Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục

Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục

Trang ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang iii

CẢM TẠ

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới PGS TS Đặng Thành Trung, TS Nguyễn Văn Trạng Đặc biệt là TS Nguyễn Văn Trạng người đã tận tình hướng dẫn sâu sắc về mặt khoa học và quan tâm, động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn:

“Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục”

Xin chân thành cám ơn tất cả quý thầy cô khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Trường Đại học Bách khoa TP HCM, các anh chị học viên khóa trước, các bạn học viên cùng khóa đã tận tình giúp đỡ để em hoàn thành đề tài

Do trình độ và điều kiện nghiên cứu có hạn nên chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của tất cả quý thầy cô, anh chị và các bạn

Xin chân thành cám ơn!

TP HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2016

Nguyễn Đình Trung

Trang iv

TÓM TẮT

Đề tài trình bày một dạng kết cấu hoàn toàn mới của bộ tản nhiệt sử dụng công nghệ truyền nhiệt bằng kênh mini Bộ tản nhiệt cải tiến có kích thước nhỏ gọn hơn rất nhiều so với bộ tản nhiệt ban đầu của xe, công nghệ gia công chế tạo đơn giản với giá thành thấp hơn Thông qua kết quả thực nghiệm, bộ tản nhiệt kênh mini hoàn toàn có thể làm tăng hiệu quả làm mát mà không làm thay đổi đến kết cấu của

xe Kết quả cho thấy, nhiệt độ của nước ra khỏi bộ tản nhiệt kênh mini thấp hơn so với bộ tản nhiệt ban đầu của xe từ 60C đến 80C Ngoài ra với một số giải pháp kỹ thuật kết hợp sẽ làm tăng được công suất và hiệu suất của động cơ Kết quả của đề tài khẳng định tính khả thi và tính hiệu quả của bộ tản nhiệt kênh mini khi triển khai

sử dụng trên xe gắn máy

Từ khóa: bộ tản nhiệt, xylanh, giải nhiệt, nhiệt độ, truyền nhiệt

Trang v

ABSTRACT

The theme presents a completely new structural form of the radiator using heat transfer technology with mini channels The minichannel radiator improvements compact size more than the initial deposit of cars, technology simple

to fabricate a lower cost.The experimental results show that the mini -channel heat sink completely can increase cooling efficiency without making changes to the structure of the vehicle Results showed that the temperature of the water out of the mini -channel heat sinks lower than the original radiator from 60C to 80C vehicle In addition to some technical solutions are combined will increase the capacity and performance of the engine Results of the study confirmed the feasibility and effectiveness of the mini -channel heat sinks when deployed for use on motorcycles

Keywords : water tanks , cylinders , cooling , temperature , heat transfer

Trang vi

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 2

1.3 Mục đích của đề tài 9

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 9

1.5 Phương pháp nghiên cứu 10

1.6 Kết cấu của đề tài 10

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

NHIỆT ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG – LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT 11

2.1 Nhiệt động học động cơ đốt trong 11

2.1.1Các khái niệm cơ bản 11

2.1.2.Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong 11

2.1.3.Xác định lượng nhiệt từ động cơ truyền cho hệ thống làm mát 14

2.2 Lý thuyết truyền nhiệt 15

Trang vii

CHƯƠNG 3 : 19

THỰC TRẠNG HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT 19

TRÊN ĐỘNG CƠ XE TAY GA – ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC 19

3.1 Mục đích và yêu cầu thống làm mát trên động cơ 19

3.1.1.Mục đích của hệ thống làm mát 19

3.1.2.Yêu cầu của hệ thống làm mát 20

3.2 Hệ thống làm mát trên động cơ xe tay ga 20

3.3 Thực trạng và hiệu quả của hệ thống làm mát trên động cơ xe tay ga 30

3.4 Đề xuất giải pháp khắc phục 33

Chương 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Thiết kế két nước kênh mini 34

4.2 Thiết lập hệ thống thí nghiệm và kết quả thực tế khi thay đổi mẫu két nước 36

4.2.1.Thí nghiệm đánh giá khả năng tản nhiệt của hai mẫu két nước 48

4.2.2.Thí nghiệm so sánh tiêu hao nhiên liệu khi thay đổi mẫu két nước 48

4.2.3.Thí nghiệm đo Moment, công suất động cơ khi thay đổi mẫu két nước 52 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

5.1 Kết luận 55

5.2 Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Trang viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ac : diện tích mặt cắt, m2

BTĐN : bộ trao đổi nhiệt

Dh : đường kính quy ước, m

F : hệ số ma sát Fanning

H : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K

k : hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K

L : chiều dài kênh mini, m

m : lưu lượng khối lượng, kg/s

NTU : chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)

Trang ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe 2

Hình 1.2: So sánh tính năng của áo nước làm mát trên động cơ 3

Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh 4

Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh 4

Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh 5

Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe 5

Hình 1.7: Khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt 6

Hình 1.8: Hệ thống làm mát bằng gió cưỡng bức 7

Hình 1.9: Mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính tản nhiệt của hai mẫu két nước 7

Hình 1.10: Hình ảnh nhiệt độ đầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 8

ở nhiệt độ 500 0 C và lưu lượng nước 1000 ml/phút 8

Hình 2.1:Đồ thị P-V và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích 12

Hình 3.1: Bố trí khoang động cơ và quạt gió cưỡng bức đối với hệ thống làm mát bằng gió 20

Hình 3.2: Luồng không khí thổi cưỡng bức vào làm mát động cơ 21

Hình 3.3: Cấu tạo hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín 21

Hình 3.4: Cấu tạo của hệ thống làm mát xe Nouvo LX 135cc 22

Hình 3.5: Cấu tạo bộ tản nhiệt của xe Nouvo LX 23

Hình 3.6: Cấu tạo bơm nước xe Nouvo LX 24

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát xe Nouvo LX 25

Hình 3.8: Bơm ly tâm 26

Hình 3.9: Cấu tạo của két nước 27

Hình 3.10: Cấu tạo của nắp két nước 28

Trang x

Hình 3.11: Nắp két nước được tháo ra từ cổ rót nước vào ở bộ tản nhiệt 28

Hình 3.12: Cổ rót nước của bộ tản nhiệt 29

Hình 3.13: Van hằng nhiệt 29

Hình 3.14: Phần thùng yên thiết kế rộng rãi 30

Hình 3.15: Kết cấu hệ thống làm mát xe Shi 150cc 31

Hình 3.16: Khoang động cơ của các dòng xe tay ga được thiết kế bao kín 32

Hình 3.17: Giải pháp thay thế két nước mới 33

Hình 3.18: Giải pháp thay thế quạt gió cưỡng bức 33

Hình 4.1: Bản vẽ thiết kế bộ tản nhiệt kênh mini 35

Hình 4.2: Mẫu thí nghiệm 35

Hình 4.3: Két nước cũ của xe Nouvo LX 35

Hình 4.4: Hệ thống thí nghiệm 36

Hình 4.5: Mô hình két nước cải tiến 36

Hình 4.6: Mô hình bố trí thí nghiệm 37

Hình 4.7: Công tắc nhiệt thời gian 38

Hình 4.8: Quá trình thực hiện kiểm tra sự thay đổi nhiệt độ qua két nước 38

Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ nước làm mát vào hai mẫu két nước không sử dụng quạt làm mát 41

Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ nước làm mát ra khỏi hai mẫu két nước không sử dụng quạt làm mát 43

Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ nước làm mát vào hai mẫu két nước có sử dụng quạt làm mát 45

Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ nước làm mát ra khỏi hai mẫu két nước có sử dụng quạt làm mát 47

Hình 4.13: Mô hình bố trí thí nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu đối với hai mẫu két nước 48

Hình 4.14: Đồ thị biểu thị suất tiêu hao nhiên liệu cho hai mẫu két nước 51

Hình 4.15: Mô hình bố trí thí nghiệm đo kiểm tra moment, công suất động cơ 52

Trang xi

Hình 4.16: Đồ thị biểu thị sự thay đổi momet động cơ ở chế độ thử 20% tải cho hai mẫu két nước 52 Hình 4.17: Đồ thị biểu thị sự thay đổi công suất động cơ ở chế độ thử 20% tải cho hai mẫu két nước 53 Hình 4.18: Đồ thị biểu thị sự thay đổi momet động cơ ở chế độ thử 30% tải cho hai mẫu két nước 53 Hình 4.19: Đồ thị biểu thị sự thay đổi công suất động cơ ở chế độ thử 30% tải cho hai mẫu két nước 54

Trang xii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Dụng cụ đo và độ chính xác 37

Bảng 4.2 Số liệu nhiệt độ nước vào két làm mát (trường hợp 1) 39

Bảng 4.3 Số liệu nhiệt độ nước ra khỏi két làm mát (trường hợp 1) 41

Bảng 4.4 Số liệu kết quả kéo dài thí nghiệm cho hai mẫu két nước 43

Bảng 4.5 Số liệu nhiệt độ nước vào két làm mát (trường hợp 2) 44

Bảng 4.6 Số liệu nhiệt độ nước ra khỏi két làm mát (trường hợp 2) 46

Bảng 4.7 Số lệu đo mức tiêu hao nhiên liệu khi xe dùng mẫu két nước nguyên bản 49

Bảng 4.8 Mức tiêu hao nhiên liệu trung bình khi xe dùng mẫu két nước nguyên bản 49

Bảng 4.9 Số lệu đo mức tiêu hao nhiên liệu xe dùng mẫu két nước kênh tản nhiệt mini 50

Bảng 4.10 Mức tiêu hao nhiên liệu trung bình xe dùng mẫu két nước kênh tản nhiệt mini 50

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ở Việt Nam, xe máy là phương tiện giao thông cá nhân không thể thiếu Theo thống kê của cục đường bộ hiện tại trên toàn quốc có khoảng 40 triệu xe máy ( đăng ký lưu hành và không đăng ký lưu hành) Đối với loại phương tiện giao thông này đáp ứng đến 90% nhu cầu đi lại của người dân Tuy nhiên, do không phân biệt được sự khác nhau giữa các hệ thống làm mát trên xe máy, đa phần người sử dụng bỏ qua việc theo dõi nhiệt

độ động cơ cho tới khi công suất của động cơ giảm thì người sử dụng mới đem xe đi bảo dưỡng

Công suất nhỏ, kết cấu thoáng, động cơ tiếp xúc trực tiếp với khí trời, đa phần xe

số sử dụng hệ thống làm mát bằng gió Xe chuyển động, không khí đối lưu với tốc độ cao thổi vào động cơ Người sử dụng không phải lưu tâm tới vấn đề động cơ nóng Hiện tại các thành phố lớn, xe ga ngày càng được ưa chuộng nhờ kiểu dáng đẹp, hệ thống truyền động vô cấp cho phép người sử dụng không cần sang số khi tăng tốc Để có những ưu điểm đó thì kết cấu xe tay ga cũng có nhiều khác biệt so với xe số Toàn bộ thân động cơ bao kín giành khoảng không cho việc bố trí tiện nghi trên xe (như thùng đựng đồ, cốp xe, gác để chân…), tốc độ lưu thông không khí thấp dù xe chuyển động ở tốc độ cao Ngoài

ra, hầu hết xe tay ga đều sử dụng hệ truyền động vô cấp So với loại truyền động xích trên

xe số thì hệ thống này tạo ra nhiều nhiệt hơn Nhà sản xuất thường lựa chọn một trong hai giải pháp: dùng quạt thổi gió cưỡng bức vào động cơ hoặc thiết kết hệ thống làm mát bằng dung dịch Với kiểu thổi gió cưỡng bức, động cơ truyền công suất làm quay quạt

Không khí từ bên ngoài được hút vào, chạy theo các đường hướng gió làm mát thân máy Động cơ chạy thì quạt quay Kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát cưỡng bức này đơn giản Tuy nhiên, cách làm mát này đã có từ lâu, động cơ chạy không êm bằng loại sử dụng hệ thống làm mát bằng dung dịch trên một số dòng xe đời mới như: Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX… Hệ thống làm mát bằng dung dịch trên xe gắn máy không

giống như ôtô, bình chứa nước phụ trên xe máy thường ở vị trí khuất, rất khó theo dõi để chủ động châm thêm dung dịch làm mát trong khi vai trò lại rất quan trọng Sau thời gian

sử dụng động cơ rất nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên, công suất làm việc động cơ giảm, có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh

Bộ tản nhiệt của các dòng xe tay ga làm mát bằng dung dịch sau một thời gian hoạt động thường bị đóng cặn, các cánh tản nhiệt bị hỏng Do đó, Bộ tản nhiệt không thể bảo dưỡng, phục hồi trạng thái tản nhiệt ổn định mà cần thay mới, chi phí sửa chữa tăng

Vì lý do đó người thực hiện chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát xe tay ga và đề xuất giải pháp khắc phục” nhằm mục đích tăng hiệu

suất làm mát động cơ, giúp động cơ tăng công suất làm việc, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ

1.2 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan

Xuất phát từ quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, nấm xupap, thành xylanh) chiếm khoảng 25%  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra Vì vậy các chi tiết thường bị đốt nóng mãnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600o C, nhiệt độ nấm xupap có thể lên tới 900oC Hình 1.1 thể hiện sự phân bố năng lượng trên xe Trong đó bao gồm 30% là tải nhiệt làm mát, 35% là tải nhiệt theo khí thải và 35% là năng lượng nhiệt có ít [1]

Hình 1.1: Sự phân bố năng lƣợng trong xe [1]

 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Khot và Santosh [2] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và so sánh tính năng của hai áo nước làm mát khác nhau của động cơ Diesel 6 xylanh thẳng hàng Từ phân tích cho thấy rằng mô hình 2 có vận tốc ở đầu áo nước được cải thiện và tổn thất áp suất giảm đã được trình bày ở hình 1.2

Hình 1.2: So sánh tính năng của áo nước làm mát trên động cơ

Qingzhao wang [3] đã trình bày và phân tích sự phân bố áp suất, vận tốc, hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cho áo nước ở đầu xylanh Kết quả phân tích cho thấy rằng nước làm mát trong đầu xylanh đã thực hiện phân phối lưu lượng dòng chảy tốt và sự phân phối

áp suất tương đối chấp nhận được Sự bố trí của các phần trong đầu xylanh đã cung cấp sự tác động cần thiết để tăng khả năng làm mát trong vùng nguy hiểm, như là xupap thải, kim phun nhiên liệu Vì vậy các chi tiết nóng sẽ không quá nóng để phá hủy Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh của nghiên cứu thể hiện ở hình 1.3

Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh

Một phân tích trạng thái truyền nhiệt ổn trên phần đầu xylanh đã được thực hiện bởi Andrew powell [4] tải nhiệt của mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh với phương thức truyền nhiệt đối lưu từ không khí phía trên cánh tản nhiệt đầu xylanh và màng dầu trên các bộ phận trục khuỷu Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh đã được thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh

Paul cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu việc dùng không khí để giải nhiệt cho xylanh động cơ bằng cách giả định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh được thể hiện ở hình 1.5

Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh

Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt của các thông

số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí khi độ dày của cánh tăng lên Khoảng cách giữa các cánh giảm dần, ảnh hưởng đến quá trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt Số lượng cánh lớn tương ứng độ dày cánh nhỏ để giải nhiệt cho

xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết quả làm cho khả năng trao đổi nhiệt cao hơn

Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe

Pulkit cùng cộng sự [6] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng

số CFD Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe, hình dạng cánh tản nhiệt và nhiệt độ xung quanh Ở vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933.56W và 1123.03W tương ứng được mô phỏng qua hình 1.6

Masao cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cánh, khoảng cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy Kết quả cho thấy rằng nhiệt tỏa ra từ xylanh không được cải thiện khi thân xylanh có quá nhiều cánh và khoảng cách giữa các cánh quá hẹp tại những tốc độ gió quá thấp, do vậy mà nhiệt độ giữa chúng sẽ tăng lên Ngoài ra kích thước cánh tối ưu khi xe đứng yên là 20mm và khi

xe di chuyển là 8mm được thể hiện như hình 1.7

Hình 1.7: Khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt

Nhiệt độ dầu động cơ có thể được điều khiển bằng cách cải tiến thiết kế phù hợp trong hệ thống làm mát đã được thực hiện bởi Singh cùng cộng sự [8] thể hiện rõ trong hình 1.8 Kết quả cho thấy rằng tấm ngăn trên nắp máy sau khi cải tiến đã làm cho nhiệt

độ dầu giảm khoảng 7o

C, tiếp tục cải tiến thiết kế nắp máy để dòng chảy trực tiếp trên thân máy thì nhiệt độ dầu giảm 12,5oC Thêm vào đó, sau khi thiết kế lại các cánh quạt ly tâm thì nhiệt độ dầu giảm tổng thể khoảng 24oC

Hình 1.8: Hệ thống làm mát bằng gió cưỡng bức

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả PGS- TS Đặng Thành Trung[9], Trần Ngọc Tân, đề tài luận văn Thạc sỹ của tác giả Não Minh DaLy[10] đã nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những bộ tản nhiệt micrô có kênh hình chữ nhật Kết quả thực nghiệm lẫn mô phỏng số học kiểm chứng trong cùng điều kiện thí nghiệm cho thấy đặc tính truyền nhiệt của bộ tản nhiệt kênh mini tốt hơn Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu là cơ sở bước đầu có thể áp dụng công nghệ truyền nhiệt mini/micrô tăng hiệu quả làm mát cho động cơ đốt trong

Hình 1.9: Mô hình thực nghiệm đánh giá đặc tính tản nhiệt của hai mẫu két nước

Tác giả Huỳnh Tấn Đạt [11] đã nghiên cứu và chế tạo thành công áo nước xylanh sẻ rãnh làm tăng hiệu quả làm mát Trong nghiên cứu tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng số học để đánh giá Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ trung bình phía ngoài của áo nước xylanh xẻ rãnh thấp hơn 50C so với nhiệt độ trung bình phía ngoài của áo nước xylanh không xẻ rãnh Tuy nhiên, theo tác giả [nghiên cứu này chỉ tập trung vào nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt chứ không nghiên cứu về cơ tính của xylanh khi

xẻ rãnh]

Hình 1.10: Hình ảnh nhiệt độ đầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh

ở nhiệt độ 500 0 C và lưu lượng nước 1000 ml/phút

 Điểm mới của đề tài

Một số đề tài trên thế giới có tính ứng dụng rất cao và đã được đưa vào cuộc sống Ở Việt Nam, về tình hình nghiên cứu giải nhiệt két nước và áo nước trên xe ô tô cũng như

xe máy rất ít nhà nghiên cứu đã đề cập vấn đề này và công bố kết quả trên các nguồn dữ liệu chính thống Một số đề tài nghiên cứu trong nước cũng đã đề cập đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những bộ tản nhiệt micrô bằng phần mềm mô phỏng số học cũng như thực nghiệm trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, điểm hạn chế của các đề tài nêu trên là:

- Các đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của bộ tản nhiệt mini trên cùng điều kiện trong phòng thí nghiệm chưa sát với điều kiện vận hành thực tế của xe, đặc biệt trong điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông ở nước ta

- Việc thiết kế bộ tản nhiệt, một số tác giả chưa tính toán thiết kế van không khí và van cân bằng áp suất

- Cơ sở lý thuyết để xác định thể tích cũng như kích thước của bộ tản nhiệt chưa thuyết phục

Điểm mới của đề tài:

- Nghiên cứu và chế tạo thành công bộ tản nhiệt kênh mini có kết cấu và chức năng giống như bộ tản nhiệt trên thị trường

- Đưa ra cơ sở lý thuyết nền tảng để xác định kích thước, thể tích cũng như số kênh mini của bộ tản nhiệt

- Kết hợp nhiều giải pháp, thay thế bộ tản nhiệt kênh mini cho bộ tản nhiệt nguyên bản nhằm tăng hiệu quả làm mát, tăng công suất động cơ

- Nghiên cứu đánh giá về đặc tính tản nhiệt và dòng chảy lưu chất trên điều kiện vận hành thực tế của động cơ Đặc biệt, ứng dụng thành công bộ tản nhiệt kênh mini trên xe Nouvo LX 135cc

1.3 Mục đích của đề tài

Đề tài này tập trung nghiên cứu đánh giá thực trạng hệ thống làm mát của động cơ

xe tay ga Đưa ra giải pháp khắc phục để làm tăng hiệu suất làm mát, tăng hiệu suất nhiệt cho động cơ Giúp động cơ tăng công suất làm việc, hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ Kiểm nghiệm thực tế động cơ xe Novou LX 135cc

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

Tập trung nghiên cứu đánh giá quá trình trao đổi nhiệt ở két nước và thành xylanh trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan

Đánh giá thực trạng hệ thống làm mát của động cơ xe tay ga Đưa ra giải pháp khắc phục để làm tăng hiệu suất làm mát, tăng hiệu suất nhiệt, công suất cho động cơ và thực nghiệm trên động cơ xe Nouvo LX 135cc

Nghiên cứu này thực hiện ở điều kiện truyền nhiệt ổn định, nắp máy không đổi

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Tổng quan các kết quả thí nghiệm liên quan tới giải pháp thay đổi két nước với kênh tản nhiệt mini

Phương pháp thực nghiệm: về việc thay đổi két nước với kênh tản nhiệt mini và thay đổi các giải pháp làm tăng hiệu quả làm mát

So sánh kết quả

1.6 Kết cấu của đề tài

Đề tài gồm có : 5 Chương

Chương I : Tổng quan

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương III: Đánh giá thực trạng hiệu quả của hệ thống làm mát

trên động cơ xe tay ga – Đề xuất giải pháp khắc phục

Chương IV: Kết quả và thảo luận

Chương V: kết luận và kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỆT ĐỘNG HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT

2.1 Nhiệt động học động cơ đốt trong

2.1.1Các khái niệm cơ bản

- Chu trình công tác: khi động cơ làm việc trong xilanh động cơ phải thực hiện các

quá trình nạp môi chất mới, nén môi chất, cháy – giãn nở sinh công và thải sản vật cháy ra ngoài Các quá trình này được diễn ra theo một trình tự nhất định, lặp đi lặp lại và có tính chu kỳ Tổng hợp các quá trình trên, hình thành nên chu trình công tác hay chu trình làm

việc thực tế của động cơ đốt trong

Chu trình công tác của động cơ có thể được thực hiện trong hai vòng quay trục khuỷu, một vòng quay trục cam hay bốn hành trình của piston đối với động cơ 4 kỳ hoặc một vòng quay trục khuỷu, tức là hai hành trình của piston đối với động cơ 2 kỳ

- Chu trình lý tưởng: trong động cơ đốt trong, quá trình chuyển biến từ nhiệt năng

(do đốt cháy nhiên liệu ở dạng hoá năng) sang cơ năng (công cơ học) của động cơ rất

phức tạp

Chu trình lý tưởng: là một chu trình kín, thuận nghịch trong đó không có một tổn

thất năng lượng phụ nào ngoài tổn thất do nhả nhiệt cho nguồn lạnh Đặc điểm chính của chu trình lý tưởng là:

Môi chất công tác trong chu trình là lý tưởng

Lượng môi chất dùng trong chu trình không thay đổi trong chu trình không có các quá trình thay đổi môi chất

Các quá trình nén và giãn nở là những quá trình đoạn nhiệt

Quá trình cháy được thay bằng quá trình cấp nhiệt Q1 từ nguồn nóng và quá trình nhả nhiệt cho nguồn lạnh được thay bằng quá trình nhả nhiệt Q2 từ môi chất tới nguồn lạnh

2.1.2 Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong

Tham khảo nguồn tài liệu [12]Nguyễn Văn Trạng Động cơ đốt trong 1 NXB Đại

học sư phạm kỹ thuật T.P Hồ Chí Minh, 2005, tr 119 – tr.122

Chu trình lý tưởng tổng quát của động cơ đốt trong được thể hiện trên hai đồ thị P -

V và T – S gồm các quá trình sau:

b/ Chu trình lý thuyết:

Để tiện cho việc nghiên cứu ta dựa vào các giả thuyết sau:

- Môi chất được xem là khí lý tưởng

- Các quá trình là thuận nghịch

- Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt

- Quá trình thải là quá trình nhả nhiệt

- Quá trình nạp và thải triệt tiêu nhau về công, hệ được coi là hệ kín

Hình 2.1: Đồ thị p-v và T-s chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích

*Các quá trình:

1-2: quá trình nén đoạn nhiệt (gồm nhiên liệu và không khí)

2-3: quá trình cấp nhiệt (q1) đẳng tích (quá trình cháy)

3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt

4-1: quá trình nhả nhiệt (q2) đẳng tích (quá trình thải)

Hiệu suất nhiệt :

Ta có t = 1

-q

q

1 2

| (2.1) Các đại lượng đặc trưng của chu trình gồm:

)-.(

C

T T

T T

2 3

1 4

v

v

= 1 -

)-(

)-(

T T

T T

2 3

1 4

Quá trình 1 – 2: đoạn nhiệt

2 1

4 3

1 2

Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào tỉ số nén ɛ và chỉ số đoạn nhiệt k Tăng ɛ thì t sẽ tăng lên

2.1.3 Xác định lượng nhiệt từ động cơ truyền cho hệ thống làm mát

Nhiệt độ từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể coi gần bằng số nhiệt lượng đưa qua bộ tản nhiệt truyền vào không khí, lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát của động cơ xăng chiếm khoảng 20 ÷ 30% tổng số nhiệt lượng do nhiên liệu toả ra Nhiệt

lượng Q lm có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau đây:

Trong đó: q’ lm- Lượng nhiệt truyền cho nước làm mát ứng một đơn vị công suất

trong 1 đơn vị thời gian (J/kW.s);

Đối với động cơ xăng:

q’ lm = 1263 ÷ 1360 J/kW.s (1300 ÷ 860 kcal/ml.h)

Có trị số Q lm , ta có thể xác định được lượng nước G lm tuần hoàn trong hệ thống trong

1 đơn vị thời gian:

Êtylen glycon C n= 2093J/kg.độ (0,5kcal/kg độ);

∆t n - Hiệu nhiệt độ nước vào và ra bộ tản nhiệt

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

 Tính toán sự truyền nhiệt của két nước

Sự 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 làm ba giai đoạn ứng với ba phương trình truyền nhiệt sau:

 Từ nước đến mặt thành ống bên trong:

Q lm = α 1. F 1. (t n – t s1 ), (J/s) (2.5)

 Qua thành ống :

α 1− Hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống của bộ tản nhiệt (W/m2.độ);

λ − Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống dẫn nhiệt W/m.độ (kcal/m.h );

δ − Chiều dày của thành ống (m);

α 2− Hệ số tản nhiệt từ thành ống của bộ tản nhiệt vào không khí, tính W/m2 độ (kcal/m.h );

F 1− Diện tích bề mặt tiếp xúc với nước nóng (m2

);

F 2− Diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí (m2);

T s1 ,t s2− Nhiệt độ trung bình của bề mặt trong và ngoài của thành ống;

T n ,t n− Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong bộ tản nhiệt và của không khí

đi qua bộ tản nhiệt

2.2 Lý thuyết truyền nhiệt

Về cơ bản có ba phương thức sau:

 Dẫn nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật chất có nhiệt độ khác nhau khi tiếp xúc trực tiếp nhau Trong quá trình này, nhiệt lượng truyền qua, còn vật chất đứng yên

 Trao đổi nhiệt đối lưu: xảy ra giữa lưu chất (khí) và bề mặt rắn mà ở đó có nhiệt độ khác nhau Lúc này truyền nhiệt gắn liền với dòng chảy

 Trao đổi nhiệt bức xạ: Chủ yếu là do trao đổi của năng lượng sóng điện từ Trong trao đổi nhiệt bức xạ không cần tiếp xúc Nó là quá trình trao đổi nhiệt qua lại giữa năng lượng sóng điện từ và nhiệt năng

Các định luật cơ bản chi phối tất cả sự truyền nhiệt là định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, thường được gọi là nguyên tắc bảo toàn năng lượng [7, 8] Tuy nhiên, nội năng U, là một đại lượng khá phức tạp để đo lường và sử dụng trong mô phỏng Vì vậy, các định luật cơ bản thường được viết lại trong điều kiện nhiệt độ, T Đối với một lưu chất, có phương trình nhiệt là:

là nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

• T là nhiệt độ tuyệt đối, K

T

S    u u

• Q nguồn gia nhiệt, W/m3

Đối với mỗi loại mô chất, các mối quan hệ khác nhau cho hệ số truyền nhiệt đã được đưa ra trong tài liệu liên quan [13] GS-TSKH Đặng Quốc Phú, PGS-TS Trần Thế Sơn,

GS-TSKH Trần Văn Phú Truyền nhiệt NXB giáo dục,2004 Đối với hầu hết các trường

hợp, phương trình mô tả hệ số h thay đổi đáng kể với các hình dạng hình học

•  là khối lượng riêng, kg/m3

- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục,

và phương trình năng lượng

v x

u z

w y

v x

u



(2.9 ) Phương trình năng lượng

z

T w y

T v x

T u t

Q z

T y

T x

Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên cứu này, những đặc tính của lưu chất như mật độ dòng nhiệt, hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện của bộ trao đổi nhiệt sẽ được đề cập như sau

Twi là nhiệt độ đầu vào

Tw0 là nhiệt độ đầu ra

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính

 w o w i

w w

Q

q

c

i w, o w, w w nL

) T - (T c m

Trong đó m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh mini, c là nhiệt dung riêng, T w,i và

T w,o là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, k là

hệ số truyền nhiệt tổng, và độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit

Chỉ số Reynolds được xác định:

 c c

h

D W

m wD

L w f

p

h h

2 2

Re 2





(2.18) Trong đó D h  4A c/P là đường kính quy ước, w là vận tốc của nước theo phương z,

là độ nhớt động lực học,  là khối lượng riêng, A c là diện tích mặt cắt, P là chu vi ướt, L

là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning

CHƯƠNG 3 : THỰC TRẠNG HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT TRÊN

ĐỘNG CƠ XE TAY GA

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC 3.1 Mục đích và yêu cầu thống làm mát trên động cơ

3.1.1 Mục đích của hệ thống làm mát

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy như: piston, xecmăng, xupáp, nắp xilanh, thành xilanh chiếm khoảng 25  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra Vì vậy các chi tiết đó thường bị đốt nóng mãnh liệt - nhiệt độ đỉnh pittông có thể lên tới 600oC, còn nhiệt độ của nấm xupáp có thể lên 900oC Nhiệt độ của các chi tiết máy cao gây ra những hậu quả xấu như:

- Phụ tải nhiệt làm giảm sức bền, độ cứng vững và tuổi thọ 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 xilanh 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 cháy qua thành buồng cháy rồi đến môi chất làm mát để đảm bảo cho nhiệt độ của các chi tiết không quá nóng nhưng cũng không quá nguội Động cơ quá nóng sẽ gây ra các hiện tượng như đã nói, còn quá nguội tức là động cơ được làm mát quá nhiều vì vậy 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 hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn, độ nhớt của dầu bôi trơn tăng, dầu bôi trơn khó lưu động vì vậy làm tăng tổn thất cơ giới và tổn thất ma sát, ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất động cơ

3.1.2 Yêu cầu của hệ thống làm mát

Đối với động cơ đốt trong nói chung cũng như các động cơ lắp trên xe gắn máy nói riêng thì hệ thống làm mát phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Làm việc êm dịu, tiêu hao công suất cho giải nhiệt động cơ thấp

- Bảo đảm nhiệt độ của môi chất làm mát tại cửa ra van hằng nhiệt ở khoảng 83

9-50C và nhiệt độ của dầu bôi trơn trong động cơ khoảng 95÷1150

C

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

3.2 Hệ thống làm mát trên động cơ xe tay ga

Nhà sản xuất thường lựa chọn một trong hai giải pháp:dùng quạt thổi gió cưỡng bức vào động cơ hoặc thiết kết hệ thống làm mát bằng dung dịch

Hệ thống làm mát bằng gió cƣỡng bức trên động cơ xe tay ga

Với kiểu thổi gió cưỡng bức, động cơ truyền công suất làm quay quạt Không khí từ bên ngoài được hút vào, chạy theo các đường hướng gió làm mát thân máy Động cơ chạy thì quạt quay Kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát cưỡng bức này đơn giản

Hình 3.1: Bố trí khoang động cơ và quạt gió cƣỡng bức đối với hệ thống làm mát

bằng gió

Hình 3.2: Luồng không khí thổi cƣỡng bức vào làm mát động cơ

Tuy nhiên theo thợ sửa chữa xe lâu năm thì cách làm mát này đã có từ lâu, động cơ chạy không êm bằng loại sử dụng hệ thống làm mát bằng dung dịch trên một số dòng xe mới như: Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX…

Hệ thống làm mát tuần hoàn cƣỡng bức một vòng kín

Trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng thì sự tuần hoàn của chất lỏng được thực hiện một cách cưỡng bức dưới tác dụng của bơm nước bơm vào áo làm mát, nước bị hâm nóng và qua đường nước ở nắp máy trở về két nước Quạt gió có tác dụng làm nguội nước

ở két làm mát được nhanh chóng

Hình 3.3: Cấu tạo hệ thống làm mát tuần hoàn cƣỡng bức một vòng kín

Hình 3.4: Cấu tạo của hệ thống làm mát xe Nouvo LX 135cc

 Bộ tản nhiệt gồm:

Hình 3.5: Cấu tạo bộ tản nhiệt của xe Nouvo LX

1 Vỏ bộ tản nhiệt 9 Nắp bộ điều nhiệt

2 Nắp bộ tản nhiệt 10 Bộ điều nhiệt

3 Bộ tản nhiệt 12 Vỏ bọc bộ điều nhiệt

4 Joăng chữ O 13 Cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát

5 Bulông xả nước 14 Jắc nối cảm biến nhiệt độ dung dịch làm mát

6 Ống vào bộ tản nhiệt 15 Hộp bộ tản nhiệt

7 Ống ra bộ tản nhiệt 16 Quạt bộ tản nhiệt

8 Bulông vít gió