TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Xe máy là phương tiện giao thông phổ biến nhất tại Việt Nam, chiếm tới 85,8% tổng số xe lưu thông, trong khi ô tô chỉ chiếm 12,3% Khoảng 85% dân số Việt Nam sử dụng xe máy hàng ngày để di chuyển và kiếm sống Theo thống kê của Hiệp hội các nhà sản xuất xe máy Việt Nam (VAMM) năm 2017, Việt Nam đứng thứ 4 thế giới về mức tiêu thụ xe máy Với những ưu điểm như nhỏ gọn, linh hoạt trong di chuyển, dễ bảo trì và giá cả hợp lý, xe máy vẫn là lựa chọn hàng đầu của người dân Việt Nam.
Khi động cơ hoạt động, hỗn hợp hòa khí cháy trong buồng đốt tỏa ra nhiệt lượng cao, một phần chuyển thành công và phần còn lại thoát ra môi trường qua các chi tiết như xilanh, piston và xupap Ngoài ra, nhiệt lượng cũng phát sinh do ma sát giữa các chi tiết Nếu không được làm mát đầy đủ, các bộ phận sẽ nóng lên quá mức, dẫn đến các hư hỏng nghiêm trọng như cháy xupap và bó piston Do đó, động cơ cần được giải nhiệt để duy trì nhiệt độ khoảng 80-90 oC cho hoạt động ổn định Hiện nay, hệ thống làm mát xe gắn máy chủ yếu chia thành hai loại: giải nhiệt cưỡng bức bằng không khí và giải nhiệt bằng dung dịch Hệ thống làm mát bằng không khí có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, nhưng hiệu suất thường kém hơn, yêu cầu dung tích xi-lanh lớn hơn Ngược lại, hệ thống làm mát bằng dung dịch kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu tốt hơn, mang lại hiệu suất cao và độ ổn định tốt hơn, do đó ngày càng được ưa chuộng trên các dòng xe tay ga và xe công suất lớn.
Hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch có một số hạn chế như cánh tản nhiệt mỏng dễ bị biến dạng và các tép nước dễ bị thủng, dẫn đến rò rỉ dung dịch làm mát và giảm hiệu quả giải nhiệt Bên cạnh đó, việc sử dụng các loại dung dịch nước làm mát cho động cơ hiện nay vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần khắc phục.
- Thời gian để động cơ đạt được nhiệt độ làm việc tối ưu còn dài
- Hiệu quả làm mát chưa cao khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao trong thời gian dài
- Hiệu suất tổn hao và tuổi thọ động cơ vẫn chưa được cải thiện nhiều so với khi sử dụng phương pháp giải nhiệt bằng không khí
Việc nghiên cứu và phát triển các loại môi chất giải nhiệt mới là cần thiết để khắc phục những hạn chế của Ethylene glycol, loại môi chất truyền thống thường được sử dụng.
Ngành công nghiệp chế tạo ô tô đang phát triển mạnh mẽ, trong đó cải thiện khả năng truyền nhiệt để nâng cao hiệu suất động cơ là rất quan trọng Bộ tản nhiệt, là bộ trao đổi nhiệt chính của ô tô, có nhiệm vụ làm mát động cơ bằng cách truyền nhiệt từ động cơ đến bộ tản nhiệt thông qua dung dịch Mặc dù có ít nghiên cứu về cải tiến bộ tản nhiệt, nhưng gần đây đã có những phát hiện về tác động truyền nhiệt của chất lỏng nano, hay còn gọi là nanofluids, chứa các hạt oxit kim loại hoặc phi kim loại có kích thước nhỏ hơn 100 nm Các nghiên cứu chỉ ra rằng nanofluids có đặc tính nhiệt tốt hơn so với các chất lỏng thông thường, nhờ vào độ dẫn nhiệt cao của các hạt nano, giúp cải thiện tính chất tản nhiệt Do đó, việc ứng dụng các môi chất mới vào chất làm mát như Ethylene glycol có tiềm năng lớn trong việc tăng hiệu suất truyền nhiệt cho bộ tản nhiệt ô tô.
Đề tài nghiên cứu “Mô phỏng và thực nghiệm cải tiến hệ thống làm mát bằng dung dịch cho động cơ đốt trong xe máy” được chọn nhằm nâng cao hiệu suất truyền nhiệt, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và tăng cường công suất làm việc.
Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Sự phát triển công nghệ trong ngành ô tô đã làm gia tăng nhu cầu về động cơ hiệu suất cao, không chỉ với hiệu suất tốt hơn mà còn tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải Hiện nay, có nhu cầu giảm kích thước và trọng lượng hệ thống tản nhiệt trong vận tải Các cải tiến bao gồm việc sử dụng lá tản nhiệt mỏng, vi kênh và cải tiến bề mặt trao đổi nhiệt Đồng thời, việc nghiên cứu ứng dụng môi trường giải nhiệt mới cho két làm mát cũng đang được chú trọng, vì các chất lỏng tản nhiệt truyền thống như dung dịch nước - Ethylene glycol (EG) hay dầu động cơ có hiệu suất tản nhiệt không cao.
Một phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng tản nhiệt của chất lỏng trong két làm mát là bổ sung các hạt rắn nhỏ ở dạng nano vào chất lỏng cơ bản Chất lỏng mới này được gọi là Nanofluids.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát tính dẫn nhiệt của các dung dịch nano Lee và cộng sự [1] phát hiện rằng hỗn hợp ethylene glycol và hạt nano CuO kích thước 35nm với nồng độ 4% thể tích có độ dẫn nhiệt tăng 20% Yu và cộng sự [2] cho thấy độ dẫn nhiệt của dung dịch nano ZnO trong ethylene glycol phụ thuộc vào nồng độ thể tích, đạt mức tăng tối đa 26,5% tại nồng độ 5% Duangthongsuk và Wongwises [3] xác định rằng dung dịch nano TiO2-nước có độ dẫn nhiệt cao hơn 3-7% so với chất lỏng cơ bản ở nồng độ TiO2 từ 0,2 đến 2,0% thể tích Nguyen và cộng sự [4] chứng minh rằng độ nhớt của dung dịch nano Al2O3 trong nước tăng khi nồng độ thể tích hạt tăng, nhưng giảm khi nhiệt độ tăng Wang và cộng sự [5] ghi nhận độ nhớt của dung dịch nano Al2O3-nước tăng 86% so với chất lỏng gốc ở nồng độ 5% thể tích và độ nhớt của dung dịch nano Al2O3/ethylene glycol cũng tăng 40% Das và cộng sự [6] cũng nhận thấy độ nhớt của dung dịch nano tăng khi nồng độ thể tích hạt gia tăng.
Leong và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính tản nhiệt của két làm mát ô tô sử dụng chất lỏng Ethylene glycol có bổ sung nano Cu Họ đã xem xét ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích hạt Cu, không khí và số Reynolds đến hiệu suất nhiệt và công suất bơm của két làm mát Kết quả cho thấy tốc độ tản nhiệt được cải thiện khi nồng độ hạt nano Cu tăng lên, và hiệu suất nhiệt của két làm mát cũng được nâng cao nhờ sự kết hợp với không khí và số Reynolds.
Peyghambarzade và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất làm mát của két làm mát ô tô với hộp số tự động, sử dụng môi chất nano Al2O3/nước Họ chứng minh rằng nanofluid với nồng độ thấp có thể cải thiện hiệu quả tản nhiệt lên đến 45% so với nước thông thường Trong một nghiên cứu khác, các thí nghiệm với môi chất chứa hạt nano Al2O3 trong Ethylene glycol cũng cho thấy việc sử dụng nanofluid có thể tăng cường khả năng tản nhiệt trong cả hai điều kiện.
Jung và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm truyền nhiệt đối lưu cho chất lỏng nano Al2O3-nước trong một vi kênh hình chữ nhật, với điều kiện dòng chảy laminar.
Hệ số truyền nhiệt đối lưu tăng hơn 32% đối với dung dịch có chứa các hạt nano
Al2O3 ở nồng độ thể tích 1,8% trong nước Số Nusselt và số Reynolds ngày càng tăng trong chế độ dòng chảy laminar (5
