 3- Nắp xilanh; 4- Thân máy; 5- Xi lanh; 6- Thanh truyền; 7- Hộp cacte chứa dầu.
Khi động cơ hoạt động, nước trong buồng cháy hấp thụ nhiệt, dẫn đến hiện tượng sôi và tạo bọt nước, bốc hơi ra ngoài không khí Nước nguội có tỉ trọng lớn hơn sẽ chìm xuống, thay thế cho nước nóng nổi lên, tạo ra dòng đối lưu tự nhiên Việc thiết kế hệ thống bốc hơi cần dựa vào nhiệt lượng của động cơ.
Phương pháp làm mát bằng bốc hơi nước thường làm giảm nhanh lượng nước trong thùng, do đó cần bổ sung nước thường xuyên Vì lý do này, kiểu làm mát này không phù hợp cho động cơ trên phương tiện vận tải, mà thường được sử dụng cho các động cơ đốt trong kiểu xilanh nằm ngang trên máy nông nghiệp cỡ nhỏ.
2.1.2 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên:
Hệ thống làm mát này hoạt động bằng cách lưu thông nước qua sự chênh lệch áp lực giữa cột nước nóng trong động cơ và cột nước lạnh trong thùng chứa, mà không cần sử dụng bơm.
Hình 2-2: Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên.
1- Thân máy; 2- Xilanh; 3- Nắp xilanh; 4- Đường ra két; 5- Nắp đổ rót nước;6- Két nước; 7- Không khí làm mát; 8- Quạt gió; 9- Đường nước làm mát động cơ.Nước nhận nhiệt của xilanh trong thân máy (1), khối lượng riêng nước giảm nên nước nổi lên trên Trong khoang của nắp xilanh (3), nước tiếp tục nhận nhiệt của các chi tiết bao quanh buồng cháy, nhiệt độ tiếp tục tăng và khối lượng riêng nước tiếp tục giảm,nước tiếp tục nổi lên theo đường dẫn ra khoang phía trên của két làm mát (6) Quạt gió
Hệ thống được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu động cơ, hút không khí qua két làm mát nước Khi nước trong két được làm lạnh, khối lượng riêng của nó giảm, khiến nước chìm xuống khoang dưới và sau đó đi vào thân máy, hoàn thành vòng tuần hoàn.
Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên mang lại ưu điểm nổi bật trong việc duy trì chế độ làm mát phù hợp với tình trạng không tải của động cơ Khi khởi động, sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai cột nước nóng và nguội thấp, dẫn đến chênh lệch áp lực nhỏ Điều này khiến nước lưu thông chậm, giúp động cơ nhanh chóng đạt được nhiệt độ làm việc hiệu quả.
Hệ thống làm mát hiện tại có nhược điểm là nước lưu động trong hệ thống có vận tốc thấp, khoảng V = 0,120,19 m/s, dẫn đến hiệu quả làm mát kém Để đảm bảo lưu lượng nước làm mát, cần tăng tiết diện lưu thông, gây ra sự cồng kềnh và nặng nề cho hệ thống Vì vậy, loại hệ thống làm mát này không phù hợp cho động cơ ô tô máy kéo, mà chỉ thích hợp cho động cơ tĩnh tại.
2.1.3 Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức:
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức khắc phục nhược điểm của hệ thống làm mát đối lưu tự nhiên bằng cách sử dụng bơm nước để tạo ra lưu lượng nước Có ba loại tuần hoàn cưỡng bức chính: một vòng kín, một vòng hở, và hai vòng tuần hoàn, mỗi loại có nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng riêng.
2.1.3.1 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng:
Hình 2-3 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng.
1- Thân máy; 2- Nắp xilanh; 3- Đường nước ra khỏi động cơ; 4- Ống dẫn bọt nước;5- Van hằng nhiệt; 6- Nắp rót nước; 7- Két làm mát; 8- Quạt gió; 9- Puly; 10- Ống nước nối tắt vào bơm; 11- Đường nước vào động cơ; 12- Bơm nước;
13- Két làm mát dầu; 14- Ống phân phối nước.
Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức của động cơ ô tô máy kéo một hàng xilanh, như mô tả trong hình (2.3), sử dụng bơm ly tâm (12) để tuần hoàn nước qua ống phân phối nước (14) vào các khoang chứa của các xilanh Nước được phân phối đồng đều cho mỗi xilanh thông qua ống phân phối (14) được đúc sẵn trong thân máy (1) Sau khi làm mát xilanh, nước tiếp tục làm mát nắp máy trước khi theo đường ống thoát ra.
Khi động cơ hoạt động ở nhiệt độ cao, nước sẽ chảy từ động cơ đến van hằng nhiệt Khi van mở, một phần nước sẽ quay lại bơm nước, trong khi phần lớn nước sẽ chảy vào bình chứa phía trên của két nước.
Nước từ bình chứa phía trên được dẫn qua các ống mỏng có cánh tản nhiệt và được làm mát bởi không khí từ quạt, được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ Nước lạnh từ bình chứa dưới được bơm hút vào và đẩy vào động cơ, tạo thành một chu kỳ làm mát tuần hoàn Hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng kín có ưu điểm là nước sau khi qua két làm mát sẽ trở về động cơ, giúp tiết kiệm nước và giảm thiểu việc bổ sung nước, rất thuận lợi cho các loại xe đường dài, đặc biệt ở những vùng thiếu nước.
2.1.3.2 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn hai vòng:
Hệ thống làm mát động cơ tàu thủy sử dụng hai vòng nước, trong đó vòng đầu tiên là nước vòng kín làm mát động cơ với nước có nhiệt độ thấp hơn Vòng thứ hai, hay còn gọi là vòng hở, sử dụng nước sông hoặc nước biển được bơm vào két làm mát để làm mát nước vòng kín trước khi thải ra môi trường Hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả làm mát và bảo vệ động cơ khỏi quá nhiệt.
Hệ thống làm mát cưỡng bức kiểu hai vòng tuần hoàn bao gồm các thành phần chính như đường nước phân phối, thân máy, nắp xilanh, van hằng nhiệt, két làm mát, đường nước ra vòng hở và bơm nước vòng hở Các bộ phận này phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả làm mát cho động cơ, giúp duy trì nhiệt độ hoạt động ổn định và nâng cao hiệu suất.
8- Đường nước vào bơm nước vòng hở; 9- Đường nước tắt về bơm vòng kín; 10-
Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao
Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao bao gồm hai loại chính: hệ thống làm mát cưỡng bức bằng phương pháp bốc hơi bên ngoài và hệ thống làm mát cưỡng bức tận dụng nhiệt hơi nước cùng nhiệt từ khí thải.
2.2.1 Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài:
Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài bao gồm các thành phần chính như động cơ, van tiết lưu, bộ tách hơi, quạt gió và bộ ngưng tụ nước Các bộ phận này hoạt động cùng nhau để duy trì nhiệt độ ổn định và hiệu quả trong quá trình làm mát.
6- Không khí làm mát; 7- Bơm nước.
Hệ thống này bao gồm hai vùng áp suất riêng biệt: vùng thứ nhất với áp suất p1, từ bộ tách hơi (3) qua bộ ngưng tụ (5) đến bơm tuần hoàn (7), trong khi quạt gió (4) làm mát bộ ngưng tụ (5) Vùng thứ hai có áp suất p2 lớn hơn p1, truyền từ bơm tuần hoàn đến động cơ và van tiết lưu (2) của bình tách hơi (3) Độ chênh áp suất p = p2 - p1 được điều chỉnh bởi van tiết lưu (2), và nước trong vùng áp suất cao p2 chỉ nóng lên mà không sôi.
(từ nhiệt độ tvào đến tra ) Áp suất p2 tương ứng với nhiệt độ sôi t2 > tra nên nước chỉ sôi ở bộ tách hơi có áp suất p1 < p2
2.2.2 Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước và nhiệt của khí thải:
14 đường nước làm mát õọỹ ng cồ đường nước làm mát dầ u bôi trơn
Hình 2-7: Sơ đồ hệ thống làm mát nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước và nhiệt của khí thải.
1- Động cơ; 2- Tuabin tăng áp; 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 vào bộ tách hơi; 7,9- Van tiết lưu; 8- Bộ tách hơi nước; 10- Tuabin hơi; 11- Bộ ngưng tụ; 12,14,15,16- Bơm nước; 13- Thùng chứa nước.
Hệ thống làm mát này có hai vòng tuần hoàn và quá trình hoạt động như sau:
Hệ thống tuần hoàn nước trong động cơ Diezel bao gồm bộ tách hơi (8), bơm tuần hoàn (14) và bộ tăng nhiệt (5) Nước được bơm từ bộ tách hơi với áp suất p1 vào động cơ, nơi áp suất nước tăng lên p2 Sau khi đi qua động cơ, nước thoát ra với áp suất p2 và nhiệt độ cao, sau đó được đưa vào bộ tăng nhiệt để nâng cao nhiệt độ Hệ thống này cũng bao gồm đường nước làm mát cho dầu bôi trơn và động cơ, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Do áp suất p2 của nước tương ứng với nhiệt độ sôi t2 lớn hơn t’ra và tra, nước không sôi trong động cơ và bộ tăng nhiệt Nước chỉ bắt đầu sôi ở bộ tách hơi sau khi đi qua van tiết lưu, tại đây áp suất giảm từ p2 xuống p1 với nhiệt độ t1.
Vòng tuần hoàn của hệ thống bắt đầu từ bộ tách hơi (8), nơi hơi nước được dẫn qua bộ tăng nhiệt (4) và vào tuabin (10) Sau khi đi qua tuabin, hơi nước sẽ vào bộ ngưng tụ (11), nơi nước làm mát được bơm (12) vào buồng chứa (13) và tiếp tục qua bơm (15) để quay trở lại bộ tăng nhiệt (6) Nước làm mát sau đó đi qua van điều tiết tự động (9) để trở về bộ tách hơi Đồng thời, nước làm mát từ vòng tuần hoàn bên ngoài cũng được bơm để làm mát dầu, làm mát đỉnh và đi qua bộ ngưng tụ (11).
Hệ thống bơm cấp vào mạch hở cho pittông làm mát nước trong mạch kín mang lại nhiều ưu điểm nổi bật Đầu tiên, hệ thống này có khả năng nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ từ 6-7% Thứ hai, nó giúp giảm lượng tiêu hao hơi nước và không khí làm mát, từ đó rút gọn kích thước bộ tản nhiệt Cuối cùng, hệ thống còn hỗ trợ đốt cháy nhiều lưu huỳnh có trong nhiên liệu, tối ưu hóa quá trình sử dụng năng lượng.
Hệ thống làm mát có nhược điểm là nhiệt độ cao của các chi tiết máy, do đó cần đảm bảo khe hở công tác và sử dụng dầu bôi trơn chịu nhiệt tốt Đối với động cơ xăng, cần chú ý hiện tượng kích nổ Khi tăng áp suất để nâng nhiệt độ nước làm mát, cần đảm bảo các mối nối ống, khe hở bơm kín và bộ tản nhiệt chắc chắn.
Kết cấu các cụm chi tiết chính của hệ thống làm mát bằng nước
Trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng, quá trình tuần hoàn của chất lỏng diễn ra một cách cưỡng bức nhờ vào bơm nước Nước được bơm vào áo làm mát, sau đó bị hâm nóng và trở về két nước qua đường ống ở nắp máy Quạt gió có vai trò quan trọng trong việc làm nguội nước một cách nhanh chóng.
2.3.1 Kết cấu két làm mát.
Két làm mát có chức năng chứa nước, truyền nhiệt từ nước ra không khí để hạ nhiệt độ và cung cấp nước nguội cho động cơ Để đạt hiệu quả tối ưu, két nước cần hấp thụ và tỏa nhiệt nhanh chóng, vì vậy bộ phận tản nhiệt thường được chế tạo từ đồng thau, vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao.
Kích thước và hình dáng của két làm mát phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bố trí chung, chiều cao động cơ, chiều cao mui xe và cấu trúc bộ tản nhiệt Để tối ưu hiệu suất, bề mặt đón gió của két làm mát nên có hình vuông, giúp tỷ lệ giữa diện tích chắn gió của quạt sau két và diện tích đón gió gần đạt 1 Tuy nhiên, thực tế tỷ lệ này chỉ đạt khoảng 75 đến 80%.
Két làm mát được phân làm hai loại : két làm mát “nước- nước” và két làm mát kiểu
Két làm mát nước-nước được thiết kế cho động cơ với hai vòng tuần hoàn nước, trong đó nước ngọt lưu thông qua ống Cấu trúc của két nước này tương tự như két làm mát dầu nhờn bằng nước.
Két làm mát kiểu “nước-không khí” thường được sử dụng trên ô tô máy kéo, bao gồm ba phần chính: ngăn trên chứa nước nóng từ động cơ, ngăn dưới chứa nước nguội để làm mát động cơ, và giàn ống truyền nhiệt nối giữa hai ngăn Giàn ống truyền nhiệt là bộ phận quan trọng nhất, và chất lượng của két làm mát được đánh giá qua hiệu quả làm mát cao, thể hiện qua hệ số truyền nhiệt lớn và công suất tiêu tốn ít cho bơm nước và quạt gió Hai chỉ tiêu này phụ thuộc vào ba yếu tố chính.
- Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu làm két tản nhiệt.
- Khả năng truyền nhiệt đối lưu của két
- Kết cấu của két.(diện tích bề mặt truyền nhiệt)
Để giải quyết vấn đề liên quan đến kết cấu két nước, người ta sử dụng các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao cho ống và lá tản nhiệt, điển hình là đồng và nhôm.
Để cải thiện hiệu suất truyền nhiệt, cần tăng tốc độ lưu động của nước (môi chất thải nhiệt) và không khí (môi chất thu nhiệt), từ đó nâng cao hệ số truyền nhiệt đối lưu của chúng.
Tuy nhiên, tăng tốc độ lưu động đòi hỏi phải tăng công suất tiêu hao cho dẫn động bơm nước và quạt gió.
Vấn đề thứ ba bao gồm việc chọn hình dáng và kích thước của ống và lá tản nhiệt, và cách bố trí ống trên két.
Hình 2-9 Kết cấu một số ống nước.
Két làm mát thường được cấu tạo từ các ống dẹt, được gắn sâu vào các lá tản nhiệt bằng đồng thau Ống nước dẹt bằng đồng có độ dày thành ống từ 0,13 đến 0,20 mm, với kích thước tiết diện ngang dao động từ 13 đến 20 mm.
(2 ÷4)mm Còn các lá tản nhiệt có chiều dày khoảng (0,08 ÷ 0,12)mm.
Các ống truyền nhiệt được bố trí theo kiểu song song hoặc so le, trong đó kiểu so le được ưa chuộng hơn do hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn Để tăng cường hiệu quả này, một số ống có thể được đặt nghiêng một góc nhất định Để tạo xoáy cho dòng không khí, ống dẹt hàn với lá tản nhiệt gấp khúc hoặc hình sóng cũng được sử dụng, mang lại hệ số truyền nhiệt cao và được ứng dụng rộng rãi trong động cơ ô tô Ngoài ra, trên một số máy kéo và tải nặng, ống tròn có gân tản nhiệt hình xoắn ốc được sử dụng, giúp việc thay thế ống hỏng hóc trở nên đơn giản nhờ vào cơ chế ghép và làm kín bằng đệm cao su chịu nhiệt.
Các kiểu bộ phận tản nhiệt nêu trên đây dùng lá tản nhiệt hoặc gân tản nhiệt thì ống tản nhiệt đều là ống nước.
Một số động cơ máy kéo hiếm hoi vẫn sử dụng bộ phận tản nhiệt ống không khí hình tròn hoặc hình lục lăng, được gọi là két nước hình “tổ ong” Tuy nhiên, loại két nước này ít được sử dụng do có hệ số truyền nhiệt thấp.
Để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của két làm mát, cần giảm khoảng cách giữa các lá tản nhiệt và ống theo cả chiều ngang và chiều sâu, đồng thời tăng chiều sâu của két bằng cách tăng số dãy ống Tuy nhiên, việc tăng chiều sâu quá nhiều sẽ không mang lại hiệu quả lớn, vì khi hệ số truyền nhiệt đã ổn định, việc tăng chiều sâu 50% chỉ làm tăng khả năng tản nhiệt khoảng 15%, và tăng 100% chỉ tăng thêm 20% Cần lưu ý rằng các biện pháp này sẽ làm tăng sức cản khí động của két, với mức sức cản không vượt quá 300 (N/m²) cho két nước trên ô tô Đánh giá kết cấu két làm mát trên ô tô máy kéo có thể thực hiện thông qua hệ số hiệu quả và hệ số thu gọn.
Hình 2-10 Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt K với tốc độ khối của không khí (ωkk.ρkk) của các loại két làm mát khi tốc độ nước là 0,4 m/s.
1 Các ống dẫn nước bố trí chếch với hướng gió một góc 45 0
2 Các ống dẫn nước so le.
3 Các ống dẫn nước bố trí song song.
4 Loại két nước tổ ong.
Giá trị của η cho ô tô du lịch nằm trong khoảng từ (0,14 đến 0,20).10 -3 m 2 /W, trong khi đối với ô tô tải, η dao động từ (0,20 đến 0,41).10 -3 m 2 /W Đối với trị số φ, ô tô du lịch có giá trị lớn nhất từ 900 đến 1100 (1/m), trong khi ô tô tải có trị số nhỏ nhất.
Diện tích tản nhiệt của bộ phận tản nhiệt (m²) được ký hiệu là Flm, trong khi công suất có ích, danh nghĩa của động cơ được ký hiệu là Ne (W) Thể tích tản nhiệt của bộ phận tản nhiệt được ký hiệu là Vk (m³).
2.3.2 Kết cấu của bơm nước.
Bơm nước đóng vai trò quan trọng trong việc tạo áp lực để tăng tốc độ lưu thông nước làm mát trong các động cơ Chức năng chính của bơm là cung cấp nước với lưu lượng và áp suất ổn định cho hệ thống làm mát Lưu lượng nước làm mát trong động cơ thường dao động từ 68 đến 245 l/(Kwh), với tần suất tuần hoàn khoảng 7 đến 12 lần/phút Các loại bơm sử dụng trong hệ thống làm mát động cơ bao gồm bơm ly tâm, bơm piston, bơm bánh răng và bơm guồng, sẽ được giới thiệu chi tiết hơn trong các phần sau.
Bơm ly tâm được dùng phổ biến trong hệ thống làm mát các loại động cơ.
Nguyên lý làm việc là lợi dùng lực ly tâm của nước nằm giữa các cánh để dồn nước từ trong ra ngoài rồi đi làm mát.
Hình 2-11 Kết cấu bơm nước ly tâm.
1- Phớt, 2- Vú mỡ, 3- Vòng chặn dầu, 4- Ống lót, 5- Vít cấy, 6- Vòng chặn lớn, 7- Lò xo, 8- Bánh công tác, 9- Mặt bích, 10- Trục bơm, 11- Đai ốc, 12- Đường nối với van hằng nhiệt, 13- Ổ bi, 14- Puly dẫn động, 15- Đệm điều chỉnh, 16- Then bán nguyệt. Trên hình 2.11, giới thiệu kết cấu một loại bơm nước ly tâm dùng trên ô tô lắp ở mặt đầu của thân máy và dẫn động quay bơm nước bằng đai truyền nhờ puly (14), lắp chặt trên trục bơm nhờ then bán nguyệt (16) Rãnh lắp đai truyền có thể thay đổi kích thước nhờ sự thay đổi số lượng vòng đệm (15)
Hệ thống làm mát động cơ bằng không khí (gió)
Hệ thống làm mát của động cơ sử dụng phương pháp làm mát bằng gió bao gồm ba thành phần chính: phiến tản nhiệt trên thân máy và nắp xilanh, quạt gió và bản dẫn gió Có hai loại hệ thống làm mát bằng không khí: làm mát tự nhiên và làm mát cưỡng bức, sử dụng quạt gió Việc lựa chọn hệ thống làm mát phù hợp sẽ phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại động cơ.
2.4.1 Hệ thống làm mát bằng không khí kiểu tự nhiên:
Hệ thống làm mát này rất đơn giản, bao gồm các phiến tản nhiệt được bố trí trên nắp xilanh và thân máy Các phiến trên nắp xilanh thường được sắp xếp dọc theo hướng di chuyển của xe, trong khi các phiến ở thân máy thường đặt vuông góc với đường tâm xilanh Hệ thống làm mát kiểu này được sử dụng phổ biến trong đa số động cơ môtô và xe máy.
Một số loại xe máy có động cơ nằm ngang thiết kế phiến tản nhiệt dọc theo trục xilanh, giúp gió dễ dàng luồn qua các rãnh giữa các phiến Hệ thống làm mát tự nhiên này tận dụng gió khi xe di chuyển để làm mát các phiến tản nhiệt hiệu quả.
Khi xe di chuyển lên dốc, chở nặng hoặc chạy chậm, động cơ thường gặp tình trạng quá nóng do khả năng làm mát không hiệu quả Để khắc phục vấn đề này, giải pháp làm mát bằng không khí cưỡng bức đã được áp dụng.
2.4.2 Hệ thống làm mát không khí kiểu cưỡng bức:
Hệ thống làm mát này mang lại ưu điểm nổi bật là không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của xe, đảm bảo khả năng làm mát hiệu quả ngay cả khi xe đứng yên Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là cấu trúc thân máy và nắp xilanh phức tạp, gây khó khăn trong quá trình chế tạo do cách bố trí và hình dạng của các phiến tản nhiệt.
Hiệu quả làm mát của hệ thống phụ thuộc nhiều về hình dạng, số lượng và cách bố trí các phiến tản nhiệt trên thân máy và nắp xilanh.
Hình 2-18 Hệ thống làm mát bằng không khí động cơ 4 xi lanh.
(A)- Hệ thống làm mát bằng gió dùng quạt gió hướng trục
(B)- Quạt gió hướng trục 1- tang trống có cánh quạt, 2- nắp đầu trục, 3- bulông, 4- trục quạt gió, 5- bánh đai truyền, 6- tang trống có cánh dẫn.
Hệ thống làm mát bằng gió kiểu cưỡng bức bao gồm ba bộ phận chính: phiến tản nhiệt, quạt gió và bản dẫn gió Trong đó, quạt gió đóng vai trò quan trọng nhất, cung cấp lượng gió lớn với tốc độ cao để làm mát động cơ Quạt gió được dẫn động từ trục khuỷu, giúp tăng cường lưu lượng gió làm mát Để rút ngắn thời gian từ trạng thái nguội khi khởi động đến trạng thái nhiệt ổn định, quạt gió thường được trang bị ly hợp thủy lực hoặc điện từ.
Hình vẽ (A) minh họa hướng lưu động của dòng không khí làm mát cho động cơ bốn xylanh, sử dụng quạt gió hướng trục Không khí đi vào qua cửa hút gió (khu vực a), sau đó được quạt gió hướng trục (khu vực b) đẩy vào các phiến tản nhiệt của xylanh (khu vực c), và cuối cùng thoát ra ngoài qua ống thải (khu vực d).
Bản dẫn gió giúp phân chia đều dòng không khí làm mát cho các xylanh, giữ nhiệt độ tương đối đồng đều giữa chúng Nó còn tăng cường hiệu suất truyền nhiệt nhờ dòng không khí tiếp xúc sát mặt đỉnh của các phiến tản nhiệt Thêm vào đó, bản dẫn gió cho phép ưu tiên dòng không khí đến làm mát những khu vực nóng nhất như xupáp thải và buồng cháy.
Bản dẫn gió được chế tạo bằng tôn dày 0,8 ÷ 1mm Để tránh rung và ồn, bản dẫn gió được cố định vào thân máy
So sánh ưu khuyết điểm của kiểu làm mát bằng nước và kiểu làm mát bằng không khí
Động cơ làm mát bằng nước mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ làm mát bằng không khí, đặc biệt trong việc đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Hệ thống làm mát bằng nước mang lại hiệu quả cao hơn, giúp duy trì nhiệt độ thấp hơn cho các chi tiết động cơ Trong điều kiện tải giống nhau, động cơ xăng sử dụng làm mát bằng không khí cần giảm tỉ số nén để tránh kích nổ Đặc biệt, động cơ làm mát bằng nước có thân ngắn hơn khoảng 10-15% và nhẹ hơn 8-10% so với động cơ làm mát bằng không khí, nhờ khả năng đúc các xilanh liền khối, giảm thiểu khoảng cách giữa các xilanh.
Do giảm được độ dài của thân động cơ nên có thể tăng độ cứng vững của thân động cơ, trục khuỷu và trục cam.
Khi làm việc, động cơ làm mát bằng nước có tiếng ồn nhỏ hơn.
Tổn thất công suất để dẫn động quạt gió của động cơ làm mát bằng nước nhỏ hơn động cơ làm mát bằng gió.
Tuy vậy, hệ thống làm mát bằng nước cũng có những nhược điểm sau đây:
Kết cấu thân máy và nắp xilanh rất phức tạp và rất khó chế tạo.
Phải dùng két nước tản nhiệt bằng đồng Kết cấu của két nước cũng rất phức tạp, khó chế tạo và dùng vật liệu quý như đồng, thiếc
Dễ bị rò rỉ nước xuống cacte nên có thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng dầu nhờn ở dưới cacte.
Khi nhiệt độ xuống thấp, nước trong áo nước và két nước có thể bị đóng băng, dẫn đến nguy cơ vỡ hệ thống làm mát Để bảo vệ động cơ hoạt động trong điều kiện lạnh, cần sử dụng hỗn hợp nước có trộn glyxêrin hoặc glycôn, giúp hạ thấp nhiệt độ đông đặc của nước làm mát.
Phải thường xuyên súc rửa hệ thống làm mát vì nước bẩn hoặc nước cứng đóng cặn làm giảm khả năng truyền nhiệt.
Không thuận lợi khi sử dụng ở vùng khan hiếm nước.
Các hư hỏng thường gặp và cách khắc phục sửa chữa hệ thống làm mát
Các hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa
Tất cả các hư hỏng trong hệ thống làm mát đều ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của động cơ Vì vậy, việc nhanh chóng phát hiện và khắc phục các hư hỏng là rất quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả.
- Két nước bị tắc (tắc một phần) do sự đóng cặn của các chất khoáng trên thành ống
Các ống nước tản nhiệt bị bẹp cản trở lưu thông nước qua két, dẫn đến giảm hiệu suất truyền nhiệt Ngoài ra, ống nước bị thủng cũng gây ra hiện tượng rò rỉ nước, ảnh hưởng đến hệ thống làm mát.
- Cánh tản nhiệt của giàn ống bị dập do va đập, làm cản trở khí thổi qua két để làm mát két.
- Các ống nối dẫn nước vào két hoặc ra từ két bị bẹp, làm cản trở lưu thông tuần hoàn của nước qua két.
+ Cách khắc phục, sửa chữa:
Thông rửa két nước là quá trình tẩy sạch các chất bám trên thành ống bằng nước rửa hóa chất, kết hợp với dòng nước mạnh lưu thông qua hệ thống làm mát Lưu ý rằng, trong quá trình thông rửa, cần tháo van hằng nhiệt ra khỏi hệ thống để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
Bạn có thể tháo riêng cả hai ống nối giữa két và động cơ để rửa từng cụm một Mặc dù phương pháp này tiêu tốn nhiều nước hơn, nhưng nó mang lại hiệu quả làm sạch tốt hơn so với việc rửa chung cho toàn bộ hệ thống.
- Gò, hàn lại ống nước tản nhiệt Số lượng hàn lấp không quá 10% tổng số ống.
- Nắn thẳng lại các cánh tản nhiệt.
- Thử nghiệm thời gian nước chảy qua két làm mát: nếu lưu lượng giảm cỡ 15% so với thiết kế, phải sửa chữa hoặc thay thế két mới.
Phải thay két mới nếu:
Số ống nước móp méo lớn hơn 20%.
Số đường ống bị tắc bị loại bỏ lớn hơn 10%.
Số cánh tản nhiệt bị hỏng lớn hơn 20%.
Sau khi sửa chữa xong, phải thử độ kín khít các bộ phận.
- Vòng đệm cao su làm kín bị hỏng.
- Lò xo của áp suất và van chân không bị giảm đàn hồi hay kẹt, dẫn đến sai lệch áp suất điều chỉnh.
+ Cách khắc phục, sửa chữa:
- Thay vòng đệm cao su mới, đảm bảo kín khít của két.
- Thay thế nắp két mới, cùng chủng loại.
Trong quá trình làm việc, các chi tiết của bơm nước chịu nhiều tác dụng lý hóa, gây hư hỏng.
- Rò rỉ nước qua lỗ thăm ở thân bơm và bề mặt lắp ghép thân bơm với thân máy.
- Trục bơm bị rơ ngang do ổ bi bị hỏng.
Ống bao kín đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự rò rỉ dầu (mỡ) vào nước làm mát trong các ổ bi Khi trục bơm quay, sự mài mòn của các phớt có thể làm tăng khe hở giữa trục và mặt trong của phớt, dẫn đến việc dầu (mỡ) bị rò rỉ vào nước làm mát Điều này không chỉ gây ra sự biến chất của nước làm mát mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
- Bánh công tác của bơm bị ăn mòn lớn, gãy vỡ.
+ Cách khắc phục, sửa chữa:
Kiểm tra bộ phận phớt bao kín và thay thế nếu hỏng Đánh giá bề mặt đế lắp phớt trên thân bơm; nếu bị mòn rỗ, có thể doa và mài bóng lại hoặc doa rộng, sau đó đóng ống lót và mài bóng bề mặt tiếp xúc Đảm bảo thay các gioăng đệm mới giữa mặt lắp ghép thân bơm với thân máy để ngăn ngừa rò rỉ nước.
- Thay ổ bi mới cùng tiêu chuẩn.
Thay thế bánh công tác mới hoặc bơm mới là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động Nếu sửa chữa bánh công tác, cần chú ý đến độ bền, độ cứng vững và tính cân bằng động để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Van hằng nhiệt bị liệt hoặc kẹt có thể gây ra tình trạng động cơ quá nóng do nước không được làm nguội Nếu van kẹt ở vị trí đóng, nước không lưu thông qua két, trong khi nếu van mở quá mức, thời gian làm ấm động cơ sẽ kéo dài Hiện tượng này không chỉ làm giảm hiệu suất động cơ mà còn dẫn đến mòn nhanh, tiêu tốn nhiên liệu và gia tăng ô nhiễm môi trường.
+ Cách khắc phục, sửa chữa:
Tháo van khỏi động cơ để tẩy rửa và làm sạch các cáu bẩn bám trên van Kiểm tra khả năng đóng mở của van theo nhiệt độ; nếu van không hoạt động đúng yêu cầu, cần phải thay thế.
- Cánh quạt gió nứt, gãy,cong vênh.
+ Cách khắc phục, sửa chữa:
Nếu cánh quạt bị nứt hoặc gãy, cần thay mới theo đúng thông số kỹ thuật Các vết nứt dọc hoặc ngang ở phía rìa cánh quạt (ít nhất 65mm tính từ tâm quạt ra phía đuôi cánh quạt mỗi bên) có thể được hàn theo công nghệ hàn quy định.
Thông thường nếu cánh quạt gió có bị hư hỏng điều gì đều được thay mới vì giá thành của cánh quạt rẻ, dễ thay thế
Khi các bộ phận bao kín gặp hư hỏng, dầu mỡ có thể xâm nhập vào dung môi làm mát, gây ra sự biến chất Do đó, việc thay thế dung môi làm mát là cần thiết sau khi đã sửa chữa các bộ phận này.
Các phương pháp kiểm tra hư hỏng hệ thống làm mát
3.2.1 Kiểm tra và bổ sung nước làm mát:
Kiểm tra và bổ sung nước làm mát là việc cần thiết trước khi khởi động xe Trong trường hợp động cơ quá nóng trong quá trình lái xe, hãy dừng lại và chờ nhiệt độ giảm xuống mức an toàn Sau đó, kiểm tra và bổ sung nước vào két làm mát, đảm bảo mực nước đạt đến cổ lỗ đổ nước Nên sử dụng nước theo quy định của nhà chế tạo, nếu không có, hãy dùng nước mềm và sạch Để đảm bảo hiệu quả, nước làm mát cần được thay thế tối đa sau 2 năm, vì nước sử dụng lâu sẽ mất khả năng chống ăn mòn và tạo cặn.
3.2.2 Kiểm tra hiện tượng rò rỉ nước của hệ thống làm mát:
Khi nhận thấy nước làm mát thường bị tiêu hao nhanh, cần kiểm tra sự rò rỉ, thất thoát ở cả trong và ngoài để tìm nguyên nhân khắc phục.
Quan sát trực tiếp động cơ là cần thiết để phát hiện hiện tượng ướt do nước chảy, kiểm tra kỹ các đầu nối và ống nối của hệ thống cũng như khu vực bình chứa nước dưới két nước và bơm nước Sử dụng thước thăm dầu để kiểm tra tình trạng dầu trong cácte; nếu dầu bẩn hoặc có độ nhớt kém, cần xả dầu để kiểm tra sự có mặt của nước Nếu phát hiện nhiều nước, điều này cho thấy có khả năng nước chảy vào hệ thống bôi trơn Cuối cùng, mở nắp két nước để kiểm tra váng dầu; sự hiện diện của váng dầu cho thấy có thể có khí cháy từ xilanh hoặc dầu bị lọt sang đường nước làm mát.
Phương pháp này thường chỉ hiệu quả khi có rò rỉ lớn, sự rò rỉ nhỏ thường khó phát hiện.
Để kiểm tra độ kín của két, hãy giữ mức nước trong két thấp hơn vành cổ lỗ đổ nước khoảng 15 mm Tiếp theo, lắp bơm tay có áp kế vào két và bơm khí vào với áp suất không vượt quá mức quy định.
Áp suất 25 kPa so với áp suất làm việc của két cho thấy hệ thống kín nếu áp suất duy trì ổn định trong vài phút Ngược lại, nếu áp suất giảm, cần áp dụng các phương pháp kiểm tra khác để xác định nguyên nhân gây rò rỉ.
Kiểm tra rò rỉ bằng tia cực tím là một phương pháp hiệu quả Bạn chỉ cần pha một lượng chất phát quang vào nước làm mát và cho động cơ chạy để nước ấm lên Sau đó, sử dụng đèn chiếu tia cực tím vào các khu vực nghi ngờ, nếu có rò rỉ, chất phát quang sẽ phát sáng màu xanh, giúp dễ dàng quan sát Để đạt hiệu quả tốt hơn, bạn có thể kết hợp phương pháp này với việc cho khí nén vào hệ thống, giúp phát hiện hầu hết các vị trí rò rỉ.
Kiểm tra độ kín và áp suất mở van nắp két nước bằng bơm tay có đồng hồ áp suất là cần thiết Đầu tiên, lắp két nước vào ống trung gian và kết nối với bơm Bơm từ từ và theo dõi đồng hồ để kiểm tra áp suất mở van xả Tiếp tục bơm giữ áp suất thấp hơn áp suất mở van một chút; nếu áp suất không giảm trong vài phút, van được coi là kín Nếu áp suất mở van đạt yêu cầu và van kín, van được xem là đạt tiêu chuẩn Van hút có thể kiểm tra bằng tay, nếu mở nhẹ nhàng là đạt yêu cầu.
Kiểm tra khí cháy lọt vào hệ thống làm mát là rất quan trọng Nếu có rò rỉ giữa hệ thống làm mát và xilanh, khí cháy sẽ xâm nhập vào hệ thống làm mát và thoát ra ngoài qua van xả của nắp két nước Để kiểm tra, có thể sử dụng một ống nối, kết nối với lỗ thoát hơi ở nắp két nước và nhúng đầu còn lại vào một bình nước; nếu xuất hiện bọt khí sủi lên nhiều, điều này cho thấy có khí lọt vào đường nước Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị phân tích khí cũng là một phương pháp hiệu quả Bằng cách mở nắp két nước, khởi động động cơ và đặt đầu hút khí của thiết bị vào miệng két nước, nếu có khí cháy (CO, CO2, HC) xâm nhập, thiết bị sẽ phát hiện và hiển thị hàm lượng các chất này.
3.2.3 Kiểm tra hiện tượng tắc két nước:
Nếu két nước có dấu hiệu tắc nghẽn như nhiệt độ nước cao, nước trào ra khi mở nắp hoặc khi tăng tốc động cơ, cần tiến hành kiểm tra để khắc phục Việc kiểm tra có thể thực hiện một cách đơn giản để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.
- Xả nước động cơ và tháo két ra khỏi động cơ hoàn toàn, bịt kín hai đầu nối của két.
- Đổ nước vào đầy két rồi mở nút bịt ở đầu ống nối phía dưới.
Khi quan sát hiện tượng nước chảy ra, cần lưu ý rằng nước trong két phải được xả hết trong vòng vài giây Nếu lưu lượng nước chảy ra thấp hơn khả năng thông qua của ống thoát, tức là nước chảy không mạnh, điều này cho thấy két nước đang bị tắc một phần và cần được thông rửa.
3.2.4 Kiểm tra van hằng nhiệt:
Việc kiểm tra van hằng nhiệt được thực hiện như sau:
- Tháo van ra khỏi động cơ, tẩy rửa và làm sạch các cặn bám trên van.
- Chuẩn bị nhiệt kế chính xác, một chậu nước (trong suốt) và phương tiện đun nước.
Để kiểm tra van hằng nhiệt, hãy đặt nó chìm lơ lửng trong bình nước và cắm nhiệt kế mà không để chạm đáy bình nhằm đảm bảo độ chính xác Đun nước nóng và theo dõi nhiệt độ; van sẽ bắt đầu mở ở khoảng 81 ÷ 85 độ C và mở hoàn toàn ở 95 ÷ 100 độ C Sau khi nước nguội, kiểm tra nhiệt độ khi van đóng hoàn toàn phải ở mức 75 ÷ 80 độ C Nếu không đạt yêu cầu, cần thay thế van hằng nhiệt mới.
3.2.5 Kiểm tra, điều chỉnh bộ truyền đai:
Nếu đai bị mòn bóng, có vết xước, nứt vỡ hoặc xơ sợi, cần thay mới ngay Các puly cần được làm sạch và kiểm tra bề mặt rãnh lắp đai Nếu puly bị mòn, sứt hoặc nứt vỡ, cũng cần thay mới Đảm bảo rằng tất cả các puly nằm trên cùng một mặt phẳng; nếu có sự lệch lạc, cần điều chỉnh lại cho đúng.
Để kiểm tra độ căng của đai, sử dụng dụng cụ chuyên dụng và so sánh kết quả với thông số kỹ thuật của động cơ Nếu không có dụng cụ, có thể kiểm tra bằng tay bằng cách ấn nhẹ vào giữa nhánh đai dài nhất; nếu độ võng không vượt quá 5mm thì đạt yêu cầu Nếu không đạt, cần phải căng đai lại theo cấu trúc cụ thể của bộ truyền.
3.2.6 Thông rửa hệ thống làm mát:
Nếu hệ thống làm mát có dấu hiệu bị tắc hoặc nước làm mát bẩn, cần xả nước và thông rửa hệ thống, ngay cả khi chưa đạt thời gian sử dụng hoặc số km xe chạy Để đảm bảo rửa sạch, nên sử dụng phương pháp tẩy rửa bằng hóa chất kết hợp với dòng nước mạnh lưu thông trong hệ thống Có nhiều loại hóa chất tẩy rửa có thể áp dụng cho quy trình này.
- Dung dịch 100 g Na2CO3 ngậm nước + 2 g K2Cr2O7 + 1 lít nước;
- Dung dịch 100 g H3PO4 + 50 g CrO3 + 1 lít nước;
Hệ thống làm mát động cơ YC4G170-20 được chế tạo với nhiều chi tiết bằng hợp kim nhôm, do đó cần tránh sử dụng hóa chất rửa có gốc axit để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn Nếu bắt buộc phải sử dụng, cần pha thêm các hóa chất chống ăn mòn để bảo vệ các chi tiết này.
Quy trình thông rửa hệ thống làm mát động cơ YC4G170-20 theo phương pháp tuần hoàn kín, có dung dịch hóa chất, được thực hiện như sau:
- Xả hết nước trong hệ thống làm mát;
- Tháo van hằng nhiệt ra khỏi hệ thống làm mát;
Để làm sạch hệ thống làm mát, cần xác định dung tích của hệ thống và đổ một lượng hóa chất rửa phù hợp vào két Sau đó, đảm bảo tỉ lệ hóa chất với nước hợp lý trước khi đổ đầy nước vào hệ thống Cuối cùng, ngâm trong thời gian quy định để đạt hiệu quả tối ưu.
- Khởi động động cơ, cho làm việc ở tốc độ nhanh trong khoảng thời gian 20 phút, chú ý theo dõi nhiệt độ không để nước sôi;
- Dừng động cơ, chờ cho nước nguội rồi xả nước ra khỏi hệ thống;
Các phương pháp cấp, xả nước trong hệ thống làm mát
Việc cấp nước làm mát cho động cơ có thể thực hiện bởi phương pháp hết sức đơn giản, dễ dàng
Sử dụng bơm nước và ống mềm để dẫn nước trực tiếp vào cổ đổ nước của két làm mát Quá trình cấp nước sẽ dừng lại khi nước làm mát đạt khoảng 2 ÷ 3 cm cách miệng cổ đổ nước.
Ngoài ra ta cũng có thể dùng tay đổ trực tiếp nước làm mát vào két nước thông qua lỗ đổ nước của két.
Khi cần sửa chữa động cơ hoặc các bộ phận trong hệ thống làm mát, việc đầu tiên là xả nước ra khỏi hệ thống Điều này được thực hiện bằng cách tháo nút xả nước ở khoang dưới của két làm mát Tùy thuộc vào mức độ và vị trí sửa chữa, bạn có thể xả toàn bộ hoặc một phần nước làm mát.
