đề tài THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Nhiệm vụ THUYẾT MINH HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ MAZDA 2

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.. Phân tí

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Nhiệm vụ

THUYẾT MINH HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ

MAZDA 2Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Quang Trung Sinh viên thực hiện : Nguyễn Châu Đông

LỜI MỞ BÀI

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt lượng truyền cho các chitiết 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 tượngcháy 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 donhiệt 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 mát1- 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 tăngtổn 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 trongnhiên liệu có nhiều thành phần lưu huỳnh, có thể dễ tạo axit do sự kết hợpcủa nhiên liệu và hơi nước ngưng tụ trên bệ mặt thành xi-lanh Các axit đógây 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 vàolàm 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 tríchung 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

+ 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 mátcao 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

+ 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 kíndầu 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, quạtdùng 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

+ 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 nghiệmsau 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:

+ Suy ra:

Ne = 76[KW]

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:

Trong đó:

Glm= lm C n△t n 98800 4187.8 = 2,95 [kg/s]

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

do nước dẫn qua bộ tản nhiệt [J/s]

+ α1: Hệ số tản nhiệt của nước đến thành ống tản nhiệt (W/m2.độ)

+ λ: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống tản nhiệt (W/m2.độ)

+ δ: Chiều dày thành ống (m)

+ α2: 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)

+ tδ1, tδ2 : Νhiệt 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:

+ Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong két nước được xác định theo

công thức sau đây:

+ 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 △tkklấy bằng 20 ÷300C

Vậy tkk= 50÷550C Chọn tkk= 520C

+ Hệ số α1 có thể xác định bằng công thức thực nghiệm Trị số thí nghiệm

của α1thay đổi trong khoảng 2326 ÷4070 [W/m2.0C] Ta chọn α1 = 3000

[W/m2.0C]

+ Chọn vật liệu làm ống tản nhiệt là hợp kim nhôm Hệ số tản nhiệt

của nhôm nằm trong khoảng λ= 104,8 ÷198 [W/m2.0C] Ta chọn λ=

150 [W/m2.0C]

+ Hệ số α2 phụ thuộc chủ yếu vào lưu tốc của không khí ωκκtừ 5÷60

[m/s] thì hệ số α2 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(ωkk)

Theo số liệu thí nghiệm xác định bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt ta có thể

lấy k ≈α2và có thể tính gần đúng:

α2 = 11,38 ωkk0,8= 260 [W/m2.0C]

+ Vậy suy ra diện tích tản nhiệt F2:

+ 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:

Trong đó:

Glm= Gn = Q lm

C n (t nt −t nv) = 2,95 [kg/s]

+ 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 hệthống làm mát khi tính toán gần đúng có thể lấy H = 3,5÷15 mH2O, ở đây

+ 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 vàoA: vận tốc làu1; tại B vận tốc tương đối đối vớiu2)

- Vận tốc tương đối theo hướng tiếp tuyến với cánh quạtw(tại A: vận

tốc tương đối làW1; tại B vận tốc tương đối vớiW2)

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

( tại A có vận tốc c1, tại B có vận tốc c2

+ Lỗ nước vào bơm phải đảm bảo đủ lượng nước tính toán cần thiết.

Kích thước của nó được tính theo công thức:

+β1,β2: Góc kẹp giữa các phương của vận tốc góc tương đốiwvới phươngcủautheo hướng ngược lại ( ở lại A có β1, ở B có β2) Thường chọnβ2= 12

÷150, chọnβ2= 150 Khi tăng β2thì cột nước tạo ra do bơm sẽ tăng nhưng

hiệu suất giảm

Thông thường khi α1= 900, β1xác định theo công thức:

tg(β ) =c1=c1 r2 = 4.0,03 = 0,213

1= ρ c (2 π r −z δ1 )[m]

G b sin β1

+ Trong đó:

G H

9 , 8 1

.

1 0

− 3

Nb= b [KW]

η

b

η

c g

- η cg: Hiệu suất cơ giới của bơm (η cg= 0,7 ÷0,9), chọnη cg= 0,8

bậc hai, và công suất tỷ lệ bậc ba so với số vòng quay

Khi tính toán quạt gió ta cần lưu ý rằng: khi tính quạt gió của động cơ ô tônên tính đến ảnh hưởng của tốc độ gió gây ra do tốc độ chuyển động của

ô tô

+ Do đó lưu lượng thực tế của quạt thường lớn hơn phụ thuộc vào tốc độ

của ô tô Khi tốc độ ô tô lớn, lưu lượng thực tế đi qua két nước tăng lên

nên lưu lượng không khí quạt cung cấp giảm xuống rõ rệt

+ Lưu lượng của quạt gió phụ thuộc vào kích thước của quạt gió, có thể

xác định lưu lượng của quạt gió theo công thức sau:❑❑

G =p π.(R2– r2).n.Z.η.1.√sinα cosα [kg/s]

q kk

q k60

Trong đó:

+p kk= 1,1 :Khối lượng riêng của không khí [kg/m3]

+R, r : Bán kính ngoài và bán kính trong của quạt [m]

+b: Chiều rộng cánh quạt [m]

+n q= (1÷2).n : Số vòng quay của quạt [vòng/phút]

+α: góc nghiêng của cánh,α= 300( với loại cánh quạt phẳng)❑

Việc sử dụng các phần mềm tiện ích như Autocad, … Mang lại kết quả

chính xác cao, cũng như cho ta hình dung được các chuyển động tương đối chính

xác so với thực tế, và đặc biệt rút ngắn thời gian làm việc Có thể tái sử dụng các

phần đã làm nếu các chi tiết hay phần tinh toán có tính chất tương tự

Phần khó nhất nhất trong phần thiết kế là trong quá trình tính toán thông số

của từng chi tiết, và kết quả sau kỳ học Online cùng thầy Nguyễn Quang Trung,

nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy mà em đã hoàn thành hệ thống làm mát động

cơ Mazda 2 (ZYVE) tốt nhất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyên lý động cơ đốt trong - Nguyễn Tất Tiến - NXB Giáo Dục

[2] Bài giảng môn học kết cấu tính toán động cơ đốt trong

-PGS.TS.TrầnThanh Hải Tùng

[3] Hướng dẫn đồ án thiết kế động cơ đốt trong – TRẦN VĂN LUẬN

Tài liệu Động cơ Mazda 2 (ZYVE)

Các nền tảng Youtube, Google, …Tài liệu Tính toán thiết kế động cơ đốt trong (TS Trần Hải Tùng)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Kết cấu két làm mát:

Hình 1.2 Két nước và quạt làm mát Kết cấu của bơm:

Hình 1.3 Bơm nước

Kết cấu quạt gió.

Hình 1.4 Quạt gió Tính toán hệ thống làm mát.

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

Tình két nước:

Tính bơm nước:

Tính quạt gió:

KẾT LUẬN