THIẾT kế ĐỘNG cơ đốt TRONG nhiệm vụ THUYẾT MINH hệ THỐNG làm mát ĐỘNG cơ MAZDA 2

Nhiệt độ các chi tiết cao sẽ dẫn đến tác hại: Làm giảm sức bền, giảm độ cứng vững và tuổi thọ của động cơ, làm giảm độ nhớt của dầu nhờn gây ra tăng tổn thất ma sát, có thể gây kẹt bó pi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Nhiệm vụ

THUYẾT MINH HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ

MAZDA 2

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Quang Trung

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Châu Đông

Lớp SH : 19C4CLC4

MSSV : 103190142

Mục lục

LỜI MỞ BÀI 3

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ, ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN 4

HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ 4

1 Mục đích và ý nghĩa của hệ thống làm mát 4

2 Phân tích đặc điểm kết cấu: 5

2.1.Kết cấu két làm mát: 5

2.2.Kết cấu của bơm: 7

2.3.Kết cấu quạt gió 7

3 Tính toán hệ thống làm mát 9

3.1.Xác định lương nhiệt độ cơ truyền cho nước làm mát: 9

3.2.Tình két nước: 10

3.3.Tính bơm nước: 11

KẾT LUẬN 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

LỜI MỞ BÀI

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt lượng truyền cho các chi tiết tiếp xúc với các khí cháy chiếm khoảng 25 – 35% nhiệt lượng do nhiên liệu

cháy tỏa ra Vì vậ, các chi tiết đó bị nung nóng mãnh liệt Nhiệt độ các chi tiết cao

sẽ dẫn đến tác hại: Làm giảm sức bền, giảm độ cứng vững và tuổi thọ của động cơ, làm giảm độ nhớt của dầu nhờn gây ra tăng tổn thất ma sát, có thể gây kẹt bó

pittong, giảm lượng khí nạp vào xi lanh, đối với động cơ xăng dễ gây ra hiện tượng cháy kích nổ

Để khắc phục hậu ra nêu trên đây, trên động cơ đốt trong cần thiết phải có hệ

thống làm mát Hệ thống làm mát có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ

khí cháy qua thành buồng cháy đến môi chất làm mát đảm bảo cho các chi tiết

không nóng quá nhưng cũng không nguội quá Trên động cơ xe Mazda 2 (ZYVE)

sử dụng hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức, giúp làm dịu đi một phần nóng do nhiệt độ sinh ra trong quá trình đốt cháy trong xi-lanh

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ, ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ TÍNH

TOÁN

HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ

1 Mục đích và ý nghĩa của hệ thống làm mát

Trong động cơ, nhiệt lượng truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy chiếm khoảng 25% đến 35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tạo ra Do đó các chi tiết đó sẽ bị nung nóng mãnh liệt và có thể dẫn đến các tác hại:

+ Làm giảm sức bền, tác hại của động cơ

+ Làm giảm độ nhớt của dầu dẫn đến tổn thất do ma sát

+ Có thể gây ra bó kẹt Piston, do hiện tượng giãn nỡ nhiệt

+ Giảm lượng khí nạp vào xi-lanh

+ Đối với động cơ xăng, dễ gây kích nổ

Hình 1.1 Sơ đồ hế thống làm mát 1- Nắp máy, 2- Dàn nóng, 3- Thân máy, 4- Bơm nước, 5- Dàn điều khiển, 6-

Két nước, 7- Bớm ga

Để khắc phục các hậu quả xấu trên, cần thiết phải làm mát động cơ Hệ thống làm mát có nhiệm vụ thực hiện quá trình luyện nhiệt từ khí cháy, qua thành buồng cháy quá nguội Nếu quá trình nguội không tốt:

+ Làm tăng tổn thất nhiệt nhiều, dẫn đến hiệu suất nhiệt của động cơ giảm + Làm tăng độ nhớt của dầu nhờn, khiến dầu nhờn khó lưu động, làm tăng tổn thất cơ giới và tổn thất ma sát

+ Khi nhiệt độ thành xi-lanh thấp quá, nhiên liệu sẽ ngưng tụ trên bề mặt thành xi-lanh làm cho màng dầu bôi trơn bị nhiên liệu rửa sạch, nếu trong nhiên liệu có nhiều thành phần lưu huỳnh, có thể dễ tạo axit do sự kết hợp của nhiên liệu và hơi nước ngưng tụ trên bệ mặt thành xi-lanh Các axit đó gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại

Do đó cần thiết phải có hệ thống làm mát Có nhiều kiểu làm mát khác nhau, đối với động cơ xe ZY-VE là động cơ xăng, tốc độ cao nên sử dụng

hệ thống làm mát một vòng tuần hoàn kín

2 Phân tích đặc điểm kết cấu:

Trên động cơ ZY-VE, để tăng tốc độ lưu lượng của nước ta dùng bơm đặt trên đường nước của hệ thống làm mát, do vậy nước tuần hoàn được là do cột áp của bơm tạo ra Vì vậy gọi là tuần hoàn cưỡng bức

2.1.Kết cấu két làm mát:

+ Két làm mát dùng để hạ nhiệt của nước từ động cơ ra rồi lại đưa vào làm mát động cơ

Hình 1.2 Két nước và quạt làm mát

1- Đường ống nước vào, 2- Nắp két, 3- Ống thông hơi, 4- Ngăn trên, 5- Giản ống, 6- Cánh tản nhiệt , 7- Ngăn dưới, 8- Đường nước ra

+ Trên động cơ ô tô máy kéo, két làm mát gồm 3 phần: ngăn trên chưa nước nóng, ngăn dưới chứa nước nguội vào làm động cơ, giữa là đường ống truyền nhiệt Dàn truyền nhiệt là bộ phận quan trọng nhất của két nước Hiệu suất truyền nhiệt phụ thuộc vào tốc độ lưu động của hai dòng môi chất Vì vậy để tăng hệ số truyền nhiệt, phía sau két nước thường được bố trí quạt gió để hút gió đi qua giãn ống truyền nhiệt

+ Kích thước bên ngoài và hình dáng của két làm mát phụ thuộc vào bố trí chung nhưng tốt nhất là chọn bề măt đón gió của két nước có dạng hình vuông để cho tỷ lệ giữa diện tích chém gió và quạt hút đặt sau két làm mát

và diện tích gió của két gần đến 1

+ Đánh giá chật lượng làm mát của két bằng hiệu quả tản nhiệt mát cao, tức

là hệ số truyền nhiệt bộ phận tản nhiệt lớn, công suất tiêu tốn để dẫn động bơm và quạt gió ít…

Nói chung nó phụ thuộc vào 3 yêu tố sau:

- Khả năng dẫn nhiệt của vật liệu làm két

- Khả năng truyền nhiệt đối lưu

- Kết cấu của két + Giải quyết vấn đề thứ nhất bằng cách chọn vật liệu làm ống và lá tản nhiệt

+ Vấn đề thứ hai là tăng tốc của môi chất làm mát (nước) Nhưng phải đảm bảo công suất tiêu hao cho dẫn động bơm không quá lớn

+ Vấn đề thứ ba bao gồm chọn hình dáng và kích thước của ống lá tản nhiệt

và cách bố trí ống trên két

+ Ngoài ra, trong kết cấu của két làm mát còn có một bộ phận quan trọng là nắp két làm mát

+ Nắp két làm mát có hai van: van xả hơi và van hút không khí Van xả hơi nước làm việc khi áp suất trong hệ thống làm mát lớn hơn 0,15-0,125 MN/

m2, còn van hút sẽ mở khi trong hệ thống làm mát có áp suất nhỏ hơn 0,095-0,09 MN/m2

+ Nguyên lý làm việc của nắp két nước áp suất thay đổi giới thiệu như hình

vẽ, khi xả hơi nước (a), khi nạp không khí (b), do áp suất trong két làm mát cao hơn áp suất môi trường nên nhiệt độ sôi của nước trong hệ thống làm mát cao đến 100-1050C, do đó giảm được lượng nước bóc hơi Ưu điểm này rất thuận lợi cho các loại xe chạy đường dài

2.2.Kết cấu của bơm:

+ Nhiệm vụ của bơm nước là tạo ra sự tuần hoàn của nước trong hệ thống làm mát bằng nước với lưu lượng cần thiết cho chế độ làm mát với tần suất tuần hoàn khoảng 7 12 lần trên phút

Hình 1.3 Bơm nước

+ Bơm là loại bơm ly tâm, nguyên lý làm việc của nó là lợi dụng lực ly tâm của nước nằm giữa các bánh đà dồn nước từ trong ra ngoài rồi đi làm mát Puli 13 được dẫn động từ trục khuỷu, qua trục bơm 3 sẽ dẫn động cánh quạt của bơm nước, còn máy của quạt gió được gắn qua khớp điện từ, khi nhiệt

độ của nước làm mát lên đến 900 thì sẽ được đóng điện làm việc và sẽ ngắt khi nhiệt độ dưới 850

+ Kết cấu của bơm nước lắp trên xe ở mặt đầu của thân, dẫn động quay của bơm nước nhờ đai truyền và buli Nắp và thân bơm chế tạo bằng gang

Cánh bơm chế tạo bằng chất dẻo Trục bơm đặt trên hai ổ bi cầu, để bao kín dầu mở bôi trơn ổ bi ta dùng phớt và ban kín nước ta cũng dùng phớt

2.3.Kết cấu quạt gió.

+ Trong hệ thống làm mát bằng nước dùng két làm mát bằng không khí, quạt dùng để tăng tốc độ của không khí qua két nhằm nâng cao hiệu quả làm mát Quạt gió là loại quạt chiều trục

Hình 1.4 Quạt gió

Đánh giá chất lượng của quạt bằng hai chỉ tiêu:

+ Năng suất của quạt + Công suất tiêu tốn cho quạt Hai chỉ tiêu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Số vòng quay của quạt, kích thước của cánh, góc nghiêng của cánh và vị trí tương quan giữa quạt

và két làm mát

+ Tăng góc nghiêng của cánh và tăng số vòng quay của quạt đều làm cho công suất dẫn động quạt tăng nhanh (hàm mũ bậc 3 theo số vòng quay)

Thường đối với loại cánh phẳng chọn góc nghiêng từ 400C…450C, cánh lồi

380 + Tăng đường kính quạt và tăng chiều rộng cánh quạt có làm cho lưu lượng tăng nhưng công suất dẫn động quạt tăng mãnh liệt, vì vậy đối với động cơ

ô tô máy kéo thì đường kính không vượt quá 0,65m và chiều rộng không vượt quá 70mm

+ Khoảng cách từ quạt đến két phụ thuộc vào việc tổ chức dòng khí làm mát tiếp các bộ phận dưới nắp mui xe:

- Dài 80 ÷ 100 mm nếu có bán dẫn hướng

- Không quá 10 ÷15 mm nếu không bán dẫn hướng gió

- Số cánh không vượt quá 8 + Quạt dẫn động bằng đai truyền hình thang, tốc độ của đai không vượt quá

30÷35 (m/s) Tỷ số truyền động nằm trong khoảng 1÷1,3

3 Tính toán hệ thống làm mát.

3.1.Xác định lương nhiệt độ cơ truyền cho nước làm mát:

+ Nhiệt độ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lượng đưa ra bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động cơ xăng chiếm khoản 20…30% tổng số nhiệt lương

do nhiên liệu tỏa ra Nhiệt lương Qlm có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau đây:

Qlm = q’lm Ne (J/s) Trong đó:

+ q’lm : lượng nhiệt truyền cho nước làm ứng với một đơn vị công suất trong một đơn vị thời gian

+ Đối với động cơ xăng thì:

q’lm = 1263 ÷ 1360 ( J/KW.s) chọn q’lm = 1300 (J/KW.s) + Ta có:

Ne = 76 [KW]

+ Suy ra:

Qlm = q’lm.Ne = 1300.76= 98800 [J/s]

+ Từ đó có thể xác định lượng nước Glm tuần hoàn trong hệ thống trong một đơn vị thời gian:

Glm = Q lm

C n △t n = 4187.898800 = 2,95 [kg/s]

Trong đó:

+ Cn: Tỷ nhiệt của nước làm mát, Cn= 4187 [kg/độ]

+ △tn: hiệu nhiệt độ của nước vào và ra của bộ tản nhiệt Với động cơ ô tô – máy kéo △tn = 5 ÷ 100C, chọn △tn = 80C

Ta tính toán hệ thống làm mát ở chế độ công suất cực đại

3.2.Tình két nước:

+ Bao gồm việc xác định bề mặt tản nhiệt để truyền nhiệt từ nước ra môi trường không khí xung quanh

+ Xác định kích thước của mặt tản nhiệt trên cơ lý thuyết truyền nhiệt

Truyền nhiệt trong bộ tản nhiệt chủ yếu là đối lưu Két tản nhiệt của động cơ

ô tô máy kéo có một mặt tiếp xúc với nước nóng và mặt kia tiếp xúc với không khí Do đó truyền nhiệt từ nước 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 thành 3 giai đoạn ứng với 3 quá trình truyền nhiệt như sau:

+ Từ nước đến thành ống bên trong:

Qlm = a1.F1.(tn – td1) [J/s]

+ Qua thành ống:

Qlm = λ F1.(t δ 1−t δ 2)

δ [J/s]

+ Từ mặt trong của thành ống đến không khí:

Qlm = a2.F2.(td2 - tkk) [J/s]

Trong đó:

+ Qlm: Nhiệt lượng của động cơ truyền cho nước làm mát bằng nhiệt lượng

do nước dẫn qua bộ tản nhiệt [J/s]

+ aa1: Hệ số tản nhiệt của nước đến thành ống tản nhiệt (W/m2.độ) + al: : aHệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống tản nhiệt (W/m2.độ) + ad: aChiều dày thành ống (m)

+ aa2: Hệ thống tản nhiệt từ thành ống tản nhiệt vào không khí (W/m2) + F1: Diện tích tiếp xúc với nước nóng (m2)

+ F2: Diện tích tiếp xúc với không khí (m2) + td1, atd2 a: aNhiệt độ trung bình của bề mặt trong và ngoài thành ống

+ tn , tkk : Nhiệt độ trung bình của nước, không khí đi qua bộ tản nhiệt

Giải các phương trình ta có:

Qlm =

1 1

α1.

F2

F1+

δ

λ .

F2

F1+

1

α2

F2.(tn – tkk) [J/s]

Đặt k=

1 1

α1

. F2

F1+

δ

λ .

F2 F1+

1

α2

là hệ số truyền nhiệt tổng quát của két làm mát

Suy ra: Qlm = k.F2.(tn – tkk) [J/s]

Vậy ta tính được diện tích tiếp xúc với không khí F2 theo công thức:

F2 = k (t Q lm

n−t kk) [m2] + Diện tích F2 thường lớn hơn diện tích F1 vì F2 còn tính đến diện tích các cánh tản nhiệt

+ Tỷ số F F2

1 = φ gọi là hệ diện tích Động cơ ta đang tính sử dụng loại két dùng ống nước dẹp, nên có thể chọn φ = (3÷6), ta chọn φ =5

+ Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong két nước được xác định theo công thức sau đây:

tn = t nv+t nr

2 = tnv + Δt n

2 [0C]

+ Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức là: tn = 80÷920C, ta chọn tn= 850C

+ Nhiệt độ của không khí vào (tkkv) phía trước bộ tản nhiệt lấy bằng 400C

Chênh lệch nhiệt độ không khí qua bộ tản nhiệt △tkk lấy bằng 20 ÷300C

Vậy tkk = 50÷ 550C Chọn tkk = 520C

+ Hệ số a1 có thể xác định bằng công thức thực nghiệm Trị số thí nghiệm của a1 thay đổi trong khoảng 2326 ÷4070 [W/m2.0C] Ta chọn a1 = 3000 [W/

m2.0C]

+ Chọn vật liệu làm ống tản nhiệt là hợp kim nhôm Hệ số tản nhiệt của nhôm nằm trong khoảng l: = 104,8 ÷ 198 [W/m2.0C] Ta chọn l: = 150 [W/

m2.0C]

+ Hệ số a2 phụ thuộc chủ yếu vào lưu tốc của không khí wkk atừ 5÷ 60 [m/s]

thì hệ số a2 thay đổi đồng biến từ 40,6 ÷ 303 [W/m2.0C]

+ Hệ số k cho bộ tản nhiệt kiểu ống có thể xác địng theo đồ thị k = f(wkk)

Theo số liệu thí nghiệm xác định bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt ta có thể lấy k ≈ a2 và có thể tính gần đúng:

a2 = 11,38 wkk0,8 = 260 [W/m2.0C]

+ Vậy suy ra diện tích tản nhiệt F2:

F2 = 260.(85−52)128050 = 14,9 [m2].

3.3.Tính bơm nước:

+ Xác định lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống làm mát Glm và cột áp H

+ Lưu lượng nước tuần hoàn trong hệ thống làm mát phụ thuộc vào nhiệt lượng do nước làm mát mang đi và chênh lệch nhiệt độ của nước trong động

cơ, được xác định theo công thức:

Glm = Gn = C Q lm

n (t nt−t nv) = 2,95 [kg/s]

Trong đó:

+ Qlm: Nhiệt lượng truyền cho nước làm mát [J/s]

+ Cn: Tỷ nhiệt của nước [J/kg.độ]

+△tnr, △tnv : Nhiệt độ nước ra và nhiệt độ nước vào động cơ

+ Sức cản chuyển động của nước trong hệ thống mát được tính theo cột nước H và phụ thuộc vào sức cản của từng bộ phận: két nước, ống dẫn, vách nước trong thân và nắp máy,vv,vv…Thường sức cản tổng quát của hệ thống làm mát khi tính toán gần đúng có thể lấy H = 3,5 ÷ 15 mH2O, ở đây

ta chọn H= 13 mH2O

+ Xác định lượng nước làm mát tiêu hao Glm và cột áp H, ta có thể xác định kích thước cơ bản của bơm nước

+ Lưu lượng của bơm nước xác định theo công thức sau:

Gb = G lm

η [kg/s]

Trong đó: η là hệ số tổn thất của bơm, với η = 0,8 ÷ 0,9 Chọn η = 0,85

+ Suy ra: Gb = 2,950,85 = 3,47 [kg/s]

+ Xác định kích thước chủ yếu của bơm phải căn cứ vào sự chuyển động của chất lỏng trong bơm Với loại bơm ly tâm các phân tử chất lỏng đồng thời tham gia hai chuyển động

- Vận tốc vòng: Nước quay cùng cánh bơm với vận tốc u´ ( tại điểm vào A: vận tốc là u´1; tại B vận tốc tương đối đối với u´2)

- Vận tốc tương đối theo hướng tiếp tuyến với cánh quạt w´ (tại A: vận tốc tương đối là W´1; tại B vận tốc tương đối với W´2 )

+ Như vậy, phân tử nước chuyển động với vận tốc tuyệt đối là: c´ = u´ + w´

( tại A có vận tốc c´1, tại B có vận tốc c´2

+ Lỗ nước vào bơm phải đảm bảo đủ lượng nước tính toán cần thiết Kích thước của nó được tính theo công thức:

fr = π.(r12 – r02) = G b

c1 ρ n [m2]

Trong đó:

Gb: Lượng tính toán của bơm [kg/s]

r1 =√ G b

c1 ρ n π+r0

2= √3.1000 3,143,47 +0,02

2 = 0,03 [m]

Bán kính ngoài r2 của bánh công tác được xác định từ vận tốc vòng u2 tại B:

u2 = √1+tga2 cotg β2.√g H η b = √1+tg120 cotg150.√9,81.130,65 = 18,8 [m/s]

Trong đó:

+ α1, α2: Góc giữa các phương trình của vận tốc c1 và u1, c2 và u2; thường α

1= 900; α2 = 8 ÷ 120, ta chọn α2 = 120 + β1, β2: Góc kẹp giữa các phương của vận tốc góc tương đối w´ với phương của u´ theo hướng ngược lại ( ở lại A có β1, ở B có β2) Thường chọn β2 = 12

÷150, chọn β2 = 150 Khi tăng β2 thì cột nước tạo ra do bơm sẽ tăng nhưng hiệu suất giảm

+ g: Gia tốc trọng trường + H: Cột áp của bơm + ηb: Hiệu suất của bơm ( bằng 0,6 ÷0,7), chọn ηb =0,65

+ ωb : Tốc độ vòng của bánh công tác [l/s]

+ nb: Số vòng quay của bánh công tác

Vậy r2 = ω u2

b = 30.u π n2

b = 3,14.600030.18,8 = 0,03 [m]

Thông thường khi α1 = 900 , β1 xác định theo công thức:

tg(β1 ) = c1

u1 = c1 r2

u2 r1 = 18,8.0,034.0,03 = 0,213

Suy ra β1 = 13,20

Quan hệ giữa tốc độ u1,u2biểu thị theo công thức sau:

u1 = u2 r1

r2 = 18,8.0,030,03 = 18,1 [m/s]

Chiều cao của cánh bơm ở lối vào và lối ra được xác định:

b1=

G b

ρ n .c1.(2 π r1−z δ1

sin β1)

[m]

b2=

G b

ρ n .c2.(2 π r2−z δ2

sin β2)

[m]

Trong đó:

+ δ1, δ2: Chiều dày của cánh ở lối ra [m], có thể lấy δ1= δ2= δ3= 3÷ 5 [mm]

ta lấy δ1= δ2= δ3= 4 [mm]

+ c r: tốc độ ly tâm của nước ở lối ra [m/s]

c r = c2.sinα2 = u H g

2 η btg α2 = 18,8.0,6513.9,81 tg120 = 2,22 [m/s]

+z là số cánh của bánh công tác, chọn z = 5 cánh ( thường z = 4÷8 ) Vậy:

b1=

4,47

1000.4 (2 π 0,03−8.4 10

−3

sin 12 0 ) = 23,1.10-3 [m]

b2=

4,47

1000.2,22.(2 π 0,03−8.4.10

−3

sin15 0 ) = 31 10-3 [m]

+ Bơm nước dung cho động cơ ô tô máy kéo ngày nay thường có:

- b1 =12 ÷ 35 [mm]

- b2 =10 ÷ 25 [mm]

+ Công suất tiêu hao cho bơm nước inh theo công thức sau: