Đồ án tốt nghiệp khảo sát hệ thống làm mát động cơ trên ô tô toyota

Em được nhận đề tài tốt nghiệp: “KHẢO SÁT HỆ THỐNG LÀM MÁTĐỘNG CƠ 1TR-FE ” Trong phạm vi đồ án này, em chỉ giới hạn tìm hiểu một cách tổng quát về cácphương pháp làm mát trong động cơ, c

TRƯỜNG CAO ĐẴNG GIAO THÔNG VẬN TẢI TRUNG

ƯƠNG V KHOA CƠ KHÍ – ĐIỆN

MỤC LỤC

Mục lục 1

Lời nói đầu 5

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài 6

2 Giới thiệu về khái quát động cơ 1TR-FE 6

2.1 Giới thiệu chung 6

2.1.1 Trọng lượng và kích thước xe 7

2.1.2 Động cơ 7

2.1.3 Khung xe 8

2.2 Các cơ cấu của động cơ 1TR-FE 9

2.2.1 Piston 12

2.2.2 Thanh truyền 13

2.2.3 Trục khuỷu 13

2.2.4 Cơ cấu phối khí 14

2.3 Các hệ thống của động cơ 1TR-FE 15

2.3.1 Hệ thống nhiên liệu động cơ 1TR-FE 15

2.3.2 Hệ thống kiểm soát khí xả 16

2.3.3 Hệ thống xả 19

2.3.4 Hệ thống bôi trơn 20

2.3.5 Hệ thống đánh lửa 20

2.3.6 Hệ thống khởi động 22

2.3.7 Hệ thống nạp 23

3 Giới thiệu chung về hệ thống làm mát động cơ 23

3.1 Mục đích và yêu cầu của hệ thống làm mát 23

3.1.1 Mục đích của hệ thống làm mát 23

3.1.2 Yêu cầu của hệ thống làm mát 24

3.2 Nhiệm vụ của hệ thống làm mát 24

3.2.1 Làm mát động cơ và máy nén 24

3.2.2 Làm mát dầu bôi trơn 25

3.3 Hệ thống làm mát bằng nước 25

3.3.1 Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi 25

3.3.2 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên 27

3.3.3 Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức 28

3.3.3.1 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng 28

3.3.3.2 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn hai vòng 29

3.3.3.3 Hệ thống làm mát một vòng hở 30

3.3.4 Hệ thống làm mát bằng nước ở nhiệt độ cao 31

3.3.4.1 Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài 31

3.3.4.2 Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước và nhiệt của khí thải 32

3.4 Hệ thống làm mát động cơ bằng không khí (gió) 33

3.4.1 Hệ thống làm mát bằng không khí kiểu tự nhiên 33

3.4.2 Hệ thống làm mát không khí kiểu cưỡng bức 34

4 Kết cấu các cụm chi tiết chính của hệ thống làm mát bằng nước 35

4.1 Kết cấu két làm mát 35

4.2 Kết cấu của bơm nước 39

4.2.1 Bơm ly tâm 39

4.2.2 Bơm piston 41

4.2.3 Bơm bánh răng 41

4.2.4 Bơm cánh hút 42

4.2.5.Bơm guồng 44

4.3 Kết cấu quạt gió 45

4.3.1 Quạt gió dẫn động bằng đai 45

4.3.2 Quạt gió chạy bằng điện 46

4.3.2.1 Khái quát 46

4.3.2.2 Nguyên lý hoạt động 46

4.4 Van hằng nhiệt 47

5 So sánh ưu khuyết điểm của kiểu làm mát bắng nươc và kiểu làm mát bằng

6 Khảo sát hệ thống làm mát động cơ 1TR-FE 50

6.1 Sơ đơ hệ thống làm mát 50

6.2 Các cụm chi tiết của hệ thống làm mát bằng nước động cơ 1TR-FE 52

6.2.1 Két làm mát 52

6.2.1.1 Công dụng và yêu cầu 52

6.2.1.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc 52

6.2.1.3 Các dạng hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa 53

6.2.2 Nắp két 54

6.2.2.1 Công dụng và yêu cầu 54

6.2.2.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc 55

6.2.2.3 Các dạng hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa 56

6.2.3 Bơm nước 56

6.2.3.1 Công dụng và yêu cầu 56

6.2.3.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc 56

6.2.3.3 Các dạng hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa 57

6.2.4 Quạt gió dẫn động bằng đai 58

6.2.4.1 Công dụng và yêu cầu 58

6.2.4.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc 59

6.2.4.3 Các dạng hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa 59

6.2.4 Van hằng nhiệt 60

6.2.4.1 Công dụng và yêu cầu 60

6.2.4.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động 60

6.2.4.3 Các dạng hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa 61

6.2.5 Khớp chất lỏng 61

6.2.5.1 Công dung và yêu cầu 61

6.2.5.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động 62

6.2.5.2 Nguyên lý hoạt động 63

6.2.5.3 Các dạng hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa 64

7 Tính toán nhiệt động cơ 1TR-FE 64

7.1 Các số liệu ban đầu 64

7.2 Các thông số chọn 65

7.3 Tính toán các quá trình công tác 66

7.3.1 Tính toán quá trình nạp 66

7.3.2 Tính toán quá trình nén 67

7.3.3 Tính toán quá trình cháy 68

7.3.4 Quá trình giãn nở 70

7.3.5 Tính toán các thông số của chu trình công tác 71

7.4 Xây dựng đồ thị công 73

7.4.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén 73

7.4.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở 73

7.4.3 Lập bảng tính 74

7.4.4 Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công 74

7.4.5 Vẽ đồ thị công 75

8 Tính toán hệ thống làm mát động cơ 1TR-FE 76

8.1 Tổng quan về truyền nhiệt qua vách có cánh 76

8.2 Các thông số của két nước, bơm nước và quạt gió 80

8.3 Xác định lượng nhiệt của động cơ truyền cho nước làm mát 81

8.4 Tính kiểm nghiệm bơm nước 83

8.5 Tính kiểm nghiệm quạt gió 86

8.6 Tính két giải nhiệt làm mát động cơ 91

8.6.1 Tính các thông số của két nước 91

8.6.2 Xác định lượng nhiệt của két làm mát truyền ra môi trường bên ngoài 93

9 Kết luận 98

Tài liệu tham khảo 99

LỜI NÓI ĐẦU

sinh viên được giao nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp, nhằm giúp cho sinh viêntổng hợp và khái quát lại những kiến thức đã học, từ kiến thức cơ sở đến kiến thứcchuyên ngành Qua quá trình thực hiện đồ án sinh viên tự rút ra nhận xét và kinhnghiệm cho bản thân trước khi bước vào công việc thực tế

Em được nhận đề tài tốt nghiệp: “KHẢO SÁT HỆ THỐNG LÀM MÁTĐỘNG CƠ 1TR-FE ”

Trong phạm vi đồ án này, em chỉ giới hạn tìm hiểu một cách tổng quát về cácphương pháp làm mát trong động cơ, các cơ cấu và hệ thống của động cơ 1TR-FE,trong đó đi sâu vào tính toán kiểm tra nhiệt động cơ và két làm mát

Do kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo còn ít và điều kiện thời giankhông cho phép nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiếu sót, kínhmong các thầy cô trong bộ môn chỉ bảo để đồ án em được hoàn thiện hơn Cuốicùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, các thầy cô giáo bộ môn,các thầy ởxưởng thí nghiệm VAL cùng các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2007

1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Một động cơ hoạt động đạt hiệu quả cao,chính là nhờ sự hỗ trợ và làm việctốt của các hệ thống như: hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn, hệ thống khởiđộng, hệ thống làm mát… Vì vậy công suất, sức bền, tuổi thọ, hiệu suất làm việccủa động cơ phụ thuộc rất lớn vào sự làm việc của các hệ thống này Hệ thống làmmát là một trong những hệ thống quan trọng đó của động cơ

- Tính toán nhiệt của động cơ 1TR-FE

- Vận dụng lý thuyết truyền nhiệt, tính toán kiểm tra nhiệt két làm mát theocác thông số thực tế và rút ra nhận xét

Với mục đích trên đề tài này có ý nghĩa rất lớn đối với sinh viên ngành độnglực chúng ta

Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần cho sinh viên chúng em củng cốlại các kiến thức đã được học và thực tập, giúp cho sinh viên chúng em cách nghiêncứu, làm việc một cách độc lập Từ đó, tạo điều kiện thuận lợi cho công việc saunày của người kỹ sư tương lai

2 Giới thiệu về khái quát động cơ 1TR-FE

2.1 Giới thiệu chung

Xe Toyota Innova là loại xe du lịch 8 chỗ ngồi Xe được trang bị động cơmới 1TR-FE, khung gầm xe cứng cáp cho hiệu quả lái xe ổn định Khả năng giảmxóc và chống rung tốt tạo cảm giác thoải mái và êm ả cho mọi hành khách trong xetrên mọi nẻo đường

Toyota Innova có 2 loại: Innova G và Innova J

Bảng 2-1

Động cơ 2.0 lít (1TR-FE) 2.0 lít (1TR-FE)

2.1.1 Trọng lượng và kích thước xe

Bảng 2-2

2.1.2 Động cơ

Bảng 2-3

Tiêu chuẩn khí xả Euro Step 2

Độ nhớt /cấp độ của dầu bôi

2.1.3 Khung xe

Bảng 2-4

thanh cân bằng

bên

đúc

195/70R14 Thép,chụp kín

2.2 Các cơ cấu của động cơ 1TR-FE

Động cơ 1TR-FE lắp trên xe Innova của hãng Toyota là loại động cơ xăngthế hệ mới, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xylanh 2,0 lít trục cam kép DOHC 16xupap dẫn động bằng xích thông qua con đội thuỷ lực với hệ thống van nạp biếnthiên thông minh VVT-i

2 3 4

10

13 14

Cate; 14-Trục khuỷuĐộng cơ 1TR-FE là động cơ 4 xy lanh thẳng hàng có hệ thống cam kép(DOHC) gồm bốn xupap cho mỗi xylanh hai xupap nạp và hai xupap thải đặt lệchnhau một góc 22,850.với các góc phối khí:

2.2.1 Piston

Piston được làm bằng hợp kim nhôm có kết cấu đặc biệt đỉnh piston vát hìnhnón cụt Rãnh piston trên cùng có tráng lớp ôxit axit, phần đuôi piston có trángnhựa

Bảng 2-6

Cỡ piston Điều kiện tiêu chuẩnTiêu chuẩn 85,951 đến 95,986mmSécmăng- có 3 Sécmăng loại có ứng suất thấp secmăng khí số 1 được xử lýPVD*, secmăng khí số 2 được mạ crôm và Sécmăng dầu

Hình 2-3 Cấu tạo piston, secmăng1-Piston; 2-Secmăng khí số 1; 3-Secmăng khí số 2; 4-Secmăng dầu

Khe hở cho phép của các secmăng cho dưới bảng:

Bảng 2-7

Secmăng Điều kiện tiêu chuẩn

Hình 2-6 Kết cấu cò mổ1-Ổ bi kim; 2-Cò mổ.

Cơ cấu điều chỉnh khe hở thủy lực duy trì khe hở xu páp luôn bằng “0” nhờ

áp lực của dầu và lực lò xo

Hình 2-7 Kết cấu con đội thủy lực1-Piston đẩy; 2-Buồng áp suất thấp; 3-Đường dầu; 4-Lò xo;

5-Buồng dầu áp suất cao; 6-Lò xo van bi; 7-Van bi

Cam quay sẽ nén bộ pitton đẩy và dầu trong buồng áp suất cao Khi đó cò

mổ sẽ ép tới xu páp bằng cách dùng bộ điều chỉnh khe hở thủy lực làm điểm tựa Lò

xo đẩy piston đẩy đi lên, van 1 chiều sẽ mở ra và dầu sẽ điền đầy vào từ buồng áp

suất thấp Do piston được đẩy lên, và khe hở xu páp sẽ được duy trì không đổi bằngkhông.

2.3 Các hệ thống của động cơ 1TR-FE

2.3.1 Hệ thống nhiên liệu động cơ 1TR-FE

Hệ thống nhiên liệu động cơ 1TR-FE đóng vai trò rất quan trọng, nó khôngđơn thuần là hệ thống phun nhiên liệu, nhưng nó hợp thành một hệ thống đó là hệthống điều khiển điện tử (ECU), hệ thống đánh lửa điện tử, điều khiển tốc độ động

cơ, tạo ra sự tương trợ lẫn nhau, kim phun hoạt động như các kim phun của các xeđời mới Khả năng điều khiển tốt, công suất động cơ tăng, giảm tiêu hao nhiên liệu Lượng không khí nạp được lọc sạch khi đi qua lọc không khí và được đo bởi cảmbiến lưu lượng không khí Tỷ lệ hoà trộn được ECU tính toán và hoà trộn theo tỷ lệphù hợp nhất Có cảm biến ôxy ở đường ống xả để cảm nhận lượng ôxy dư, điềukhiển lượng phun nhiên liệu vào tốt hơn

Xăng; 5-Bộ lọc than hoạt tính; 6-Lọc không khí; 7-Cảm biến lưu lượng khí nạp; Van điện từ; 9- Môtơ bước; 10-Bướm ga; 11-Cảm biến vị trí bướm ga; 12-Ống gópnạp; 13-Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 14-Bộ ổn định áp suất;15-Cảm biến vị trí trụccam; 16-Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 17-Ống phân phối nhiên liệu; 18-Vòiphun; 19-Cảm biến tiếng gõ; 20-Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 21-Cảm biến vịtrí trục khuỷu; 22-Cảm biến ôxy.

8-2.3.2 Hệ thống kiểm soát khí xả

Hệ thống kiểm soát khí xả giúp hạn chế lượng khí thải có hại cho con người

và môi trường.Các khí thải có hại: nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu, khí lọt quakhe giữa piston và thành xy lanh và khí xả Vì các khí này có chứa những chất độcnhư: CO (cacbon oxit), HC (Hiđrô cacbon) và NOx (Nitơ ôxit)

 Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bóc cháy

 Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupap Hỗn hợp không khí nhiênliệu càng giàu càng sinh ra nhiều HC Hỗn hợp càng nghèo càng ít sinh ra HC.Lượng HC sinh ra càng trở nên lớn hơn khi hỗn hợp không khí nhiên liệu quánghèo, vì nó không cháy được

 Khi HC được hít vào cơ thể nó trở thành tác nhân gây ung thư Nó cũnggây ra hiện tượng sương khói quang hóa

NO x (Nitơ ôxit).

 NOx được sinh ra do nitơ và ôxy trong hỗn hợp không khí nhiên liệu, khinhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên 1800oC Nhiệt độ của buồng đốt càng cao,lượng NOx sản sinh ra càng nhiều

 Khi hỗn hợp không khí nhiên liệu nghèo, NOx sinh ra nhiều hơn vì tỷ lệôxy trong hỗn hợp không khí nhiên liệu cao hơn Như vậy, lượng NOx sinh ra tùy

theo hai yếu tố- nhiệt độ cháy và hàm lượng ôxy.

N2 + O2 = 2NO(NO2,N2…NOx)

 Khi NOx được hít vào cơ thể, nó gây kích thích mũi và họng Nó cũng gây

ra hiện tượng sương khói quang hóa

Hình 2-9 Đồ thị biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm

theo hệ số dư lượng không khí

Để giảm các chất khí có hại từ khí xả- trước hết ta dùng bộ trung hòa khí xả(TWC) làm cho các chất độc hại CO (cacbon oxit), HC (Hiđrô cacbon) và NOx

(Nitơ ôxit) phản ứng với các chất vô hại (H2O, CO2, N2) khi luồng khí xả đi qua, vớicác chất xúc tác platin, pladini, iridi, rodi Để khí xả ra ngoài môi trường không độchại đối với sức khỏe con người

TWC hoạt động tốt nhất với tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu gần như lýthuyết Vì vậy cần có hệ thống thông tin phản hồi về tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiênliệu để giữ cho tỷ lệ này gần như tỷ lệ lý thuyết Hệ thống thông tin phản hồi về hỗnhợp không khí nhiên liệu theo dõi lượng ôxy trong khí xả bằng cách sử dụng cảmbiến ôxy gắn trong đường ống xả Khi đó lượng nhiên liệu được ECU của động cơđiều chỉnh để kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp không khí nhiên liệu, giúp cho TWC làm việc

có hiệu quả

Đối với nhiên liệu bay hơi từ thùng nhiên liệu- nhiên liệu này được hấp thụbỡi bộ lọc than hoạt tính Sau đó khi động cơ hoạt động, nhiên liệu trong bộ lọc thanhoạt tính và không khí được dẫn vào đường ống nạp để đốt cháy

Hình 2-10 Sơ đồ hệ thống kiểm soát khí xả động cơ 1TR-FE

1-Bình Xăng; 2-Bơm Xăng điện; 3-Cụm ống của đồng hồ đo xăng và bơm; 4-LọcXăng; 5-Bộ lọc than hoạt tính; 6-Van điện từ; 7-Bướm ga; 8-Ống góp nạp; 9-Bộ ổnđịnh áp suất; 10-Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 11-Ống phân phối nhiên liệu; 12-Vòi phun; 13-Cảm biến ôxy; 14-bộ trung hòa khí xả trước; 15-bộ trung hòa khí xảphía sau

2.3.3 Hệ thống xả

Khí xả được thải ra ngoài môi trường qua ống xả

Hệ thống xả gồm: ống góp xả và ống xả nối với nhau bằng khớp cầu Trênống xả có các bộ trung hòa khí xả để làm cho các chất độc hại CO (cacbon oxit),

HC (Hiđrô cacbon) và NOx (Nitơ ôxit) phản ứng với các chất vô hại (H2O, CO2, N2)khi luồng khí xả đi qua, với các chất xúc tác platin, pladini, iridi, rodi Để khí xả rangoài môi trường không độc hại đối với sức khỏe con người

Hình 2-11 Sơ đồ hệ thống xả động cơ 1TR-FE1-Bộ trung hòa khí xả; 2-Bộ tiêu âm.

2.3.4 Hệ thống bôi trơn

Hệ thống bôi trơn kiểu cưỡng bức dùng để đưa dầu bôi trơn và làm mát các

bề mặt ma sát của các chi tiết chuyển động của động cơ

Hệ thống bôi trơn gồm có: bơm dầu, bầu lọc dầu, cácte dầu, các đường ống dầu sẽ từ cácte được hút bằng bơm dầu, qua lọc dầu, vào các đường dầu dọc thânmáy vào trục khuỷu, lên trục cam, từ trục khuỷu vào các bạc biên, theo các lỗ phunlên thành xylanh, từ trục cam vào các bạc trục cam, rồi theo các đường dẫn dầu tựchảy về cácte

2.3.5 Hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa được điều khiển bằng điện tử ECU đánh lửa trực tiếp Mỗixylanh có một bugi loại đầu dài và một cuộn dây đánh lửa được điều khiển bằngmạch bán dẫn dùng transitor Hệ thống đánh lửa điện tử luôn luôn gắn liền với hệthống phun nhiên liệu, nó điều khiển tia lửa, góc đánh lửa luôn phù hợp với gócphun của nhiên liệu nhờ các cảm biến để thực hiện quá trình đốt cháy tốt hơn vànhiên liệu được cháy hoàn toàn, ít tốn nhiên liệu, tăng công suất động cơ, chất thải

ít độc hại

Hình 2-12 Sơ đồ hệ thống đánh lửa động cơ 1TR-FE1-Cầu chì dòng cao; 2-Khóa điện; 3-Cầu chì; 4-Cuộn đánh lửa số 1; 5-Cuộn đánhlửa số 2; 6-Cuộn đánh lửa số 3; 7-Cuộn đánh lửa số 4; 7,8-Bọc chống nhiễu; 9-Cảmbiến vị trí trục khuỷu; 10-Cảm biến vị trí trục cam; 11-Bộ lọc ồn.

ECU căn cứ vào tín hiệu nhận được từ cảm biến vị trí trục khuỷu và căn cứvào góc đánh lửa cơ sở đã ghi sẵn trong bộ nhớ cũng như trong các thông số hiệuchỉnh để xác định góc đánh lửa sớm cho động cơ Việc tạo ra các tín hiệu dạng xung

để cung cấp dòng điện cho cuộn dây đánh lửa được lập trình sẵn để các cuộn dâycung cấp dòng điện trong thời gian định mức trước với giá trị tính toán để đảm bảocho:

Từ thông sinh ra trong các cuộn dây đạt giá trị lớn nhất, đảm bảo cuộn dây

đủ năng lượng để đánh lửa

Điều khiển sự phát ra và chấm dứt tia lửa được ECU tính toán sau khi các dữliệu được nhập vào bởi:

+ Tốc độ động cơ

+ Cảm biến vị trí trục khuỷu

+ Cảm biến vị trí trục cam

+ Cảm biến nhiệt độ động cơ

+ Cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2-13 Kết cấu máy khởi động1-Bánh răng máy khởi động; 2-Cuộn giữ; 3-Cuộn đẩy;

4-Vành tiếp điểm; 5-Ắc quy

Khi người lái đóng khóa điện, dòng điện sẽ đi vào cuộn đẩy mà lõi thép của

nó được nối với cần gạt Cuộn dây có điện trở thành nam châm hút lõi thép sangphải, đồng thời làm quay cần gạt dịch chuyển bánh răng truyền động vào ăn khớpvới bánh đà Khi bánh răng của khớp truyền động đã vào ăn khớp với bánh đà, thìvành tiếp điểm cũng nối các tiếp điểm, đưa dòng điện vào các cuộn dây của máykhởi động Máy khởi động quay, kéo trục khuỷu của động cơ quay theo Khi động

cơ đã nổ thì người lái nhả khóa điện, các chi tiết trở về trạng thái ban đầu dưới tácdụng của lò xo hồi vị

6,8,9-Cầu chì dòng cao; 10-Cuộn Stato; 11-Cuộn dây Rôto.

3 Giới thiệu chung về hệ thống làm mát động cơ

3.1 Mục đích và yêu cầu của hệ thống làm mát

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

- Do nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt của dầu bôi trơn nên làm tăng tổn thất

ma sát

- Có thể gây bó kẹt piston trong cylinder do hiện tượng giản nở nhiệt

- Giảm hệ số nạp

- Đối với động cơ xăng dễ phát sinh hiện tượng cháy kích nổ

Để khắc phục các hậu quả xấu trên.Vì vậy cần thiết phải làm mát động cơ

Hệ thống làm mát động cơ có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháyqua thành buồng cháy rồi đến môi chất làm mát để đảm bảo cho nhiệt độ của cácchi tiết không quá nóng nhưng cũng không quá nguội Động cơ quá nóng sẽ gây racác hiện tượng như đã nói, còn quá nguội tức là động cơ được làm mát quá nhiều vìvậy tổn thất nhiệt cho dung dịch làm mát nhiều, nhiệt lượng dùng để sinh công ít do

đó hiệu suất nhiệt của động cơ thấp, ngoài ra do nhiệt độ động cơ thấp ảnh hưởngđến chất lượng dầu bôi trơn, độ nhớt của dầu bôi trơn tăng, dầu bôi trơn khó lưuđộng vì vậy làm tăng tổn thất cơ giới và tổn thất ma sát, ảnh hưởng lớn đến các chỉtiêu kinh tế và công suất động cơ Động cơ 1TR-FE có hệ thống làm mát tuần hoàncưỡng bức

3.1.2 Yêu cầu của hệ thống làm mát

Đối với động cơ 1TR-FE cũng như các động cơ lắp trên xe ô tô khách thì hệthống làm mát phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Làm việc êm dịu, tiêu hao công suất cho làm mát bé

- Bảo đảm nhiệt độ của môi chất làm mát tại cửa ra van hằng nhiệt ở khoảng83950C và nhiệt độ của dầu bôi trơn trong động cơ khoảng 95÷1150C

- Bảo đảm động cơ làm việc tốt ở mọi chế độ và mọi điều kiện khí hậu cũngnhư điều kiện đường sá, kết cấu nhỏ gọn, dễ bố trí

đưa động cơ đạt đến nhiệt độ làm việc Bên cạnh đó hệ thống làm mát còn làm mátcho máy nén khí nhằm tăng hiệu suất cho máy nén khí Đường nước làm mát máynén khí được trích từ đường nước chính làm mát động cơ.

3.2.2 Làm mát dầu bôi trơn

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt độ của dầu bôi trơn tăng lênkhông ngừng do các nguyên nhân cơ bản sau:

- Dầu bôi trơn phải làm mát các trục, tỏa nhiệt lượng sinh ra trong quá trình

ma sát các ổ trục ra ngoài

- Dầu bôi trơn tiếp xúc trực tiếp với các chi tiết máy có nhiệt độ cao như cò

mổ, đuôi xupáp, piston

Để đảm bảo nhiệt độ làm việc của dầu ổn định, giữ độ nhớt dầu ít thay đổi vàđảm bảo khả năng bôi trơn, vì vậy cần phải làm mát dầu bôi trơn Đường dầu bôitrơn được khoan song song với đường nước làm mát động cơ Khi nước làm mátđộng cơ đồng thời làm mát luôn cho dầu bôi trơn, nhằm hạ nhiệt độ cho dầu bôitrơn

3.3 Hệ thống làm mát bằng nước

Hệ thống làm mát bằng nước được chia ra nhiều kiểu khác nhau như: làmmát bằng nước kiểu bốc hơi, kiểu đối lưu tự nhiên, kiểu tuần hoàn cưỡng bức vàlàm mát ở nhiệt độ cao Mỗi kiểu làm mát đều có những ưu nhược điểm khác nhau

và thích hợp cho từng điều kiện làm việc của từng động cơ

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống như sau:

10- Cácte chứa dầu

Khi động cơ làm việc, tại những vùng nước bao xung quanh buồng cháynước sẽ sôi Nước sôi có tỷ trọng bé hơn nên nổi lên trên mặt thoáng của thùng chứa

để bốc hơi ra ngoài khí trời Nước nguội trong thùng chứa có tỷ trọng lớn sẽ chìmxuống dưới điền chỗ cho nước nóng nổi lên, do đó tạo thành lưư động đối lưu tựnhiên Căn cứ vào nhiệt lượng của động cơ và cách bố trí động cơ đứng hay nằm đểthiết kế hệ thống kiểu bốc hơi này

Với việc làm mát bằng kiểu bốc hơi nước, lượng nước trong thùng sẽ giảmnhanh, do đó cần phải bổ sung nước thường xuyên và kịp thời Vì vậy, kiểu làm mátnày không thích hợp cho động cơ dùng trên phương tiện vận tải

Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi do kết cấu đơn giản và đặt tính lưuđộng đối lưu đã nói ở trên nên hệ thống này được dùng cho các động cơ đốt trongkiểu xilanh nằm ngang, đặc biệt các động cơ trên các máy nông nghiệp cỡ nhỏ

Nhược điểm của hệ thống làm mát này là thất thoát nước nhiều và hao mònxilanh không đều

3.3.2 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên

Trong hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên, nước lưu động tuần hoàn nhờ

sự chênh lệch áp lực giữa hai cột nước nóng và lạnh mà không cần bơm Cột nướcnóng trong động cơ và cột nước nguội trong thùng chứa hoặc trong két nước

4 3

2

1Hình 3-2 Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên

1- Đường nước; 2- Xilanh; 3- Đường dẫn nước vào két làm mát; 4- Nắp két;

5- Két nước; 6- Quạt gió; 7- Đường nước làm mát động cơ

Nước nhận nhiệt của xilanh trong thân máy, làm cho khối lượng riêng nướcgiảm nên nước nổi lên trên Trong khoang của nắp xilanh, nước tiếp tục nhận nhiệtcủa các chi tiết bao quanh buồng cháy- nắp xilanh, xupap… nhiệt độ của nước tiếptục tăng lên và khối lượng riêng nước tiếp tục giảm, nên nước nổi lên trên theođường dẫn ra khoang phía trên của két làm mát (5) Quạt gió (6) được dẫn độngbằng puly từ trục khuỷu động cơ hút không khí qua két Do đó, nước trong két đượclàm mát làm cho khối lượng riêng nước tăng, nước sẽ chìm xuống khoang dưới củakét và từ đây đi vào thân máy, thực hiện một vòng tuần hoàn

Độ chênh áp lực phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ của hai cột nước, do

đó cường độ làm mát có thể tự động điều chỉnh theo phụ tải Khi mới khởi động do

sự chênh lệch nhiệt độ của hai cột nước nóng và nguội bé nên chênh lệch áp lựcgiữa hai cột nước bé Vì vậy, nước lưu động chậm, động cơ chóng đạt nhiệt độ ởchế độ làm việc Sau đó phụ tải tăng thì độ chênh lệch nhiệt độ của hai cột nướccũng tăng theo, tốc độ lưu động của nước cũng tăng theo Độ chênh áp lực cũng cònphụ thuộc vào hiệu độ chênh chiều cao trung bình của hai cột nước, do đó phải luônluôn đảm bảo mức nước của thùng chứa phải cao hơn ở nước ra của động cơ

Tuy nhiên, hệ thống có nhược điểm là nước lưu động trong hệ thống có vậntốc bé vào khoảng V = 0,120,19 m/s Điều đó dẫn đến chênh lệch nhiệt độ nướcvào và nước ra lớn, vì vậy mà thành xilanh được làm mát không đều Muốn khắcphục nhược điểm này thì phải tăng tiết diện lưu thông của nước trong động cơ dẫn

đến hệ thống làm mát nặng nề cồng kềnh Do vậy, hệ thống làm mát kiểu này khôngthích hợp cho động cơ ô tô máy kéo, mà thường được dùng trên động cơ tĩnh tại.3.3.3 Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức

Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức khắc phục được nhược điểm trong

hệ thống làm mát kiểu đối lưu Trong hệ thống này, nước lưu động do sức đẩy cộtnước của bơm nước tạo ra Tùy theo số vòng tuần hoàn và kiểu tuần hoàn ta có cácloại tuần hoàn cưỡng bức như: hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòngkín, kiểu cưỡng bức một vòng hở, kiểu cưỡng bức hai vòng tuần hoàn Mỗi kiểulàm mát có những nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, phạm vi sử dụng khác nhau.3.3.3.1 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng

9

111

108

7

Hình 3-3 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng

1- Thân máy; 2- Đường nước ra khỏi động cơ; 3- Bơm nước;

4- Ống nước nối tắt vào bơm; 5- Nhiệt kế; 6- Van hằng nhiệt; 7- Két làm mát;8- Quạt gió; 9- Ống dẫn nước về bơm; 10- Bình làm mát dầu bôi trơn

Trên hình (3-3) là hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức của động cơ ô tômáy kéo một hàng xilanh Ở đây, nước tuần hoàn nhờ bơm ly tâm (3), qua ống phânphối nước đi vào các khoang chứa của các xilanh Để phân phối nước làm mát đồngđều cho mỗi xilanh, nước sau khi bơm vào thân máy (1) chảy qua ống phân phốiđúc sẵn trong thân máy Sau khi làm mát xilanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo

bơm nước (3), một phần lớn nước qua van hằng nhiệt (6) vào ngăn chứa phía trêncủa két nước.

Tiếp theo, nước từ ngăn phía trên của két đi qua các ống mỏng có gắn cánhtản nhiệt Tại đây, nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt (8) tạo

ra Quạt được dẫn động bằng đai hay bánh răng từ trục khuỷu của động cơ Tại ngănchứa phía dưới, nước có nhiệt độ thấp hơn lại được bơm nước (3) đẩy vào động cơthực hiện một chu kỳ làm mát tuần hoàn

Ưu điểm của hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng kín là nước sau khi quakét làm mát lại trở về động cơ Do đó ít phải bổ sung nước, tận dụng việc trở lạinguồn nước để tiếp tục làm mát động cơ Vì vậy, hệ thống này rất thuận lợi đối vớicác loại xe đường dài, nhất là ở những vùng thiếu nguồn nước

3.3.3.2 Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn hai vòng

Trong hệ thống này, nước được làm mát tại két nước không phải là dòngkhông khí do quạt gió tạo ra mà là bằng dòng nước có nhiệt độ thấp hơn, như nướcsông, biển Vòng thứ nhất làm mát động cơ như ở hệ thống làm mát cưỡng bức mộtvòng còn gọi là nước vòng kín Vòng thứ hai với nước sông hay nước biển đượcbơm chuyển đến két làm mát để làm mát nước vòng kín, sau đó lại thải ra sông,biển nên gọi là vòng hở Hệ thống làm mát hai vòng được dùng phổ biến ở động cơtàu thủy

1 2 3

4 5

6

7 8

9 10

Hình 3-4 Hệ thống làm mát cưỡng bức kiểu hai vòng tuần hoàn

1-Đường nước phân phối; 2- Thân máy; 3- Nắp xilanh; 4- Van hằng nhiệt; 5- Két làm mát; 6- Đường nước ra vòng hở; 7- Bơm nước vòng hở;

8- Đường nước vào bơm nước vòng hở; 9- Đường nước tắt về bơm vòng kín;

10-Bơm nước vòng kín

Hệ thống làm việc như sau: nước ngọt làm mát động cơ đi theo chu trình kín,bơm nước (10) đến động cơ làm mát thân máy và nắp xilanh đến két làm mát nướcngọt (5) Nước ngọt trong hệ thống kín được làm mát bởi nước ngoài môi trườngbơm vào do bơm (7) qua lưới lọc, qua các bình làm mát dầu, qua két làm mát (5)làm mát nước ngọt rồi theo đường ống (5) đổ ra ngoài môi trường

Khi động cơ mới khởi động, nhiệt độ của nước trong hệ thống tuần hoàn kíncòn thấp, van hằng nhiệt (4) đóng đường nước đi qua két làm mát nước ngọt Vìvậy, nước làm mát ở vòng làm mát ngoài, nước được hút từ bơm (7) qua két làmmát (5) theo đường ống (6) đổ ra ngoài Van hằng nhiệt (4) có thể đặt trên mạchnước ngọt để khi nhiệt độ nước ngọt làm mát thấp, nó sẽ đóng đường ống đi vào kétlàm mát (5) Lúc này nước ngọt có nhiệt độ thấp sau khi làm mát động cơ qua vanhằng nhiệt (4) rồi theo đường ống đi vào bơm nước ngọt (10) để bơm trở lại độngcơ

1-Đường nước phân phối; 2- Thân máy; 3- Nắp máy; 4- Van hằng nhiệt; 5- Đường nước

ra vòng hở; 6- Đường nước vào bơm; 7- Đường nước nối tắt về bơm; 8- Bơm nước.Trong hệ thống này nước làm mát là nước sông, biển được bơm (8) hút vàolàm mát động cơ, sau đó theo đường nước (5) đổ ra sông, biển Hệ thống này có ưuđiểm là đơn giản Tuy nhiên, ở một số kiểu động cơ nước làm mát đạt được ở 1000Choặc cao hơn Khi nước ở nhiệt độ cao, nước sẽ bốc hơi Hơi nước có thể tạo thànhngay trong áo nước làm mát (kiểu bốc hơi bên trong) hoặc hơi nước bị tạo ra trong

một thiết bị riêng (kiểu bốc hơi bên ngoài) Do đó, cần phải có một hệ thống làmmát riêng cho động cơ.

So sánh hai hệ thống làm mát kín và hở của động cơ tàu thủy thì hệ thống hở

có kết cấu đơn giản hơn, nhưng nhược điểm của nó là nhiệt độ của nước làm mátphải giữ trong khoảng 500 ÷ 600C để giảm bớt sự đóng cặn của các muối ở thànhxilanh, nhưng với nhiệt độ này do sự làm mát không đều nên ứng suất nhiệt của cácchi tiết sẽ tăng lên Cũng do vách áo nước bị đóng cặn muối mà sự truyền nhiệt từxilanh vào nước làm mát cũng kém Ngoài ra, do ảnh hưởng của nhiệt độ nước ởngoài tàu thay đổi mà nhiệt độ nước trong hệ thống hở cũng dao động lớn Điều nàykhông có lợi cho chế độ làm mát

3.3.4 Hệ thống làm mát bằng nước ở nhiệt độ cao

Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao ở đây bao gồm hai hệ thống làm mát chính

là hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài và hệ thống làmmát cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt hơi nước và nhiệt của khí thải

3.3.4.1 Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài

7 1

6- Không khí làm mat; 7- Bơm nước

Trong hệ thống này có hai vùng áp suất riêng khác nhau Vùng thứ nhất có

áp suất p1 truyền từ bộ tách hơi (3) qua bộ ngưng tụ (5) đến bơm tuần hoàn (7).Quạt gió (4) dùng để quạt mát bộ ngưng tụ (5) Vùng thứ hai có áp suất p2 > p1

truyền từ bơm tuần hoàn qua động cơ đến van tiết lưu (2) của bình tách hơi (3), độchênh áp suất p = p - p được điều chỉnh bởi van tiết lưu (2) Nước trong vùng có

áp suất cao p2 không sôi mà chỉ nóng lên (từ nhiệt độ tvào đến tra ) Áp suất p2 tươngứng với nhiệt độ sôi t2 > tra nên nước chỉ sôi ở bộ tách hơi có áp suất p1 < p2

3.3.4.2 Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước vànhiệt của khí thải

10 11 12

13 14

15 16

Hình 3-7 Sơ đồ hệ thống làm mát nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước và

nhiệt của khí thải1- Động cơ; 2- Tuabin tăng áp; 3- Đường thải; 4- Bộ tăng nhiệt cho hơi nước;5- Bộ tăng nhiệt cho nước ra; 6- Bộ tăng nhiệt cho nước trước khi vào bộ tách hơi;7,9- Van tiết lưu; 8- Bộ tách hơi nước; 10- Tuabin hơi; 11- Bộ ngưng tụ;

12,14,15,16- Bơm nước; 13- Thùng chứa nước

Hệ thống làm mát này có hai vòng tuần hoàn và quá trình hoạt động như sau:

- Vòng 1: Bộ tách hơi (8) đến bơm tuần hoàn (14) vào động cơ (1), bộ tăngnhiệt trước cho nước tuần hoàn (5) đến van tiết lưu (7), bộ tách hơi (8) Nước tuầnhoàn trong hệ thống tuần hoàn làm kín nhờ bơm (11) bơm lấy nước từ bộ tách hơivới áp suất p1 đưa vào động cơ với áp suất p2 Từ động cơ nước lưu động ra với ápsuất p2 và nhiệt độ tra rồi vào bộ tăng nhiệt (5), ở đây nhiệt độ nâng lên t’ra > tra

Nhưng do áp suất của p2 của nước tương ứng với với nhiệt độ sôi t2> t’ra> tra

nên nước không sôi trong động cơ và cả bộ tăng nhiệt Nước chỉ sôi ở bộ tách hơi

- Vòng 2: Hơi từ bộ tách hơi (8) qua bộ tăng nhiệt (4), sau đó vào tuabin (10),

rồi vào bộ ngưng tụ (11) Nước làm mát do hơi nước ngưng tụ trong bộ phận ngưng

tụ (11) được bơm (12) bơm vào buồng chứa (13) rồi qua bơm (15) để bơm vào bộtăng nhiệt (6), sau đó qua van điều tiết tự động (9) vào bộ tách hơi Nước làm mátcủa vòng tuần hoàn ngoài chảy vào bình làm mát dầu, đi làm mát đỉnh và qua bộngưng tụ (11) đều do bơm (16) của hệ thống bơm cấp vào mạch hở để piston làmmát nước trong mạch kín

Ưu điểm của hệ thống làm mát này là: Có thể nâng cao được hiệu suất làmviệc của động cơ lên 6-7%, giảm được lượng tiêu hao hơi nước và không khí làmmát, do đó ta rút gọn được kích thước bộ tản nhiệt, đốt cháy được nhiều lưu huỳnhtrong nhiên liệu này

Tuy nhiên, hệ thống làm mát này cũng có những nhược điểm cơ bản là nhiệt

độ của các chi tiết máy cao Do đó cần đảm bảo các khe hở công tác của các chi tiếtcũng như cần phải dùng loại dầu bôi trơn có tính chịu nhiệt tốt Ngoài ra đối vớiđộng cơ xăng cần phải chú ý đến hiện tượng kích nổ Khi tăng áp suất để nâng nhiệt

độ của nước làm mát trong hệ thống, cần phải đảm bảo các mối nối đường ống, cáckhe hở của bơm phải kín hơn, bộ tản nhiệt phải chắc chắn hơn

3.4 Hệ thống làm mát động cơ bằng không khí (gió)

Hệ thống làm mát của động cơ làm mát bằng gió bao gồm ba bộ phận chủyếu- phiến tản nhiệt trên thân máy và nắp xilanh, quạt gió và bản dẫn gió Hệ thốnglàm mát bằng không khí chia làm hai loai: làm mát bằng không khí kiểu tự nhiên vàkiểu làm mát theo cưỡng bức (dùng quạt gió)

Tùy thuộc vào đặc điểm của từng loại động cơ mà trang bị hệ thống làm máthợp lý

3.4.1 Hệ thống làm mát bằng không khí kiểu tự nhiên

Hệ thống làm mát kiểu này rất đơn giản Nó chỉ gồm các phiến tản nhiệt bốtrí trên nắp xilanh và thân máy Các phiến ở mặt trên nắp xilanh bao giờ cũng bố trídọc theo hướng di chuyển của xe, các phiến làm mát ở thân thường bố trí vuông gócvới đường tâm xilanh Đa số động cơ môtô và xe máy bố trí hệ thống làm mát kiểunày

Tuy nhiên, một vài loại xe máy đặt động cơ nằm ngang lại bố trí phiến tảnnhiệt dọc theo đường tâm xilanh để tạo điều kiện gió lùa qua rãnh giữa các phiếntản nhiệt Hệ thống làm mát kiểu tự nhiên lợi dụng nhiệt khi xe chạy trên đường đểlấy làm mát các phiến tản nhiệt