Nguyên tắc hoạt động của hệ thống làm mát ôtô Mặc dù các động cơ xăng đã có những cải tiến đáng kể, nhưng hiệu suất chuyển đổi cơ năng thành điện năng vẫn không cao. Phần lớn năng lượng trong xăng (khoảng 70%) được chuyển thành nhiệt, và nhiệm vụ của hệ thống làm mát là phải xử lý lượng nhiệt này. Trên thực tế, hệ thống làm mát trên một chiếc xe khi chạy trên đường cao tốc có thể tản một lượng nhiệt đủ để sưởi ấm cho cả 2 tòa nhà cỡ trung bình. Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống làm mát là tản nhiệt từ động cơ ra ngoài môi trường, ngoài ra hệ thống làm mát còn có một vài nhiệm vụ quan trọng khác. Động cơ trong xe của bạn chỉ có thể hoạt động tốt nhất tại mức nhiệt độ cao vừa phải. Khi động cơ bị lạnh, các bộ phận bị mòn nhanh hơn, hiệu suất hoạt động của động cơ thấp và động cơ xả nhiều khói hơn. Vì vậy, một nhiệm vụ quan trọng nữa của hệ thống làm mát là cho phép động cơ tăng nhiệt rất nhanh và giữ động cơ ở mức nhiệt độ ổn định. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các bộ phận cấu thành hệ thống làm mát ô tô và nguyên tắc hoạt động của nó. Trước tiên, chúng ta hãy cùng xem qua một vài nguyên lý cơ bản. Nguyên lý cơ bản Bên trong động cơ ô tô, nhiên liệu luôn cháy. Trong kỳ cháy, một lượng nhiệt lớn thoát ra ngoài qua ống xả, nhưng một lượng nhiệt nhỏ tản ra ngoài qua động cơ, làm nóng động cơ. Động cơ hoạt động tốt nhất khi nhiệt độ nước làm mát là khoảng 200 o F (93 o C). Ở nhiệt độ này: • Khoang cháy đủ nóng để làm cho nhiên liệu hóa hơi, tăng hiệu suất của kỳ cháy và giảm khí thải. • Dầu bôi trơn động cơ có độ nhớt thấp (mỏng hơn), do đó, các bộ phận của động cơ chuyển động tự do hơn và động cơ không bị mất nhiều công suất khi các bộ phận của nó chuyển động. • Các bộ phận bằng kim loại ít bị hao mòn. Có 2 loại hệ thống làm mát: làm mát bằng nước và làm mát bằng khí. Hệ thống làm mát bằng nước Nước di chuyển một vòng quanh các ống và đường dẫn trong động cơ. Khi nước di chuyển qua động cơ nóng, nó hút nhiệt và làm mát động cơ. Sau khi nước rút ra khỏi động cơ, nó di chuyển qua két nước. Két nước làm nhiệm vụ tản nhiệt từ nước thành dạng khí thoát ra ngoài môi trường. Hệ thống làm mát bằng khí Hiện nay, có một vài loại xe cổ và xe hiện đại được lắp hệ thống làm mát này. Thay vì dùng nước để làm mát, lốc máy được bọc trong các lá nhôm làm nhiệm vụ dẫn nhiệt từ xilanh ra ngoài. Ngoài ra, quạt tản nhiệt làm nhiệm vụ thổi khí nóng ra ngoài qua các lá nhôm này, làm mát động cơ. Ống dẫn Hệ thống làm mát trong xe của bạn có rất nhiều ống dẫn. Chúng ta sẽ bắt đầu với BƠM và thực hiện một hành trình qua hệ thống, và trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng bộ phận của hệ thống làm mát. Bơm đẩy nước vào lốc máy, ở đây, nước đi theo các đường ống quanh xilanh trong động cơ. Sau đó, nước di chuyển qua xilanh để quay ngược trở lại mặt máy. Van hằng nhiệt được đặt ở nơi nước rời khỏi động cơ. Nếu van hằng nhiệt đóng, hệ thống ống dẫn quanh van hằng nhiệt đẩy nước quay ngược trở lại bơm trực tiếp. Nếu van hằng nhiệt mở, nước đi qua két nước trước rồi mới quay trở lại bơm. Đồng thời có một mạch riêng dành cho hệ thống sưởi ấm. Mạch này hút nước từ mặt xilanh và đẩy nước qua cuộn sưởi rồi quay trở lại bơm. Đối với những ô tô lắp hộp số tự động thường có một đường riêng để làm mát dầu chuyển số được lắp trong két nước. Dầu được bơm từ hộp số qua thiết bị tản nhiệt (két) thứ 2 nằm bên trong bộ tản nhiệt. Chất lỏng Ô tô hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng, từ mức nhiệt độ cực thấp tới trên 100 o F (38 o C). Do vậy, chất lỏng nào được dùng để làm mát động cơ cũng phải có một điểm đóng băng và một điểm sôi nhất định, và có khả năng giữ nhiệt tốt. Nước là một trong những chất lỏng giữ nhiệt tốt nhất, nhưng nước lại bị đóng băng ở một nhiệt độ, vì vậy có thể ảnh hưởng đến quá trình sử dụng trong các động cơ ô tô. Để khắc phục vấn đề này, chất lỏng mà hầu hết các ô tô thường dùng là hỗn hợp nước và êtylen glycôn (C 2 H 6 O 2 ), còn gọi là chất chống đóng băng. Thêm êtylen glycôn vào nước, điểm sôi và điểm đóng băng được cải tiến đáng kể. Nước sạch 50/50 C 2 H 6 O 2 /Nước 70/30 C 2 H 6 O 2 /Nước 70/30 Điểm đóng băng: 0 o C/32 o C -37 o C/-35 o C -55 o C/-67 o F Điểm sôi: 100 o C/212 o C 106 o C/223 o F 113 o C/235 o F Nhiệt độ của nước làm mát đôi khi lên tới 250-275 o F (121-135 o C). Ngay cả khi thêm chất êtylen glycôn thì các mức nhiệt độ này cũng sẽ làm nước làm mát sôi, vì vậy, ta cần thêm một phụ chất nào đó để làm tăng điểm sôi. Hệ thống làm mát dùng áp suất để làm tăng điểm sôi của nước làm mát. Cũng như nhiệt độ sôi của nước trong nồi hơi là cao hơn, nhiệt độ của nước làm mát là cao hơn nếu bạn tạo áp suất cho hệ thống. Hầu hết các xe đều có một mức áp suất giới hạn từ 14 tới 15 psi, làm nhiệt độ sôi tăng lên 45 o F (25 o C) do đó, nước làm mát có thể chịu được nhiệt độ rất cao. Bơm nước Bơm nước là một loại bơm li tâm đơn giản hoạt động bằng một dây đai nối với trục khuỷu của động cơ. Khi động cơ hoạt động, nước sẽ chuyển động theo một vòng tròn. Bơm nước sử dụng lực li tâm để đẩy nước hướng ra ngoài khi động cơ quay, làm cho nước liên tục bắn ra từ tâm máy. Ống nạp của bơm được đặt gần tâm máy do đó, dòng nước quay trở lại từ két nước đập vào các cánh tuabin. Các cánh tuabin này đẩy nước hướng ra ngoài bơm, ở đó, nước lại đi vào trong động cơ. Trước tiên, nước rời khỏi bơm, di chuyển qua lốc máy và mặt xilanh, sau đó đi vào két nước và cuối cùng quay trở lại bơm. Động cơ Lốc máy và mặt xilanh có nhiều đường dẫn nước. Những đường dẫn này cho phép nước làm mát di chuyển tới những vùng quan trọng nhất của động cơ. Nhiệt độ trong khoang cháy của động cơ có thể lên tới 4500 o F (2500 o C), vì vậy, việc làm mát những vùng quanh xilanh là rất quan trọng. Những vùng quanh van xả càng đặc biệt quan trọng hơn, và hầu hết tất cả các khoảng không bên trong mặt xilanh quanh các van không mấy quan trọng nhưng vẫn cần được làm mát. Nếu động cơ lâu không được làm mát thì động cơ sẽ bị kẹt. Khi đó, thì kim loại cũng đã đủ nóng để pittông dính chặt vào xilanh. Tóm lại, nếu không làm mát động cơ thì nó sẽ bị hư hại rất nhanh chóng. Một trong những cách tốt nhất để hạn chế nhu cầu làm mát động cơ là hạn chế lượng nhiệt truyền từ khoang cháy sang các chi tiết kim loại khác của động cơ. Để làm được việc này, thường người ta lót một lớp gốm mỏng ở bên dưới mặt xilanh. Gốm là một chất cách nhiệt rất tốt, nhờ đó, lượng nhiệt truyền tới các chi tiết kim loại sẽ giảm đi, còn lượng nhiệt thoát ra ngoài qua ống xả nhiều hơn. Két nước Két nước là một thiết bị dùng để tản nhiệt ra ngoài môi trường. Sau khi nước làm mát hoàn thành nhiệm vụ làm mát động cơ thì bản thân nó sẽ bị nóng lên, sau đó, đi qua bộ tản nhiệt và được làm mát trở lại bởi quạt tản nhiệt. Hầu hết các ô tô hiện đại sử dụng két nước bằng nhôm. Két nước được làm bằng cách cuốn những lá nhôm mỏng thành những ống nhôm. Dòng nước làm mát từ cửa nạp tới cửa xả qua nhiều ống gắn trên một đường song song. Những lá nhôm này dẫn nhiệt từ các ống và tản nhiệt ra ngoài qua két nước. Đối với một số thiết kế khác nhau, những ống này có gắn thêm một thiết bị khuấy, làm tăng chuyển động hỗn độn của dòng nước chảy qua ống. Nếu dòng nước chuyển động nhẹ nhàng qua ống thì chỉ có những phần nước chạm vào thành ống là được làm mát và những phần còn lại thì không. Lượng nhiệt từ nước tản ra thành ống khi nước chạy qua các ống đó phụ thuộc vào sự khác biệt về nhiệt độ của ống dẫn và dòng nước chạm vào nó. Do đó, lượng nước chạm vào thành ống tỏa nhiệt rất nhanh. Nhờ những chuyển động hỗn độn của chất lỏng trong ống dẫn, lượng nhiệt tản ra ngoài nhanh hơn, và toàn bộ chất lỏng trong ống dẫn lại tiếp tục chu trình làm mát một cách hiệu quả. Mỗi bên của két nước có một bình đựng nước, bên trong bình đựng nước là một thiết bị làm mát hộp số. Dầu từ hộp số chảy vào két nước làm mát. Két nước làm mát hộp số trông giống một két nước nhỏ đặt trong một két nước lớn, thay vì tản nhiệt bằng không khí, dầu tản nhiệt bằng chất làm mát trong két nước. Nắp giữ áp suất Nắp két nước làm tăng điểm sôi của nước làm mát lên khoảng 45oF (25oC). Chiếc nắp đơn giản này hoạt động như thế nào? Cũng giống như cách két nước nhỏ làm tăng nhiệt độ sôi của nước. Trên thực tế, nắp giữ áp suất là một van xả áp suất, và trên các xe khác nhau thì mức áp suất đó được đặt ở mức chuẩn là 15 psi. Điểm sôi của nước tăng lên khi áp suất nước tăng lên. Mặt cắt của nắp két nước và bình đựng dầu Khi nhiệt độ nước trong hệ thống làm mát tăng lên, nước sẽ giãn nở, làm cho áp suất tăng lên. Nắp giữ áp suất là nơi duy nhất mà áp suất nước có thể thoát ra ngoài, vì vậy, việc thiết kế ren trên nắp quyết định áp suất tối ưu trong hệ thống làm mát. Khi áp suất ở mức 15 psi, áp suất đẩy van mở ra, cho chất làm mát thoát ra khỏi hệ thống làm mát. Chất làm mát chạy qua ống thoát nước ở dưới đáy bình nước. Thiết kế này làm cho không khí không thể lọt vào trong két nước được. Khi két nước trở lại mức nhiệt độ ban đầu, có một khoảng chân không được tạo ra trong hệ thống làm mát, đẩy van tải trọng kia mở ra, hút nước từ đáy két vào trong két để thay thế lượng nước đã được đẩy ra ngoài. Van hằng nhiệt Nhiệm vụ chính của van hằng nhiệt là làm cho nhiệt độ động cơ tăng nhanh, sau đó, giữ cho động cơ ở mức nhiệt độ ổn định. Nó điều khiển lượng nước chảy qua két nước. Ở mức nhiệt độ thấp, ống xả của két nước đóng hoàn toàn –toàn bộ nước làm mát lại quay vòng trở lại động cơ. Khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên 180-195oF (82-91oC), van hằng nhiệt bắt đầu mở, để nước chạy qua két nước. Cùng thời điểm này, nước làm mát lên tới 200 đến 218oF (93- 103oC), van hằng nhiệt mở hoàn toàn. Nếu có cơ hội thử nghiệm một lần thì van hằng nhiệt là cái đáng xem nhất vì những gì nó làm dường như là một điều khó có thể. Bạn có thể đặt một bình nước sôi lên một bếp lò. Khi nhiệt độ của bình tăng lên, nó làm van mở ra khoảng 1 inch (2.54 cm), rõ ràng là rất độc đáo! Nếu thích tự khám phá, bạn hãy đến một kho phụ tùng ô tô và mua một chiếc van để thử. Điều bí mật của van hằng nhiệt nằm ở chiếc xilanh nhỏ nằm về phía động cơ của thiết bị. Xilanh được đổ đầy sáp nến, tan chảy ở 180oF (các van hằng nhiệt khác nhau mở ở các nhiệt độ khác nhau nhưng chủ yếu là ở 180oF). Một thanh đẩy được nối với van cắm vào sáp nến này. Khi sáp nến tan chảy, nó giãn nở đáng kể, đẩy thanh đẩy đó ra khỏi xilanh và mở van. Nếu bạn đã đọc qua Nguyên tắc hoạt động của nhiệt kế và cũng thử thí nghiệm bằng một chai và một ống nhỏ, bạn sẽ được quan sát qui trình đó – bên cạnh việc giãn nở do nhiệt, sáp nến còn giãn nở một chút nữa vì nó đang chuyển đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Công nghệ tương tự được sử dụng trong các van mở tự động của quạt thông khí nhà kính. Trong các thiết bị này, sáp nến tan chảy ở nhiệt độ thấp. Quạt làm mát Cũng giống như van hằng nhiệt, quạt làm mát cần được điều khiển sao cho nó cho phép động cơ luôn duy trì ở nhiệt độ ổn định. Những xe dẫn động bằng bánh trước được lắp quạt điện vì động cơ thường được lắp ngang nghĩa là công suất của động cơ hướng ra 2 bên xe. Quạt được điều khiển bằng công tắc hằng nhiệt hoặc bằng máy tính động cơ thông qua các cảm biến nhiệt, và những quạt này chỉ hoạt động khi nhiệt độ nước làm mát cao hơn mức định sẵn. Khi nào nhiệt độ thấp hơn mức định sẵn thì những quạt đó tự tắt. Những xe dẫn động bằng bánh sau với các động cơ đặt theo chiều dọc thường được lắp quạt làm mát chạy bằng động cơ. Những loại quạt này có một côn dầu điều khiển bằng nhiệt (Hay gọi là cụm ly tâm). Cụm này được lắp ở vị trí giữa cánh quạt và đầu trục bơm nước. Cụm ly tâm đặc biệt trông rất giống khớp li hợp dầu trong tất cả các xe dẫn động bằng 4 bánh. Hệ thống sưởi ấm Có thể bạn bạn đã từng nghe một lời khuyên của ai đó rằng nếu động cơ xe của bạn quá nóng, hãy mở tất cả các cửa kính và khởi động bộ sưởi ấm và mở quạt thật lớn. Đó là vì hệ thống sưởi ấm trên thực tế là một hệ thống làm mát thứ cấp, phản ánh hệ thống làm mát chính trên xe của bạn. Cuộn sưởi ấm, được đặt trong bảng điều khiển trung tâm của xe, thực sự là một bộ tản nhiệt nhỏ. Quạt sưởi ấm thổi không khí qua cuộn sưởi ấm, vào trong khoang người ngồi. Cuộn sưởi ấm hút nước làm mát nhiệt độ cao từ mặt xilanh và đẩy nó quay ngược trở lại bơm – vì vậy, không cần biết van hằng nhiệt đóng hay mở nhưng bộ sưởi ấm vẫn hoạt động để làm ấm khoang xe khi thời tiết giá lạnh, và ở miền Bắc nước ta thiết bị này được coi là một tiện nghi hết sức quan trọng. . bằng kim loại ít bị hao mòn. Có 2 loại hệ thống làm mát: làm mát bằng nước và làm mát bằng khí. Hệ thống làm mát bằng nước Nước di chuyển một vòng quanh các. ưu trong hệ thống làm mát. Khi áp suất ở mức 15 psi, áp suất đẩy van mở ra, cho chất làm mát thoát ra khỏi hệ thống làm mát. Chất làm mát chạy qua ống thoát