Nguyên lý kết cấu động cơ đốt trong - Chương 5 pot

Để đảm bảo cho động cơ làm việc một cách hiệu quả với tuổi thọ và độ tin cậy cao, trên động cơ phải trang bị hệ thống làm mát để giải nhiệt cho các chi tiết và giữ cho động cơ luôn làm v

Chương 5

HỆ THỐNG LÀM MÁT

I NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT

I.1 Công dụng của hệ thống làm mát

Trong quá trình động cơ làm việc, môi chất công tác được đốt cháy và giãn nở sinh công trong xylanh động cơ Quá trình cháy trong động cơ làm sản sinh ra một nhiệt lượng khá lớn, làm cho các chi tiết máy tiếp xúc trực tiếp với khí cháy như: nắp máy, xylanh, piston, xécmăng, bị đốt nóng Lượng nhiệt truyền cho các chi tiết này chiếm từ 25 ÷ 35% nhiệt lượng do hỗn hợp cháy sinh ra Khi động cơ làm việc, nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 500oC, nhiệt độ nấm supap lên tới

900oC Nhiệt độ các chi tiết cao quá có thể gây ra các ảnh hưởng sau:

- Phụ tải nhiệt của các chi tiết máy lớn làm giảm sức bền, tuổi thọ và độ cứng vững

- Nhiệt độ cao sẽ giảm chất lượng của dầu bôi trơn và làm tăng tổn thất ma sát

- Dễ xảy ra hiện tượng bó kẹt piston trong xylanh do giãn nở vì nhiệt

- Giảm hệ số nạp, từ đó làm giảm công suất động cơ

- Đối với động cơ xăng dễ xảy ra hiện tượng cháy kích nổ làm giảm tuổi thọ, sức bền các chi tiết và giảm công suất của động cơ

Tuy nhiên, khi làm mát cho động cơ quá nhiều cũng không tốt, bởi vì tổn thất nhiệt sẽ quá lớn làm giảm hiệu suất của động cơ Mặt khác, do nhiệt độ của động cơ thấp làm dầu bôi trơn khó lưu thông, ảnh hưởng đến chất lượng bôi trơn và làm tăng tổn thất ma sát Nhiệt độ của động cơ quá thấp còn làm cho nhiên liệu khó bay hơi, dễ ngưng tụ và phá hủy màng dầu bôi trơn trên thành xylanh Đồng thời nhiệt độ thấp còn ảnh hưởng đến quá trình cháy và làm giảm công suất của động cơ Để đảm bảo cho động cơ làm việc một cách hiệu quả với tuổi thọ và độ tin cậy cao, trên động

cơ phải trang bị hệ thống làm mát để giải nhiệt cho các chi tiết và giữ cho động cơ luôn làm việc trong khoảng nhiệt độ ổn định, nghĩa là giữ cho nhiệt độ làm việc của động cơ không cao quá và cũng không quá thấp

I.2 Nhiệt độ làm việc tối ưu của động cơ

Tiêu hao nhiên liệu

(g/ml.h)

T o C

165

170

175

180

Toàn tải

Độ mòn xylanh (mm/1000h)

60 70 80 90 T o C

0 0,02 0,04 0,06 0,08

2

1

Hình 5.1 Đồ thị quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu, độ mòn xylanh với nhiệt độ làm việc của động cơ

75% tải 50% tải

Động cơ hai kỳ

Động cơ bốn kỳ

Từ đồ thị (hình 5.1) ta có nhận xét:

- Nhiệt độ nước làm mát động cơ từ 70 ÷ 80oC là vùng có suất tiêu hao nhiên liệu thấp

- Nhiệt độ của nước làm mát tăng thì độ mòn xylanh giảm

Thực nghiệm cho thấy, tùy theo đặc điểm cấu tạo của từng loại động cơ cụ thể, chất lượng nhiên liệu và dầu bôi trơn, cùng một số các yếu tố khác Khi tăng nhiệt độ nước làm mát từ 50oC ÷

90oC, công suất của động cơ có thể tăng lên khoảng 2,5 ÷ 8% còn suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm từ 1,5 ÷ 4 g/kW

Đối với động cơ làm mát bằng nước, thì nhiệt độ tối ưu của nước từ động cơ ra là 75 ÷ 85oC Nếu nhiệt độ nước làm mát lớn hơn, có thể tạo ra các bọc hơi trong hệ thống kiểu tuần hoàn kín, làm giảm hiệu quả làm mát và tạo nên những vùng có nhiệt độ quá cao Trong các động cơ làm mát bằng nước kiểu một vòng hở, để tránh hiện tượng kết cặn trên bề mặt phía ngoài của lót xylanh, yêu cầu nhiệt độ nước ra khỏi động cơ không nên vượt quá 50 ÷ 55oC Điều đó tuy không phải là chế độ nhiệt tối ưu đối với động cơ, nhưng đó là đòi hỏi của điều kiện vận hành động cơ

II PHÂN LOẠI HỆ THỐNG LÀM MÁT

II.1 Hệ thống làm mát bằng không khí (bằng gió)

Hệ thống làm mát bằng không khí (hình 5.2) thường được lắp đặt trên một số động cơ cỡ nhỏ, hoặc một số động cơ ô tô làm việc thường xuyên trong vùng thiếu nước, sa mạc,

Hệ thống làm mát bằng không khí

chủ yếu gồm có quạt gió, hộp chắn hướng

luồng gió và các cánh tản nhiệt ở phía ngoài

xylanh và nắp xylanh Những động cơ làm

mát bằng không khí, quanh xylanh và nắp

xylanh được đúc thành các cánh tản nhiệt

để tăng diện tích tiếp xúc với không khí,

truyền nhiệt từ buồng đốt ra ngoài động cơ

được nhanh hơn Khoảng cách giữa các

cánh tản nhiệt khoảng từ 2 ÷ 4mm, chúng

nằm theo phương vuông góc với đường tâm

của các xylanh Những cánh tản nhiệt ở

phần nắp máy và phần đầu xylanh phải có

diện tích tiếp xúc với không khí lớn hơn các

cánh tản nhiệt ở phía cuối xylanh

Hệ thống làm mát (hình

5.3) có cấu tạo đơn giản, quạt

gió 1 được dẫn động từ trục

khuỷu cung cấp không khí với

lưu lượng lớn làm mát động cơ

Bản hướng gió 3 có tác dụng

phân phối không khí sao cho các

xylanh và từng xylanh được làm

mát đồng đều nhất

Hình 5.2 Sơ đồ làm mát bằng không khí

Cánh tản nhiệt

Động cơ Gió vào

Hình 5.3 Hệ thống làm mát bằng không khí

1 – Quạt gió; 2 – Cánh tản nhiệt; 3 – Tấm hướng gió;

4 – Vỏ bọc; 5 – Đường thoát không khí

1

5

Đối với động cơ nhiều xylanh, quạt gió được đặt ở đầu động cơ, trên trục có bulông và được dẫn động bằng dây đai từ trục khuỷu của động cơ Xung quanh quạt gió có hộp bao kín để hướng cho luồng gió từ quạt thổi vào chạy theo chiều ngang động cơ, qua các cánh tản nhiệt của các xylanh để hiệu quả làm mát các xylanh được cao hơn Tốc độ quay của quạt gió phụ thuộc vào tốc độ của trục khuỷu động cơ

II.2 Hệ thống làm mát bằng chất lỏng

Trong hệ thống này, nước được dùng làm môi chất trung gian tải nhiệt khỏi các chi tiết Tuỳ thuộc vào tính chất lưu động của nước trong hệ thống làm mát mà người ta chia thành các loại: bốc hơi, đối lưu tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức

II.2.1 Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi

Đây là kiểu làm mát đơn giản nhất Bộ phận chứa nước bao gồm các khoang trong thân máy, nắp xylanh 7 và bình bốc hơi 6 lắp với thân máy 1 Khi động cơ làm việc, nước tại các khoang bao bọc buồng cháy sẽ sôi Nước có nhiệt độ càng cao tỷ trọng càng giảm, nổi lên mặt thoáng của bình và bốc hơi ra ngoài làm mát động cơ Sau khi mất nhiệt, tỷ trọng của nước lại tăng lên làm nước lại chìm xuống tạo thành lưu động đối lưu

tự nhiên (hình 5.4)

Do làm mát bằng bốc hơi,

nếu không có nguồn nước bổ

sung, tốc độ tiêu hao nước rất

lớn Mặt khác, do tốc độ lưu

động của nước khi đối lưu tự

nhiên rất nhỏ nên làm mát không

đồng đều dẫn tới có hiện tượng

chênh lệch về nhiệt độ giữa các

phần được làm mát

Chính vì vậy, hệ thống

này chỉ thích hợp cho động cơ cỡ

nhỏ đặt nằm ngang trong nông

nghiệp, không thích hợp cho

động cơ ô tô

II.2.2 Hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên

Trong hệ thống làm mát đối lưu tự nhiên (hình 5.5), nước lưu động tuần hoàn nhờ sự chênh lệch khối lượng riêng  ở các giá trị nhiệt độ khác nhau Nước làm mát nhận nhiệt của xylanh trong thân máy 1,  giảm nên nước nổi lên trên Trong khoang của nắp xylanh 3, nước tiếp tục nhận nhiệt của các chi tiết bao quanh buồng cháy, nhiệt độ tiếp tục tăng và  tiếp tục giảm, nước tiếp tục nổi lên theo đường dẫn ra khoang phía trên của két làm mát 6 Quạt gió 8 được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu động cơ hút không khí qua két Do đó, nước trong két được làm mát,  giảm nên nước sẽ chìm xuống khoang dưới của két và từ đây đi vào thân máy, thực hiện một vòng tuần hoàn

Tốc độ lưu động của nước trong phương pháp này cũng chỉ vào khoảng 0,12 ÷ 0,19 m/s Điều đó dẫn đến chênh lệch nhiệt độ nước vào và nước ra lớn, vì vậy làm mát không đều Muốn giảm sự chênh lệch này thì phải tăng kích thước bình chứa, két nước và tăng chiều cao lắp đặt két, điều đó làm cho động cơ rất cồng kềnh Vì vậy phương pháp này chỉ dùng cho những động cơ tĩnh tại

Hình 5.4 Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi

4

5

6

7

3

1 – thân máy; 2 – piston; 3 – thanh truyền; 4 – hộp trục khuỷu;

5 – bình nhiên liệu; 6 – bình bốc hơi; 7 – nắp xylanh

4

5

6

7

II.2.3 Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức

Trong hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức, khắc phục được nhược điểm vận tốc lưu động của dòng nước thấp, làm tăng hiệu quả làm mát Vận tốc lưu động của dòng nước được tăng bởi một bơm nước lắp trong hệ thống được dẫn động từ trục khuỷu động cơ Hệ thống này thích hợp cho các động cơ có công suất cao và các động cơ trên ô tô

Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức có ba loại sau:

1) Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín

Hình 5.6 Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng trên động cơ ô tô

Hình 5.5 Hệ thống làm mát đối lưu tự nhiên

1 – thân máy; 2 – xylanh; 3 – nắp xylanh; 4 – đường nước ra két; 5 – nắp két nước;

6 – két nước; 7 – không khí làm mát; 8 – quạt gió; 9 – đường nước làm mát vào động cơ

1

2

3

4

5

6

7

9

8

Chú thích

1 – nước vào làm mát nắp xylanh;

2 – các đường nước làm mát động cơ;

3 – van điều nhiệt và đường nước nối tắt về bơm;

4 – nước về két;

5 – nước ra khỏi két;

6 – nước vào làm mát thân máy;

7 – nước vào làm mát xylanh và nắp xylanh

Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng rất phổ biến trên động cơ ô tô, máy kéo và động cơ tĩnh tại, hình 5.6 và hình 5.7

Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm 12 hút từ bình chứa phía dưới của két nước 7 qua đường ống 10 rồi qua két 13 để làm mát dầu sau đó vào động cơ Để phân phối nước làm mát đồng đều cho các xylanh và làm mát đồng đều cho mỗi xylanh, nước sau khi bơm vào thân máy 1 chảy qua ống phân phối 14 đúc sẵn trong thân máy Sau khi làm mát xylanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường ống 3 ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao đến van hằng nhiệt 5 Khi van hằng nhiệt mở, nước qua van vào bình chứa phía trên của két nước Tiếp theo, nước từ bình chứa trên đi qua các ống mỏng có gắn các cánh tản nhiệt Tại đây, nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt 8 tạo ra Quạt được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu của động cơ Tại bình chứa phía dưới của két làm mát, nước có nhiệt độ thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát tuần hoàn

2) Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn hai vòng

Trong hệ thống này, nước được làm mát tại két nước 4 không phải bằng dòng không khí do quạt gió tạo ra mà bằng nước có nhiệt độ thấp hơn, ví dụ như nước sông hay nước biển Hệ thống có hai vòng nước tuần hoàn Vòng thứ nhất làm mát động cơ như đã xét ở hệ thống tuần hoàn cưỡng bức một vòng còn được gọi là nước vòng kín Vòng thứ hai với nước sông hay nước biển được bơm 6

Hình 5.8 Hệ thống làm mát cưỡng bức hai vòng

1

2

3

4

5

6

7

8

Chú thích

1 – thân máy; 2 – nắp xylanh;

3 – Van hằng nhiệt;

4 – Két làm mát;

5 – Đường nước ra vòng hở;

6 – Bơm vòng hở;

7 – Đường nước vào vòng hở;

8 – Bơm nước vòng kín

Chú thích

1 – thân máy; 2 – nắp xylanh;

3 – 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 về bơm;

11 – đường nước vào động cơ;

12 – bơm nước;

13 – két làm mát dầu;

14 – ống phân phối nước

Hình 5.7 S õ ðồ nguyên lý hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng

1

2

3

4

5

6

7

8

10 11

chuyển đến két làm mát để làm mát nước vòng kín, sau đó lại thải ra sông, ra biển nên được gọi là vòng hở Hệ thống làm mát hai vòng được dùng rất phổ biến cho động cơ tàu thủy (hình 5.8)

3) Hệ thống làm mát một vòng hở

Trong hệ thống này, nước làm mát là

nước sông, biển, được bơm 6 hút vào làm mát

động cơ sau đó theo đường nước 4 đổ ra sông,

biển (hình 5.9)

Ưu điểm của hệ thống này là rất đơn

giản Tuy nhiên, do phải bảo đảm nhiệt độ

nước làm mát thấp (khoảng 60oC) để giảm

hiện tượng đóng cặn trong khoang nước của

động cơ (tăng trở nhiệt của quá trình trao đổi

nhiệt) nên chênh lệch nhiệt độ lớn Điều đó

dẫn đến ứng suất nhiệt của các chi tiết làm mát

khá lớn

Hệ thống làm mát một vòng hở chỉ được

dùng cho động cơ tàu thủy

II.3 So sánh hệ thống làm mát bằng nước và hệ thống làm mát bằng không khí

So sánh giữa phương pháp làm mát bằng nước với phương pháp làm mát bằng không khí thấy phương pháp làm mát bằng nước có ưu điểm sau:

- Hiệu quả làm mát cao và ổn định hơn

- Mức độ đồng đều khi làm mát cho các xylanh trong cùng động cơ tốt hơn

- Giảm được khả năng phát sinh kích nổ trong động cơ xăng

- Giảm tiếng ồn khi động cơ làm việc

- Giảm được chiều dài động cơ

- Tổn hao công suất cho hệ thống làm mát nhỏ hơn Khi làm mát bằng nước tiêu hao 3 ÷ 9 % còn khi làm mát bằng không khí tiêu hao 4 ÷ 13% công suất động cơ (công suất tiêu hao cho dẫn động quạt gió)

- Kích thước của động cơ nhỏ gọn hơn do không phải bố trí các cánh tản nhiệt

- Quạt gió có công suất nhỏ hơn nên khi làm việc ít ồn hơn

Chính vì những ưu điểm trên nên hệ thống làm mát bằng nước được dùng rất rộng rãi trên các động cơ hiện nay Tuy nhiên hệ thống làm mát bằng nước phức tạp hơn vì có các bộ phận như: két nước, bơm, Đối với động cơ làm việc ở xứ lạnh, phải có các biện pháp chống đông cho nước Ngoài

ra, nước có thể rò rỉ xuống cacte dầu gây mòn, tróc các chi tiết ma sát như piston, xylanh, trục và ổ trục

Động cơ làm mát bằng không khí rõ ràng dễ sử dụng và tiện lợi trong điều kiện thiếu nước như ở sa mạc hay rừng sâu Do đó, rất thích hợp cho động cơ công suất không lớn lắm, động cơ phục vụ trong lâm nghiệp hoặc trong quân sự

Hình 5.9 Hệ thống làm mát một vòng hở

1 – thân máy; 2 – nắp máy; 3 – van hằng nhiệt;

4 – đường nước ra; 5 – lọc nước; 6 – bơm nước

1

2

3

4

5

6

III CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT BẰNG CHẤT LỎNG

III.1 Két nước

Két nước có tác dụng chứa nước, truyền nhiệt từ nước ra không khí làm giảm nhiệt độ của nước để cung cấp nước có nhiệt độ thấp làm mát cho động cơ Két nước được chia thành 3 phần

chính:

Ngăn chứa phía trên thường được làm bằng đồng hoặc tôn dập Ở động cơ Diesel và động cơ

cỡ lớn ngăn trên được làm bằng gang đúc Ngăn trên có cổ để rót nước và có nắp đậy két nước

Ngăn chứa phía dưới cũng được làm bằng đồng hoặc tôn dập Ngăn dưới của két nước có

đường dẫn nước từ két tới bơm nước và đi làm mát động cơ Phía đáy của ngăn dưới có khoá để tháo nước khi xúc rửa hoặc thay nước trong két

Ngăn giữa của két nước làm thành các ống nối liền ngăn trên và ngăn dưới của két nước

Các ống của ngăn giữa (hình 5.11) có mặt cắt hình tròn hoặc hình dẹt, xung quanh các ống có gắn cánh tản nhiệt mỏng bằng đồng lá để truyền nhiệt ra không khí được nhanh chóng, làm giảm nhiệt độ của nước làm mát

Đối với động cơ xăng, các ống nước của ngăn giữa được làm bằng đồng thau có chiều dày từ 0,2 ÷ 0,35 mm Những tấm lá đồng tản nhiệt có chiều dày 0,1 ÷ 0,2 mm và được đặt cách nhau 2,3 ÷ 4,5 mm

Trên các động cơ Diesel, các ống dẫn nước của ngăn giữa được làm bằng thép có chiều dày từ 0,2 ÷ 0,35 mm Cánh tản nhiệt làm bằng tấm thép mỏng dày từ 0,15 ÷ 0,25 mm Ở các động cơ xăng cỡ nhỏ và trung bình, các đường ống của ngăn giữa được hàn với ngăn trên và ngăn dưới tạo thành két nước hoàn chỉnh Ở các động cơ Diesel cỡ trung bình và lớn thì ngăn giữa của két nước được nối liền với ngăn trên và ngăn dưới bằng các bulông

Hình 5.10 Cấu tạo của két két nước

1

5

4

2

3

6

Chú thích

1 – nắp két nước

2 – ống dẫn nước vào két

3 – ngăn chứa phía dưới

4 – ống dẫn nước vào động cơ

5 – ngăn giữa của két nước

6 – ngăn phía trên của két

III.2 Nắp két nước

Nắp két nước được bố trí trên đỉnh của két, nó có tác dụng làm kín két nước không cho nước văng ra ngoài Đồng thời nắp két nước còn có tác dụng giữ áp suất trong két nước, làm cho nhiệt độ sôi của nước làm mát lớn hơn 100oC, giúp tăng hiệu quả làm mát mà không cần tăng kích thước của két

Trên nắp két nước có bố trí hai van như (hình 5.12), một van có tác dụng giảm áp và một van chân không Khi nhiệt độ nước làm mát tăng cao (110 ÷ 120oC), làm cho áp suất nước trong két tăng lên Nếu áp suất ngăn trên của két nước lớn hơn 1,2 kG/cm2 thì áp lực này đủ sức để thắng lực căng lò xo của van, khi đó nắp van mở ra để không khí và nước thoát ra ngoài theo đường ống 1

Khi nhiệt độ động cơ giảm làm áp suất ở ngăn trên của két nước giảm xuống thấp hơn 0,94 kG/cm2 thì không khí ngoài trời qua ống 1 vào phía trên van đẩy nắp van 3 của van không khí để vào ngăn trên của két nước Nhờ có van một chiều đó mà áp suất trong két nước luôn luôn ổn định Các phần của nắp két nước và cổ rót nước của két được thể hiện trên hình 5.13

Hình 5.11 Các dạng ống của két nước

Ống dẹt Cánh tản nhiệt

Ống tròn Cánh tản

nhiệt

Hình 5.12 Cấu tạo của nắp két nước

5

4

1

a)

b)

Chú thích

1 – ống dẫn đến bình dự trữ

2 – van giảm áp

3 – van chân không

4 – lò xo van chân không

5 – lò xo van giảm áp

Hình 5.14 Van điều nhiệt

1 – ống rỗng; 2,6 – supap dưới; 3 – thân; 4 – ống xếp;

5 – đáy ống xếp; 7 – giá đỡ; 8 – bi; 9 – supap trên

Hình 5.15 Cấu tạo van điều nhiệt

5

4

2

1

9

8

7

6

3

III.3 Van điều nhiệt và phương pháp bố trí

III.3.1 Van điều nhiệt

Van điều nhiệt hay còn gọi là van hằng nhiệt có nhiệm vụ tự động điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát khi động cơ làm việc đảm bảo cho nhiệt độ nước làm mát trong giới hạn từ 85 ÷ 90oC, mặt

khác còn làm nhiệm vụ rút ngắn thời gian đạt nhiệt độ làm việc tối ưu của động cơ sau khi khởi động

Các chi tiết của van điều nhiệt được làm bằng đồng (hình 5.14)

Hình 5.13 Nắp két nước được tháo ra từ cổ rót nước vào ở bộ tản nhiệt

Nắp két nước Đệm kín phía trên Van giảm áp lực Van giảm chân không Bền mặt làm kín bên trên

Ống dẫn

Gờ khoá an toàn

Bề mặt khóa cam Cổ nối bộ tản nhiệt

Gờ cổ nối

Bề mặt làm kín bên dưới Đệm kín phía dưới Gờ khoá

Lò xo giảm áp