(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu mô phỏng đặc tính truyền nhiệt của bộ làm mát kênh mini thay thế két giải nhiệt xe máy

TÓM TẮT LÀM MÁT KÊNH MINI THAY THẾ KÉT GIẢI NHIỆT XE MÁY 11 Trong nghiên cứu này, lưu lượng và nhiệt độ của hệ thống giải nhiệt xe máy cải tiến sử dụng bộ làm mát kênh mini đã được nghiê

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự gia tăng của phương tiện giao thông cá nhân, đặc biệt xe máy, đang diễn ra mạnh mẽ tại các thành phố châu Á như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Xe máy được xem là giải pháp di chuyển phổ biến cho đại đa số người dân từ sinh viên đến công nhân và nhân viên văn phòng nhờ giá thành hợp lý, khả năng di chuyển linh hoạt trên quãng đường ngắn và kích thước nhỏ gọn phù hợp với không gian chật hẹp của đô thị đông đúc Xe tay ga với hệ thống truyền động vô cấp (CVT) mang lại trải nghiệm lái dễ dàng, tiết kiệm thời gian và tối ưu hóa hoạt động di chuyển hàng ngày Do đó, xe máy tiếp tục đóng vai trò thiết yếu trong đời sống đô thị và là lựa chọn phổ biến cho cuộc sống hàng ngày ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh.

Continuously Variable Transmission (CVT) hay hộp số vô cấp ngày càng phổ biến nhờ thiết kế đẹp, vận hành đơn giản và tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu Đối với những dòng xe dùng hộp số truyền động truyền thống, việc tăng dung tích động cơ và bố trí lại động cơ để đáp ứng thị hiếu người tiêu dùng là thực tế phổ biến Những điều chỉnh này dẫn đến thách thức về nhiệt: lượng nhiệt sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu tại buồng đốt được giải phóng nhiều hơn, đặt thêm gánh nặng cho hệ thống làm mát và yêu cầu tối ưu hóa quản lý nhiệt khi tích hợp CVT với động cơ.

Để giải phóng lượng nhiệt cho động cơ xe gắn máy có hai giải pháp chính là giải nhiệt bằng không khí và giải nhiệt bằng dung dịch Với giải nhiệt bằng không khí, không khí được dẫn hướng vào thân máy và được chế tạo với các cánh tản nhiệt để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt; luồng gió sau khi làm nóng sẽ di chuyển ra phía sau Hoặc có thể dùng quạt gió được dẫn động từ động cơ để tạo luồng gió cưỡng bức thổi vào máy, đặc biệt trên những xe tay ga có máy ở phía sau và bị che chắn bởi lớp áo xe khiến gió tự nhiên khó lưu thông Hệ thống giải nhiệt bằng gió đơn giản, không yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên và phức tạp, nhưng hiệu quả giải nhiệt thấp nên không thể đảm bảo điều kiện tối ưu cho động cơ làm việc khi động cơ bị che phủ và giấu kín sau lớp áo xe Ngoài ra, giải nhiệt bằng dung dịch cũng được xem là một giải pháp khác để giải phóng lượng nhiệt cho động cơ, tùy thuộc vào thiết kế và điều kiện vận hành của từng loại xe.

GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng; HVTH: Nguyễn Văn Phương Để khắc phục những nhược điểm của hệ thống giải nhiệt bằng gió, hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch có nhiều ưu điểm như dễ thiết kế áo ngoài nhờ động cơ được bố trí linh động hơn, tiết kiệm không gian và ngày càng được sử dụng rộng rãi cho dòng xe tay ga cũng như dòng xe số có công suất lớn với động cơ được bố trí gọn.

Điểm yếu lớn nhất của hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch là két làm mát, dễ bị ngoại lực gây biến dạng và thủng, dẫn đến rò rỉ dung dịch làm mát và mất khả năng giải nhiệt của hệ thống Các cánh tản nhiệt tiếp xúc với ống dẫn dung dịch được hàn đính nên không dẫn nhiệt tốt từ ống vào không khí Để dự phòng trường hợp gió không đủ cấp cho bộ giải nhiệt, nhà sản xuất kèm theo một quạt nhỏ chạy điện để hỗ trợ Các thiết kế bộ trao đổi nhiệt hiện nay vẫn dừng ở kết cấu dạng ống ovan nên kích thước vẫn còn lớn và giá thành thay thế cao.

Hình 1.1: Két nước xe Exciter bị biến dạng lá tản nhiệt

Dựa trên những nhược điểm đã nêu, công nghệ truyền nhiệt kênh mini hứa hẹn mang lại hiệu quả cao cho hệ thống giải nhiệt xe gắn máy Việc giảm kích thước hệ thống làm mát đi đôi với tăng cường khả năng truyền nhiệt nhờ cấu trúc kênh micro tối ưu, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm mát Nhờ đó, công nghệ này có tiềm năng nâng cao hiệu quả truyền nhiệt, giảm tải động cơ và cải thiện hiệu suất vận hành Đây là hướng đi đáng chú ý để vừa thu nhỏ kích thước vừa tối ưu hiệu quả truyền nhiệt cho hệ thống giải nhiệt xe gắn máy.

Do đó đề tài “nghiên cứu mô phỏng đặc tính truyền nhiệt của bộ làm mát kênh mini thay thế két giải nhiệt xe máy” được thực hiện

GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng 3 HVTH: Nguyễn Văn Phương

Các kết quả nghiên cứu liên quan ngoài nước

Byun và Kim [1] đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượt qua (pass) đối với quá trình truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng phương pháp thực nghiệm, thực hiện với sơ đồ dòng chảy cùng chiều có hai hàng và bốn lượt qua.

Yadav và Singh đã phân tích và so sánh các chất giải nhiệt khác nhau trên kênh nước của ô tô, cho thấy sự khác biệt về hiệu quả làm mát Khot và Santosh đã sử dụng phần mềm mô phỏng số CFD để đánh giá và nhận xét tính năng của hai áo nước làm mát động cơ diesel 6 xylanh thẳng hàng Nhiệt độ dầu động cơ có thể được điều khiển bằng cách cải tiến thiết kế phù hợp trong hệ thống làm mát, một cải tiến được Singh cùng cộng sự thực hiện [4].

Đồng tác giả Dang và cộng sự [5,6] đã nghiên cứu cải thiện hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng cách tăng số lượt pass Theo kết quả, khi số pass tăng từ 3 lên 5, nhiệt lượng trao đổi của bộ trao đổi nhiệt được tăng lên Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa khảo sát tối ưu hóa số pass cũng như các chỉ số hoàn thiện và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt kênh mini.

Paul cùng các cộng sự đã nghiên cứu giải nhiệt cho động cơ bằng không khí, giả định một tập hợp các cánh được gắn thành vòng quanh xi lanh để tăng hiệu quả làm mát; Agarwal cùng các cộng sự tiến hành phân tích truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số với phần mềm CFD, cho phép đánh giá ảnh hưởng của các tham số hình học và điều kiện làm việc đến hiệu suất làm mát.

Tổng quan các kết quả nghiên cứu về thiết bị tản nhiệt và trao đổi nhiệt kênh mini/micro một pha được thể hiện trong công trình của T Dixit và I Ghosh [9] Đánh giá đặc tính dòng hai pha trong các kênh mini dành cho bộ trao đổi nhiệt có kích thước nhỏ gọn đã được thực hiện bởi Masiukiewicz và Anweiler [10] Các kết quả này làm sáng tỏ hiệu suất tản nhiệt của kênh mini và hành vi của dòng hai pha trong các cấu hình kênh nhỏ, đóng góp cho thiết kế và tối ưu hóa các bộ trao đổi nhiệt mini.

Trong lĩnh vực trao đổi nhiệt mini, Dixit và Ghosh [11] đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt mini với dòng cắt nhau Dang và Teng [12] đã so sánh các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt kênh mini và micro bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm Piasecka và Maciejewska [13] đã nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt đối lưu của quá trình sôi trong kênh mini khi thay đổi các hướng trong không gian, và phân tích ảnh hưởng của đầu vào.

Trong nghiên cứu này, phân phối gas lạnh trong bộ trao đổi nhiệt kênh mini với sơ đồ dòng chảy cùng chiều đã được thực hiện bởi Kim và cộng sự dưới sự hướng dẫn của GVHD TS Nguyễn Văn Trạng và HVTH Nguyễn Văn Phương [14] Nghiên cứu cung cấp cái nhìn tổng quan về thiết kế và hiệu suất của hệ thống lạnh, nhấn mạnh vai trò của kênh mini trong tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.

Fenado và các cộng sự [15] đã sử dụng phương pháp Wilson để đánh giá hệ số truyền nhiệt cho bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng nhôm Các nghiên cứu về phân bố dòng chảy và tổn thất áp suất qua bộ trao đổi nhiệt kênh mini được thực hiện trong các công trình [16,17].

Hernado cùng cộng sự [18] đã nghiên cứu tổn thất áp suất, nhiệt lượng và hệ số truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha, cho cả mô phỏng số và thực nghiệm Hassan cùng cộng sự [19] đã đánh giá ảnh hưởng của hình dáng và kích thước kênh đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro ngược chiều.

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt từ buồng đốt được truyền đến các chi tiết xung quanh như piston, xi-lanh và xéc-măng Lượng nhiệt này chiếm khoảng 25%–35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tạo thành, nên các chi tiết đó luôn bị đốt nóng khi động cơ vận hành Nhiệt độ đỉnh của piston có thể đạt khoảng 600°C, còn nhiệt độ của nấm xupap có thể lên tới 900°C.

Hình 1.2: Sự phân bố năng lượng trong xe

Qingzhao Wang [20] 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 cho thấy nước làm mát trong đầu xylanh thực hiện phần đối lưu dòng chảy tốt.

Mẫu thiết kế áo nước đầu xilanh cho hệ thống làm mát cho thấy phân bổ áp suất tương đối ổn định và sự bố trí các chi tiết trong đầu xilanh tạo tác động làm mát tại các vùng nhận nhiệt cao như xupap thải, kim phun nhiên liệu và bộ phận đánh lửa; nhờ đó các chi tiết động cơ không bị quá nóng và đảm bảo độ bền cũng như tuổi thọ của chi tiết Nghiên cứu được thực hiện bởi GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng và HVTH: Nguyễn Văn Phương, với mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xilanh được thể hiện trong hình 1.3.

Hình 1.3: Mẫu thiết kế áo nước đầu xylanh

Trivedi và Vasava [21] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số ANSYS để phân tích dòng chảy lưu chất và quá trình truyền nhiệt trong két nước làm mát ô tô Kết quả phân tích cho thấy hệ số truyền nhiệt đạt được hiệu quả tối ưu khi khoảng cách giữa các ống là 12 mm.

Các ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt mini và micro đang được kỳ vọng rất lớn; nghiên cứu của Roth và cộng sự cho thấy bộ giải nhiệt vi kênh có thể được sử dụng như một giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí thương mại Lợi thế nổi bật của công nghệ này là khối lượng môi chất lạnh giảm xuống trong khi hiệu suất nhiệt tăng lên, từ đó tối ưu hóa hiệu quả vận hành và giảm chi phí cho các hệ thống HVAC thương mại.

Pulkit cùng cộng sự [23] đã nghiên cứu truyền nhiệt trong hệ thống xe ô tô bằng phương pháp mô phỏng số CFD Nghiên cứu cho thấy tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe và hình dạng cánh tản nhiệt, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát và nhiệt độ vận hành của động cơ.

Các kết quả nghiên cứu liên quan trong nước

Hiện nay, ở Việt Nam nghiên cứu về truyền nhiệt mini/ micro còn khá mới mẻ Số lượng nhà khoa học cũng như công trình còn khiêm tốn Trong các công trình nghiên cứu ở Việt Nam liên quan đến truyền nhiệt mini và micro, Trung và Hùng

[30] bằng phương pháp thực nghiệm đã nghiên cứu ảnh hưởng của trọng lực đến đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt kênh micro

Trung và Hùng [31] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất vật lý của môi chất trong bộ tản nhiệt kênh micro qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường TĐ Nghiên cứu cho thấy các đặc tính vật lý của môi chất tác động đến hiệu quả làm mát và vận hành của hệ tản nhiệt kênh micro trong khuôn khổ đề tài này.

Trong nghiên cứu năm 2012, các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của lưu chất một pha bên trong bộ tản nhiệt kênh micro đã được xác định dưới các điều kiện vận hành khác nhau, với chỉ số hoàn thiện đạt được là 10,7 W/kPa ở lưu lượng 0,2 g/s Toàn bộ bộ tản nhiệt kênh micro, gồm các kênh, ống góp, tấm đế và nắp, đã được mô phỏng số bằng phần mềm CFD – ACE+ Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng bộ trao đổi nhiệt kênh micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt đã được thực hiện thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2013 [32] Nhóm tác giả cũng đang nghiên cứu cải tiến nâng cao hiệu quả giải nhiệt của két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt.

GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng 8 HVTH: Nguyễn Văn Phương kênh mini dùng công nghệ UV Light qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường TĐ

Liên quan đến giải nhiệt cho xe máy bằng bộ giải nhiệt kênh mini, đề tài nghiên cứu thực nghiệm cải tiến hệ thống làm mát xe máy Nouvo LX bằng bộ tản nhiệt kênh mini của tác giả Nguyễn Đình Trung đã thay thế két nước xe tay ga bằng bộ trao đổi nhiệt kênh mini, thực nghiệm tổng hợp kết quả, so sánh và đánh giá hiệu quả của giải pháp mới Kết quả cho thấy bộ tản nhiệt kênh mini có kích thước nhỏ hơn khoảng 35% so với két ban đầu, công nghệ chế tạo đơn giản và giá thành giảm khoảng 50% Hiệu quả làm mát của tản nhiệt kênh mini cao hơn hoặc bằng két ban đầu Thêm vào đó, giải pháp kết hợp quạt điện và bỏ quạt gió cưỡng bức, tận dụng luồng không khí khi di chuyển đã giúp tăng công suất động cơ Tác giả đề nghị đo công suất xe trên băng tải để có kết quả cụ thể hơn về sự gia tăng công suất và tính thuyết phục của nghiên cứu Tuy nhiên với số liệu thực nghiệm ban đầu cho thấy tiềm năng của bộ giải nhiệt kênh mini xe gắn máy với cấu trúc kênh mini.

Hình 1.4: Mẫu két nước kênh mini xe tay ga

Luận văn thạc sĩ của tác giả Huỳnh Tấn Đạt với đề tài "Tối ưu hóa quá trình giải nhiệt áo nước xylanh của xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm" đã nghiên cứu cách tối ưu quá trình giải nhiệt cho áo nước của xylanh thông qua sự kết hợp giữa mô phỏng số học và các thử nghiệm thực nghiệm, nhằm cải thiện hiệu suất làm mát và giảm nhiệt độ vận hành của xylanh Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của các tham số vận hành và thiết kế như lưu lượng chất làm mát, áp suất và cấu hình áo nước để đề xuất các giải pháp tối ưu Kết quả cho thấy phương pháp này tối ưu quá trình giải nhiệt áo nước xylanh xe tay ga một cách hiệu quả và có tiềm năng ứng dụng trong thiết kế và vận hành động cơ.

Phương pháp xẻ rãnh trên áo nước được đề xuất nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc giữa dung dịch làm mát và áo nước của xy-lanh Nghiên cứu đã áp dụng đồng thời phương pháp thực nghiệm và mô phỏng với sai lệch nằm trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, phương pháp xẻ rãnh áo nước trên xy-lanh đã ảnh hưởng đến kết cấu bền vững của xy-lanh và điều này được đề cập trong phần giới hạn của đề tài, cho thấy cần được cải tiến và giải quyết ở các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Hình 1.5: Mẫu áo nước xylanh có xẻ rãnh

Các nghiên cứu về giải nhiệt kênh mini nói chung và ứng dụng bộ trao đổi nhiệt kênh mini để giải nhiệt cho động cơ đốt trong vẫn còn hạn chế và chưa đầy đủ Vấn đề giải nhiệt ở xylanh của động cơ đốt trong là rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, đặc biệt khi hướng tới các bộ giải nhiệt công suất lớn đáp ứng nhu cầu thực tế nhưng cần có cấu trúc và kích thước nhỏ gọn để đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ và gá lắp trên sản phẩm Vì vậy, việc nghiên cứu bộ làm mát kênh mini dùng để giải nhiệt cho động cơ xe máy là rất cần thiết Nghiên cứu này được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số học và so sánh với kết quả thực nghiệm.

Mục tiêu của nghiên cứu là tiến hành một mô phỏng số học để thiết kế và chế tạo bộ làm mát kênh mini dành cho xe máy, nhằm tối ưu hiệu suất làm lạnh và hiệu quả năng lượng trong hệ thống động cơ Kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với dữ liệu từ phương pháp thực nghiệm để đánh giá tính chính xác, độ tin cậy và khả năng ứng dụng của bộ làm mát kênh mini trong thực tế vận hành của xe máy.

Mục tiêu nghiên cứu

 Mục tiêu cụ thể đạt được:

Mô phỏng truyền nhiệt, cho bộ tản nhiệt kênh mini với mô hình dựng từ phần mềm Autodesk Inventor 2016

Chế tạo bộ làm mát kênh mini mới sau khi đã thực hiện thành công mô phỏng, nhằm xác nhận hiệu quả thiết kế và chuẩn hóa quy trình sản xuất Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ làm mát kênh mini bao gồm đặc tính dòng chảy, áp suất, nhiệt độ làm việc, vật liệu và cấu trúc kênh, khả năng trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất trong hệ thống; từ đó xác định những tồn tại và giới hạn cần cải thiện Dựa trên kết quả đánh giá, đề xuất hướng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy như tối ưu hóa hình học kênh, chọn vật liệu chịu nhiệt tốt, cải thiện trao đổi nhiệt bằng bề mặt hoặc công nghệ phủ, tích hợp cảm biến giám sát và điều khiển luồng chất làm mát, và thực hiện các thử nghiệm trên mô hình thí nghiệm để nâng cao hiệu quả làm mát của kênh mini ở dải điều kiện vận hành khác nhau.

 Mục tiêu tổng quát đạt được:

Để đẩy mạnh hướng nghiên cứu truyền nhiệt trong lĩnh vực kênh mini tại Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh nói riêng và trên phạm vi cả nước nói chung, cần xây dựng nguồn tài liệu tham khảo phong phú, cập nhật và dễ tiếp cận Việc tổng hợp sách chuyên khảo, bài báo khoa học, luận văn, báo cáo nghiên cứu và dữ liệu mô phỏng sẽ cung cấp nền tảng cho nghiên cứu và giảng dạy về truyền nhiệt trong kênh mini, đồng thời hỗ trợ các nhà khoa học Việt Nam tiếp cận các phương pháp thiết kế và thí nghiệm mới Để tối ưu hóa cho SEO, nội dung nên được tổ chức với các từ khóa liên quan như truyền nhiệt, kênh mini, kênh micro, minichannel, trao đổi nhiệt và kích thước kênh, nhằm tăng khả năng tiếp cận và lan tỏa thông tin tới sinh viên, giảng viên và cộng đồng nghiên cứu trong nước.

Chúng ta nỗ lực hội nhập với các nghiên cứu hiện tại và tiến tới tương lai của lĩnh vực nhiệt động lực học, thông qua sự hợp tác của các nhà khoa học trên toàn thế giới Việc cập nhật kiến thức, chia sẻ dữ liệu và áp dụng những phát hiện mới sẽ đẩy mạnh tiến bộ khoa học và mang lại ứng dụng thực tiễn hiệu quả Mục tiêu là xây dựng một cộng đồng nghiên cứu nhiệt động lực học toàn cầu năng động, nhạy bén với các thách thức hiện đại và đóng góp đáng kể vào sự phát triển chung của ngành.

Cách tiếp cận

Tổng hợp từ các nghiên cứu liên quan đi đến nghiên cứu đối tượng cụ thể

Qua tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học kỹ thuật uy tín như SCI, SCIE và EI cùng với nguồn tài liệu trong nước thuộc lĩnh vực truyền nhiệt kênh mini, bài viết xem xét các đối tượng liên quan đến đề tài và tổng hợp những kết quả đạt được cho đến nay Việc phân tích cho thấy những tiến bộ đáng kể, đồng thời chỉ ra các vấn đề còn tồn tại và các lỗ hổng nghiên cứu cần giải quyết ở các nghiên cứu tiếp theo Từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu tương lai và các giải pháp tối ưu hóa ứng dụng truyền nhiệt trong kênh mini nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt và thiết kế hệ thống liên quan.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được xây dựng theo phương pháp thiết kế mô hình trên máy tính và mô phỏng bằng phần mềm COMSOL để tối ưu hóa hiệu suất bộ làm mát kênh mini Từ các kết quả mô phỏng, chúng tôi chế tạo mô hình bộ làm mát kênh mini để tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm truyền nhiệt Sau đó, hệ thống làm mát kênh mini được lắp đặt thực tế trên xe gắn máy để đánh giá kết quả ở điều kiện vận hành thực tế và so sánh với dữ liệu mô phỏng.

Dựa trên kết quả tổng quan, bài viết đề xuất một mô hình và thiết kế hệ thống, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng số học COMSOL Ver5.2a để giải các phương trình toán học Tiếp theo, kết quả mô phỏng được đem đi so sánh với các phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và với dữ liệu vận hành thực tế trên xe, nhằm đánh giá độ chính xác của mô hình và sự phù hợp giữa mô phỏng và thực tế, đồng thời đối chiếu với các kết quả từ các công trình nghiên cứu liên quan.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Quá trình truyền nhiệt của bộ làm mát kênh mini với môi chất làm việc là ethylene glycol

Mô phỏng về truyền nhiệt cho mô hình được đề xuất

Chế tạo bộ tản nhiệt kênh mini cho xe máy.

Nội dung nghiên cứu

Tổng quan các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước Đưa ra động lực để nghiên cứu Đưa ra mô hình đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Mô phỏng số mô hình

Nghiên cứu này tiến hành so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm thực hiện trong phòng thí nghiệm và trên xe thực tế, nhằm đánh giá tính đúng đắn và khả năng áp dụng của các mô hình Kết quả phân tích cho thấy mức độ tương đồng giữa mô phỏng và thực nghiệm ở các điều kiện khác nhau, từ đó rút ra nhận định về độ tin cậy của mô hình và giới hạn của phương pháp mô phỏng Đồng thời, chúng tôi đánh giá chi tiết kết quả nghiên cứu so với các công trình đã được công bố trên các tạp chí khoa học kỹ thuật quốc tế và trong nước, nhằm xác nhận mức độ đóng góp và tính mới của nghiên cứu Các kết quả so sánh này cung cấp cơ sở để tối ưu hóa thiết kế và triển khai trên thực tế, đồng thời gợi ý hướng nghiên cứu tiếp theo và cải thiện mô hình.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU

Mô hình toán học

Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất một số giả thuyết được đưa ra như sau:

- Lưu chất có tính liên tục

- Truyền nhiệt là ổn định

- Bỏ qua quá trình truyền nhiệt do bức xạ

Những phương trình chính yếu trong hệ thống này gồm phương trình liên tục, phương trình momentum và phương trình năng lượng

𝜕𝑧 2 ) Trong điều kiện ổn định:

(𝜕𝜌/𝜕𝑡) = 0, (𝜕𝑢/𝜕𝑡) = 0, (𝜕𝑣/𝜕𝑡) = 0, (𝜕𝑤/𝜕𝑡) = 0 Điều kiện biên cho nước đầu vào là: − ∫ 𝜌(𝑢 𝑛) 𝑑𝑆 = 𝑚

Trong đó m là khối lượng lưu lượng và vận tốc gió vào là u , v, w điều kiện biên cho đầu ra của dòng chảy p=p0 và:

Cho sự chuyển đổi năng lượng, các vách có điều kiện áp dụng cho vận tốc và nhiệt độ tại vách những điều kiện này được thể hiện bởi: u=0

T vách =T dung dịch tại vách

Cho điều kiện ổn định,  T /  t  0; điều kiện biên cho dòng chảy đầu vào T=T0, điều kiện biên cho dòng chảy ở đầu ra được mô tả bởi:

Hay mLCpl(Tl,i-Tl,o) = maCpa(Ta,o-Ta,i)

Lượng nhiệt lớn nhất truyền qua thiết bị được tính, Qmax:

Qmax = (mc)min(Tl,i-Ta,i) Hiệu Suất truyền nhiệt tính theo phương pháp NTU được xác định:

Mật độ dòng nhiệt được tính

𝑞 = 𝑘∆𝑇 𝑙𝑚 = ∆𝑇 ∑ 𝑅 𝑙𝑚 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit được xác định

∆𝑇 𝑚𝑖𝑛 Chỉ số Reynolds được xác định:

𝜇(𝑊 𝑐 + 𝐷 𝑐 ) Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi:

DhJc/P là đường kính quy ước

Mô phỏng số

Hiện nay, các nghiên cứu được thực hiện dựa trên nhiều phương pháp khác nhau, trong đó sự kết hợp giữa phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm được sử dụng phổ biến để tăng tính toàn diện và hiệu quả của quá trình nghiên cứu Phương pháp mô phỏng số học cho phép mô phỏng các hiện tượng phức tạp một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, trong khi thực nghiệm xác nhận kết quả, hiệu chỉnh mô hình và nâng cao độ tin cậy của nghiên cứu.

Mô phỏng số học là công nghệ mô phỏng các hiện tượng tự nhiên và sự vật bằng các mô hình số, nhằm mô phỏng và tác động các yếu tố vào hệ thống thông qua các phương trình toán học được giải trên máy tính Nhờ sự phát triển không ngừng của công nghệ xử lý, các máy tính ngày càng thực hiện được nhiều phép toán với tốc độ cao, giúp rút ngắn thời gian nghiên cứu, giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu và cho phép dự đoán chính xác các kết quả có thể xảy ra trong thực tế Mô phỏng số học đang có ứng dụng rộng rãi trong khoa học, kỹ thuật và công nghiệp, chứng minh ưu thế của nó trong việc tối ưu hóa thiết kế và quy trình.

Numerical simulation software are widely used today, including MATLAB, Fortran, and ANSYS, along with CFD tools such as Fluent and ACE+, with COMSOL Multiphysics standing out for its robust multiphysics capabilities.

COMSOL Multiphysics là phần mềm mô phỏng số học với nhiều module, được thiết kế để phục vụ nhiều lĩnh vực vật lý, hoá học và năng lượng khác nhau Dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phần mềm giải quyết các bài toán vật lý và kỹ thuật ứng dụng, đặc biệt là các hiện tượng kết hợp hoặc đa tính chất, cho phép mô phỏng đồng thời nhiều hiện tượng trong một mô hình duy nhất.

Bằng việc sử dụng các chế độ ứng dụng của chương trình, ta có thể thực hiện rất nhiều kiểu phân tích bao gồm;

- Phân tích ổn định và không ổn định

- Phân tích tuyến tính và phi tuyến tính

- Phân tích theo phương pháp tần số riêng

COMSOL Multiphysics có thể mô phỏng những ứng dụng như

 Động lực học lưu chất

 Pin nhiên liệu và điện hóa học

 Kỹ thuật sóng cức ngắn

Hệ thống làm mát động cơ xe gắn máy

2.3.1 Mục đích của hệ thống làm mát

Như đã trình bày ở phần trên, trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt từ khí cháy được truyền đến các chi tiết tiếp xúc với khí cháy làm cho nhiệt độ của các chi tiết máy tăng cao Nhiệt độ ở mức cao gây ra nhiều hậu quả xấu như mòn và hỏng bề mặt, biến dạng hoặc nứt chi tiết, gia tăng ma sát và tiêu hao năng lượng, giảm hiệu suất làm việc và làm giảm tuổi thọ của động cơ, cũng như làm suy yếu lớp phủ bảo vệ và tăng nguy cơ rò rỉ hoặc hỏng hóc bộ phận Vì vậy, việc thiết kế hệ thống làm mát hiệu quả, chọn chất bôi trơn phù hợp và vật liệu chịu nhiệt, cùng với tối ưu hóa dung sai và lắp ráp chuẩn, là rất quan trọng để kiểm soát nhiệt độ ở mức an toàn, duy trì hiệu suất vận hành và kéo dài tuổi thọ của động cơ.

- 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 xylanh do hiện tượng giản nở nhiệt

- Dễ phát sinh hiện tượng cháy kích nổ Để khắc phục các hậu quả xấu có thể xảy ra ở trên.Vì vậy cần thiết phải làm mát động cơ

2.3.2 Nhiệm vụ hệ thống làm mát

Hệ thống làm mát động cơ có nhiệm vụ truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy tới môi chất làm mát để đảm bảo nhiệt độ của các chi tiết không quá nóng cũng không quá nguội; động cơ quá nóng sẽ gây ra các hiện tượng như đã đề cập, trong khi động cơ quá nguội đồng nghĩa với làm mát quá nhiều, làm tăng tổn thất nhiệt cho dung dịch làm mát và giảm nhiệt lượng sinh công, dẫn tới hiệu suất nhiệt của động cơ thấp; nhiệt độ động cơ thấp ảnh hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn, làm tăng độ nhớt và khó lưu thông của dầu, từ đó làm tăng tổn thất cơ giới và tổn thất do ma sát, ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ.

2.3.2.1 Làm mát buồng đốt của động cơ

Hệ thống làm mát đảm nhận nhiệm vụ chính là làm mát buồng đốt và duy trì nhiệt độ ổn định cho buồng đốt trong suốt quá trình làm việc của động cơ Bên cạnh đó, hệ thống này còn rút ngắn thời gian khởi động và đưa động cơ nhanh chóng đạt đến nhiệt độ làm việc tối ưu, giúp động cơ vận hành hiệu quả ngay từ lúc khởi động và tăng tuổi thọ, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu.

2.3.2.2 Làm mát đầu bôi trơn

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt độ của dầu bôi trơn tăng lên không 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

Trong động cơ, dầu bôi trơn tiếp xúc trực tiếp với các chi tiết có nhiệt độ cao như cò mổ, đuôi xupáp và piston Để dầu duy trì nhiệt độ làm việc ổn định, giữ độ nhớt ít thay đổi và đảm bảo khả năng bôi trơn tối ưu, hệ thống làm mát dầu bôi trơn được thiết kế để hạ nhiệt độ dầu Đường dầu bôi trơn được khoan song song với đường nước làm mát động cơ, nhằm khi nước làm mát đồng thời làm mát dầu, giảm nhiệt độ dầu và tăng hiệu quả bôi trơn cũng như tuổi thọ động cơ.

2.3.3 Yêu cầu hệ thống làm mát xe gắn máy

Hệ thống làm mát trên xe máy phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

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

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

83 o C  95 o C và nhiệt độ của dầu bôi trơn trong động cơ khoảng 95 o C ÷ 115 o C tùy theo điều kiện thiết kế của từng nhà sản xuất

Động cơ được thiết kế để hoạt động ổn định và hiệu quả ở mọi chế độ làm việc, mọi điều kiện khí hậu cũng như các điều kiện vận hành khác nhau Nhờ kết cấu nhỏ gọn và dễ bố trí, sản phẩm tối ưu hóa không gian lắp đặt và tăng tính linh hoạt cho hệ thống.

2.3.4 Thực trạng của hệ thống làm mát

Hầu hết các xe máy có động cơ bố trí ở phía trước sử dụng giải nhiệt bằng gió nhờ lợi thế đón nhận lưu lượng gió khi xe di chuyển Đối với những dòng xe có động cơ bố trí phía sau, bị che phủ bởi lớp áo xe hoặc mang phong cách thể thao với công suất động cơ lớn, hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch được trang bị Điển hình cho nhóm này có các mẫu Yamaha Exciter, Lead, Winner và Suzuki Raider.

Trong các dòng xe sử dụng hệ thống làm mát bằng dung dịch, két giải nhiệt được bố trí ngay phía sau bánh xe trước nhằm tối ưu hiệu quả làm mát và luân chuyển không khí quanh động cơ Vị trí này giúp tăng khả năng tản nhiệt và giảm thiểu tải cho quạt gió, như đã nêu ở hệ thống giải nhiệt, đồng thời đảm bảo động cơ vận hành ở nhiệt độ ổn định và hiệu suất tối ưu.

GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng 18; HVTH: Nguyễn Văn Phương cho biết tại vị trí này lượng không khí tự nhiên khi xe vận hành lớn nhất, và luồng khí đó sẽ di chuyển xuyên qua két và mang theo lượng nhiệt từ két ra ngoài.

Hệ thống làm mát bằng gió và dung dịch trên xe gắn máy

Nhà sản xuất xe gắn máy sẽ chọn một trong hai giải pháp đề làm mát động cơ là giải nhiệt bằng gió hoặc giải nhiệt bằng dung dịch

2.4.1 Hệ thống làm mát bằng gió:

Hệ thống làm mát bằng gió của động cơ được thiết kế với vỏ ngoài và các cánh tản nhiệt để tăng diện tích trao đổi nhiệt với không khí, từ đó duy trì phạm vi nhiệt độ hoạt động cho buồng đốt Hệ thống làm mát bằng gió tự nhiên này được sử dụng cho các xe có bố trí động cơ nằm ở phía trước, giúp làm mát hiệu quả khi xe vận hành ở nhiều điều kiện.

Hình 2.1: Hệ thống giải nhiệt bằng gió

Trong hệ thống làm mát động cơ, luồng gió thường đi từ phía trước xe qua buồng đốt để giải nhiệt và thoát ra phía sau xe Tuy nhiên, với các xe tay ga có động cơ bố trí ở phía sau, vị trí này không thuận lợi để đón gió như ở phía trước Vì vậy, một quạt gió được lắp đặt để thổi luồng gió qua động cơ, giúp giải nhiệt và duy trì nhiệt độ làm việc của động cơ ở mức ổn định khi xe vận hành.

Hệ thống làm mát bằng gió tự nhiên và cưỡng bức có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và dễ bảo trì, nhưng tồn tại nhiều nhược điểm như năng suất giải nhiệt chưa cao Yêu cầu thẩm mỹ cao khiến động cơ xe máy được che chắn bởi lớp vỏ ngoài, làm tăng sự hạn chế trong quá trình giải nhiệt và đặt ra nhiều vấn đề cần quan tâm Trước những hạn chế của hệ thống làm mát bằng gió, hệ thống làm mát bằng dung dịch được xem như một sự thay thế hiệu quả, mang lại khả năng giải nhiệt tốt hơn và đáp ứng được yêu cầu về thiết kế, thẩm mỹ và độ bền cho động cơ.

2.4.2 Hệ thống làm mát bằng dung dịch

Nguyên lý hệ thống làm mát bằng dung dịch là dung dịch làm mát hấp thụ nhiệt từ buồng đốt của động cơ thông qua áo nước quanh buồng đốt và sau khi được gia nhiệt sẽ tuần hoàn đến két nước, nơi nhiệt được giải phóng bởi luồng không khí trước khi quay trở lại buồng đốt; quá trình lưu thông do bơm được nối với trục cam của động cơ nên lưu lượng phụ thuộc vào vòng tua máy, và để ngăn nhiệt độ chưa đạt ngưỡng tối ưu khi khởi động, hệ thống còn có van thermostat để điều tiết lưu lượng dung dịch.

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát xe máy

Hệ thống làm mát động cơ điều khiển lưu lượng nước từ động cơ đi ra két giải nhiệt và quay trở về để sưởi ấm và làm mát động cơ, giúp duy trì nhiệt độ làm việc ổn định Bộ điều khiển nhiệt (thermostat) điều tiết lượng nước luân chuyển giữa động cơ và két nước nhằm tối ưu quá trình làm mát Để phòng ngừa việc nước giãn nở và tăng thể tích khi bị sôi, nắp két nước trang bị một van xả để giải phóng lượng thể tích tăng này Sau khi động cơ nguội, dung dịch làm mát sẽ được hồi về két từ bình phụ, bảo đảm hệ thống kín và sẵn sàng cho chu kỳ làm mát tiếp theo.

Tính toán hệ thống làm mát

2.5.1 Xác định nhiệt từ động cơ truyền cho nước làm mát

Nhiệt từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể xem 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 xe gắn máy chiếm từ 20 - 30% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu tỏa ra Nhiệt lượng Qlm được tính theo công thức kinh nghiệm: Qlm=q’lmNe (J)

Trong đó: q’lm-Lượng nhiệt truyền cho dung dịch làm mát ứng với một đơn vị công suất trong đơn vị thời gian (J/kW.s)

Với q’lm nằm trong khoảng 1263 J/kW.s đến 1360 J/kW.s

Khi có giá trị Qlm ta xác định lượng nước Glm tuần hoàn trong 1 đơn vị thời gian

𝐂 𝐧 ∆𝐭 𝐧 Trong đó: Cn- nhiệt dung riêng của dung dịch làm mát Δtn – hiệu nhiệt độ nước vào và ra bộ tản nhiệt với hệ thống giải nhiệt nhỏ như xe gắn máy thì Δtn= 5 - 10 0 C

2.5.2 Tính thiết kế két nước

Bài viết trình bày cách tính két nước bằng cách xác định bề mặt tản nhiệt cần thiết để truyền nhiệt từ nước ra môi trường không khí xung quanh, dựa trên lý thuyết truyền nhiệt để ước lượng kích thước mặt tản nhiệt phù hợp với công suất nhiệt và điều kiện vận hành Quá trình này đòi hỏi phân tích các yếu tố như hệ số trao đổi nhiệt, nhiệt lượng tản và giới hạn thiết kế, từ đó xác định kích thước mặt tản nhiệt tối ưu và đảm bảo hiệu quả làm mát với chi phí và kích thước hợp lý cho hệ thống két nước.

Trong hệ thống làm mát của xe máy, truyền nhiệt chủ yếu diễn ra qua đối lưu nước trong bộ tản nhiệt Két nước có một mặt tiếp xúc với nước nóng từ động cơ và một mặt tiếp xúc với không khí bên ngoài thông qua các lá tản nhiệt và luồng gió, giúp tăng diện tích trao đổi nhiệt Nước nóng nhận nhiệt từ động cơ sẽ truyền nhiệt sang kim loại của két nước và được thải ra nhờ luồng không khí, từ đó làm mát động cơ một cách hiệu quả.

Truyền nhiệt từ nước sang không khí là sự trao đổi nhiệt giữa hai môi chất qua một thành mỏng Do đó, quá trình truyền nhiệt có thể được phân thành ba giai đoạn và tương ứng với ba phương trình truyền nhiệt khác nhau Việc chia nhỏ theo ba giai đoạn giúp làm rõ cơ chế truyền nhiệt từ môi chất này sang môi chất kia qua thành mỏng, từ sự gặp gỡ ban đầu ở bề mặt thành cho tới khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt dưới sự tác động của gradient nhiệt.

- Nhiệt truyền từ nước nóng đến mặt thành kênh dẩn nhiệt bên trong:

- Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí:

Giải phương trình trên ta có:

Q lm = 1 1 α1 F2 F1 + δ λ F2 F1 + α2 1 F 2 (t n − t kk ) = kF 2 (t n − t kk ) Diện tích tiếp xúc với không khí F2 được xác định theo công thức:

Diện tích F2 thường lớn hơn diện tích F1 vì F2 bao gồm cả diện tích của các cánh tản nhiệt

𝟏= 𝛗 gọi là hệ số diện tích

Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong két nước xác định theo biểu thức sau đây:

Trong hệ thống làm mát, tnv là nhiệt độ nước cấp vào két và tnr là nhiệt độ nước ra khỏi két; hai thông số này có thể xem như nhiệt độ nước vào và ra của động cơ, giúp đánh giá nhanh tình trạng làm mát và hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Nhiệt độ trung bình của không khí làm làm mát:

Nhiệt độ không khí vào phía trước bộ tản nhiệt lất bằng 49 o C chênh lệch nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt Δtkk lấy bằng 20 - 30 o C

Hệ số α1 có thể xác định bằng công thức thực nghiệm thay đổi trong khoảng 2326 –

Hệ số α2 phụ thuộc vào yếu tố tốc độ của không khí Khi tốc độ của không khí thay đổi từ 5 – 60m/s thì hệ số α2 thay đổi từ 40,6 – 303 (W/m 2 độ)

Hệ số λ của đồng từ 83,9 – 126 (W/m.độ), của nhôm từ 104,8 – 198 (W/m.độ)

Hệ số k cho bộ tản nhiệt có thể được xác định từ đồ thị liên quan Theo dữ liệu thí nghiệm, bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt có thể ước lượng với k ≈ α^2; α^2 được ước lượng gần đúng bằng công thức α^2 ≈ 11,38 ω^0,8 (W/m^2·°C).

Trong đó ωkk là tốc độ không khí đi qua bộ tản nhiệt (m/s)

Khi không tính đến các tổn thất nhiệt:

Hình 2.4: Quan hệ của hệ số truyền nhiệt với vận tốc không khí

GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng 23 HVTH: Nguyễn Văn Phương t kkr = t kkv + Q lm

Nhiệt độ ra khỏi két nước: t nr = t nv + C Q lm n G n

Hệ thống giải nhiệt xe máy Yamaha Exciter

Xe máy Yamaha Exciter được trang bị hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch nhằm hạ nhiệt độ của dung dịch làm mát từ động cơ bằng cách tản nhiệt ra ngoài không khí qua thành ống nước và cánh tản nhiệt, rồi sau đó dung dịch được đưa trở về làm mát động cơ và tiếp tục chu trình làm mát.

Để két giải nhiệt tỏa nhiệt nhanh, hệ số truyền nhiệt của bộ phận tản nhiệt phải lớn Kết cấu của két giải nhiệt động cơ gồm bình chứa nước ở trên và bình chứa dung dịch ở dưới thông nhau qua các ống mỏng bằng nhôm, có tiết diện giống hình ô van, được bố trí một hàng, trong hàng có các cột thẳng hàng với nhau Các ống này có cánh tản nhiệt ở bên ngoài nhằm tăng diện tích tản nhiệt Loại ống này có ưu điểm là có sức cản không khí thấp hơn và diện tích tản nhiệt lớn hơn khoảng 2–3 lần so với ống tròn Tuy nhiên loại ống này có nhược điểm chưa được đề cập ở phần sau.

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động hệ thống giải giải nhiệt bằng dung dịch

GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng 24 HVTH: Nguyễn Văn Phương Hệ thống được gia cố bằng ống tròn, bền nhưng khó sửa chữa Đường ống từ bơm nước đi vào và nằm ở bình chứa nước phía trên, với kích thước phủ bì dài 200 mm và cao 160 mm.

Nguyên lý làm việc của két nước cho hệ thống làm mát động cơ dựa trên việc truyền nhiệt từ quá trình cháy sang nước làm mát Khi động cơ hoạt động, nhiệt sinh ra làm nóng nước làm mát, nước này được bơm đẩy vào bình chứa ở trên két nước Tại đây, nước nóng qua các ống trao đổi nhiệt với thành ống và truyền nhiệt cho các cánh tản nhiệt, từ đó nhiệt được tỏa ra không khí xung quanh nhờ khả năng làm mát của cánh tản nhiệt Sau khi được làm mát trên các cánh tản nhiệt, nước nguội xuống và chảy theo đường ống xuống bình chứa ở phía dưới két để tiếp tục vòng làm mát và quay trở lại động cơ qua đường ống thoát.

Hệ thống làm mát bằng dung dịch trên xe tay ga có két nước được lắp đặt ở trước hoặc phía sau xe, rất dễ nhận biết từ bên ngoài Dung dịch làm mát tuần hoàn qua động cơ để duy trì nhiệt độ làm việc ở mức tối ưu và ngăn ngừa quá nhiệt Hệ thống này còn được trang bị cảm biến gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm và hiển thị đèn báo trên bảng đồng hồ, giúp chủ xe nhận biết tình trạng làm mát ngay lập tức.

Hình 2.6: Hệ thống giải nhiệt xe máy Yamaha Exciter

Hình 2.7: Cấu tạo két nước giải nhiệt xe Yamaha Exciter

Bơm ly tâm có nhiệm vụ bơm dung dịch làm mát tuần hoàn trong hệ thống làm mát của động cơ, giúp làm mát động cơ một cách liên tục và hiệu quả Bơm được dẫn động từ trục cam của động cơ; khi động cơ hoạt động, cánh bơm quay và truyền năng lượng cho dung dịch làm mát, đẩy dung dịch qua các ống và van để duy trì lưu lượng và áp suất cần thiết cho quá trình làm mát Bơm ly tâm gồm 4 thành phần chính, như hình 2.8.

Hình 2.8: Cấu tạo bơm nước giải nhiệt

1- Cánh quạt (cánh công tác của bơm)

Nắp két giải nhiệt được đặt ở đỉnh của két để châm thêm nước làm mát và duy trì áp suất làm việc ổn định cho hệ thống giải nhiệt Thiết kế đặc biệt của nắp cho phép khi nhiệt độ tăng lên, dung dịch làm mát mở rộng và nếu áp suất vượt quá mức quy định thì van trong nắp sẽ mở để đẩy lượng nước thừa về bình chứa phụ ở phía dưới Khi nguội, áp suất giảm và một lá van khác trong két nước sẽ mở ra để bổ sung dung dịch làm mát từ bình chứa phụ ngược lại vào hệ thống giải nhiệt.

Hình 2.9: Nơi thay thế dung dịch giải nhiệt

Van hằng nhiệt là van chủ động tự động điều chỉnh độ mở theo nhiệt độ dung dịch làm mát, từ đó quyết định lượng nước đi tới két giải nhiệt để đảm bảo nhiệt độ động cơ ở mức tối ưu Khi động cơ mới khởi động, dầu bôi trơn và nhiệt độ vận hành tối ưu cần thời gian để đạt được; lúc này nhiệt độ dung dịch làm mát có thể chưa đủ để mở van hằng nhiệt, nên van sẽ đóng để đảm bảo động cơ nhanh chóng đạt đến điểm tối ưu nhất Việc van hằng nhiệt điều chỉnh liên tục giúp hệ thống làm mát duy trì nhiệt độ động cơ ổn định, giảm rủi ro quá nhiệt và tối ưu hiệu suất vận hành.

Van hằng nhiệt ở mỗi xe và mỗi hãng sản xuất là khác nhau Đối với xe máy Yamaha Exciter, van hằng nhiệt bắt đầu mở ở nhiệt độ 72°C ± 1,5°C và mở tối đa 3 mm khi nhiệt độ đạt 85°C.

Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động van hằng nhiệt

Hình 2.12: Đặc tính làm việc của van hằng nhiệt

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Thiết lập mô phỏng và mô hình thực nghiệm

Phương pháp mô phỏng được áp dụng để nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của bộ làm mát kênh mini Các đại lượng lưu lượng khối lượng của môi chất giải nhiệt, vận tốc gió và nhiệt độ được chọn làm thông số thực nghiệm và tham số mô phỏng nhằm đánh giá sự biến đổi của quá trình truyền nhiệt và hiệu suất làm mát của hệ thống.

3.1.1 Thiết lập mô hình mô phỏng

Két giải nhiệt kênh mini có kích thước 150 mm x 170 mm x 20 mm đã giảm 20% so với kích thước được giới thiệu ở mục 2.6.1 Bên trong là cấu tạo gồm 44 rãnh, chia làm 4 pass, với chiều dài mỗi rảnh là 90 mm; chiều sâu của mỗi rãnh chưa được nêu rõ.

Két nước được thiết kế với các kênh có chiều cao 5 mm, được nối bằng các rãnh góp có chiều sâu 15 mm ở đầu vào và đầu ra; mỗi kênh có chiều rộng 1 mm và khoảng cách giữa các kênh là 1,5 mm Phần dưới của két được bố trí khoang chứa dung dịch hình tam giác nhằm ổn định dòng chảy của lưu chất sau khi được làm mát Mặt sau của két là hệ giải nhiệt bằng không khí, gồm 36 rãnh tương ứng với 35 lá tản nhiệt, mỗi lá có chiều rộng 12 mm và dày 1 mm Vật liệu chế tạo két nước là nhôm hợp kim H6063 với hệ số dẫn nhiệt 201 W/m.K Mô hình mô phỏng được thiết kế bằng phần mềm Autodesk Inventor 2016.

Hình 3.1: Bản vẽ bộ làm mát kênh mini 3D

Cụ thể quá trình cài đặt mô phỏng xem phụ lục 4

Hình 3.3: Bộ giải nhiệt kênh mini trong môi trường mô phỏng

Hình 3.2: Bản vẽ bộ làm mát kênh mini 2D

3.1.2 Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm truyền nhiệt

Trong hệ thống làm mát xe gắn máy, lưu chất được sử dụng là dung dịch giải nhiệt ethylene glycol với dung tích 0,62 lít Lưu lượng khối lượng lưu chất dao động từ 10 g/s đến 20 g/s, và nhiệt độ ban đầu của lưu chất nằm ở khoảng 72–87°C Bộ làm mát kênh mini được gia công trên máy CNC với độ chính xác cao, nhằm tối ưu hiệu suất làm mát và độ tin cậy cho thiết bị.

Thông tin các thiết bị làm thí nghiệm:

- Cảm biến nhiệt độ loại T

- Bơm nước PU-2087 hãng Jasco

- Cân điện tử TE-214S sản xuất bởi Sartorious bộ ghi dữ liệu nhiệt độ 54-11- CT/HĐ-CTTB độ chính xác của thiết bị được liệt kê ở bảng 1

Bảng 1: độ chính xác dụng cụ đo Thông số Độ chính xác

Lưu lượng khối lượng ± 0.0015g Kớch thước kờnh mini ±10 àm

Hình 3.5 : Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm truyền nhiệt

Hình 3.4: Biểu diễn sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm

Hình 3.6: Bộ cảm cảm biến nhiệt độ

3.1.3 Thực nghiệm trên xe máy Yamaha Exciter

Thiết bị giải nhiệt kênh mini được lắp thay thế trên xe gắn máy Exciter để kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống làm mát trong điều kiện môi trường thực tế Qua các bài thử nghiệm ngoài trời, thiết bị cho thấy hiệu quả giải nhiệt ổn định và giúp duy trì nhiệt độ vận hành ở mức an toàn dưới các tải trọng khác nhau Kết quả thực nghiệm được đối chiếu với các kết quả thí nghiệm và mô phỏng trước đó nhằm đánh giá tính nhất quán và độ tin cậy của mô hình Việc so sánh giữa dữ liệu thực tế và mô phỏng cho phép điều chỉnh thiết kế kênh mini và tối ưu hóa quy trình lắp đặt trên xe Exciter Nghiên cứu này đem lại cái nhìn thực tiễn về tiềm năng ứng dụng của thiết bị giải nhiệt kênh mini trong ngành xe máy, đồng thời đề xuất các hướng cải tiến để nâng cao hiệu suất làm mát và tuổi thọ động cơ.

Hình 3.7: Máy tính ghi lại dữ liệu nhiệt độ

Hình 3.8 : Két giải nhiệt kênh mini lắp trên xe thực tế

Lưu lượng dung dịch làm mát trong xe được bơm và dẫn động qua trục cam của động cơ, nên biến thiên theo tốc độ của động cơ Theo nguyên lý hoạt động của van hằng nhiệt, lưu lượng dung dịch qua bộ làm mát còn phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch làm mát tác động vào van hằng nhiệt, làm thay đổi đường dẫn dòng chảy Vì thế các điểm lấy số liệu được chọn từ dữ liệu thực tế ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau nhằm so sánh kết quả với mô phỏng số học và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Các trường hợp thực nghiệm được thực hiện ở chế độ xe chạy không tải, đứng yên để lấy dữ liệu tại vị trí đầu vào và đầu ra của bộ làm mát kênh mini, tương ứng với trường hợp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Van hằng nhiệt được mở ở ba mức khác nhau: 30% tại tốc độ máy quanh 1.500 vòng/phút với nhiệt độ dung dịch làm mát 76°C; 70% tại 2.000 vòng/phút với nhiệt độ dung dịch làm mát 81°C; và 100% tại 2.500 vòng/phút với nhiệt độ dung dịch làm mát, giá trị nhiệt độ cho trường hợp mở 100% không được nêu rõ trong văn bản.

Ở nhiệt độ 85°C, các điểm đo thực nghiệm được giữ để dao động quanh giá trị này nhằm khảo sát sự thay đổi nhiệt độ đầu ra của bộ làm mát kênh mini theo nhiệt độ dung dịch làm mát khi động cơ xe máy đang vận hành Giá trị tốc độ động cơ được đọc từ đồng hồ trên xe, thể hiện tốc độ động cơ được nhà sản xuất trang bị.

Bảng 2: Thông số thiết bị dụng cụ đo thực nghiệm

Thiết bị Độ chính xác Giới hạn đo

3.2.1 Kết quả mô phỏng với lưu lượng 10 g/s

Hình 3.9: Nhiệt độ dung dịch trong kênh mini với lưu lượng 10 g/s

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini được xác định với lưu lượng đầu vào 10 g/s Trong trường hợp van hằng nhiệt mở 30% tại nhiệt độ 76°C và tốc độ máy 1500 vòng/phút (máy chạy không tải), kết quả cho thấy môi chất làm mát tại đầu ra có nhiệt độ 67.2°C.

Dung dịch làm mát vào bộ làm mát ở nhiệt độ 76 °C, đi qua 10 kênh đầu tiên và nhiệt độ xuống còn 72 °C ở cuối nhóm 10 kênh này Sau đó qua 10 kênh thứ hai, khi ra khỏi nhóm kênh thứ hai nhiệt độ ước khoảng 71 °C, và dòng dung dịch tiếp tục di chuyển để ra khỏi bộ làm mát với nhiệt độ 67,2 °C.

Hình 3.10: Nhiệt độ dung dịch trong kênh mini với lưu lượng 15g/s

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini được xác định ở lưu lượng 15 g/s, tương ứng với trường hợp van hằng nhiệt mở 70%, tại nhiệt độ 81°C và tốc độ máy 2000 vòng/phút Trong điều kiện xe đứng yên hoạt động không tải, nhiệt độ đầu ra của két giải nhiệt là 73,8°C.

Dung dịch làm mát đi vào bộ làm mát ở nhiệt độ 81°C Sau khi đi qua 10 kênh đầu tiên, nhiệt độ dung dịch giảm còn 78,5°C Tiếp tục đi qua 10 kênh thứ hai, nhiệt độ sau khi ra khỏi đây khoảng 77°C Cuối cùng, dung dịch ra khỏi bộ làm mát với nhiệt độ 73,8°C.

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini ở lưu lượng 20 g/s được đánh giá với trường hợp van hằng nhiệt mở 100%, tại nhiệt độ 85°C và tốc độ động cơ 2500 vòng/phút khi xe ở trạng thái không tải Kết quả cho thấy nhiệt độ phân bố đồng đều ở các vùng của kênh khi van mở tối đa và nhiệt đầu vào ở mức ổn định 85°C, từ đó làm cơ sở đánh giá hiệu quả làm mát và kiểm soát nhiệt của hệ động cơ ở chế độ không tải.

Dung dịch làm mát được đưa vào bộ làm mát kênh mini ở nhiệt độ 85 o C Nó đi qua 10 kênh đầu tiên và tại điểm cuối của nhóm 10 kênh này nhiệt độ dung dịch giảm xuống còn 82,5 o C Tiếp tục đi qua 10 kênh thứ hai, sau khi ra khỏi nhóm 10 kênh này nhiệt độ dung dịch khoảng 81,3 o C, cho đến khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát kênh mini với nhiệt độ cuối cùng là 77,9 o C.

3.5 So sánh kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter

3.5.1 Kết quả so sánh với lưu lượng 10 g/s

Hình 3.12: Sự so sánh kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên xe Yamaha Exciter trong trường hợp lưu lượng 10g/s

Kết quả thực nghiệm trên xe máy Yamaha Exciter cho thấy nhiệt độ đo được cao hơn so với kết quả mô phỏng và kết quả từ phòng thí nghiệm, với sự chênh lệch lớn nhất khi nhiệt độ tại van hằng nhiệt đạt 72 oC do quán tính nhiệt của van hằng nhiệt của xe máy bắt đầu mở Khi nhiệt độ đầu vào két giải nhiệt kênh mini tăng từ 72 oC lên 77 oC thì kết quả mô phỏng số tiệm cận với kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Ở nhiệt độ 72 oC thì kết quả mô phỏng số học gần với kết quả thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì kết quả từ mô phỏng dần chuyển sang trùng khớp với kết quả có được trong phòng thí nghiệm truyền nhiệt.

Nhiệt độ dung dịch ra két giải nhiệt, o C

Nhiệt độ dung dịch vào két giải nhiệt, o C

Kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Kết quả mô phỏng số học

Kết quả thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter

Kết quả mô phỏng

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini được xác định với lưu lượng đầu vào 10 g/s, van hằng nhiệt mở 30% ở 76 °C và máy vận hành ở 1 500 vòng/phút ở chế độ không tải; kết quả cho thấy nhiệt độ của môi chất làm mát sau khi ra khỏi kênh là 67.2 °C.

Dung dịch làm mát vào bộ làm mát ở nhiệt độ 76°C và lần lượt đi qua 10 kênh đầu tiên, nơi nhiệt độ giảm còn 72°C tại cuối nhánh đầu tiên Tiếp tục đi qua 10 kênh thứ hai, sau khi ra khỏi nhóm kênh này nhiệt độ còn khoảng 71°C, cho đến khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát ở nhiệt độ 67,2°C.

Hình 3.10: Nhiệt độ dung dịch trong kênh mini với lưu lượng 15g/s

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini được xác định ở lưu lượng 15 g/s với van hằng nhiệt mở 70% ở nhiệt độ 81 °C và tốc độ máy 2000 vòng/phút Khi xe đứng yên ở chế độ không tải, nhiệt độ đầu ra của két giải nhiệt được ghi nhận là 73.8 °C.

Quá trình làm mát bắt đầu với dung dịch vào bộ làm mát ở nhiệt độ 81°C tại ống góp Dòng dung dịch đi qua 10 kênh đầu tiên khiến nhiệt độ giảm xuống còn 78,5°C Sau đó, dung dịch tiếp tục đi qua 10 kênh thứ hai và khi ra khỏi nhóm kênh này nhiệt độ khoảng 77°C, tiếp tục giảm cho đến khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát với nhiệt độ 73,8°C.

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini ở lưu lượng 20 g/s được xác định với van hằng nhiệt mở 100% ở 85 °C và tốc độ động cơ 2.500 vòng/phút khi xe ở trạng thái không tải Kết quả cho thấy nhiệt độ trong kênh được kiểm soát bởi điều kiện vận hành này, dẫn tới phân bố nhiệt ổn định ở mức nhiệt độ mục tiêu cho chế độ không tải.

Dung dịch làm mát vào bộ làm mát kênh mini có nhiệt độ 85 o C tại ống góp vào dung dịch làm mát sẽ đi qua 10 kênh đầu tiên và cuối 10 kênh này thì nhiệt độ dung dịch làm mát đã hạ xuống đến giá trị 82,5 o C Từ đây dung dịch làm mát tiếp tục đi vào 10 kênh thứ 2 sau khi dung dịch ra khỏi 10 kênh này sẽ có nhiệt độ khoảng 81,3 o C, cho đến khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát kênh mini sẽ là 77,9 o C

3.5 So sánh kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter

Hình 3.12: Sự so sánh kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên xe Yamaha Exciter trong trường hợp lưu lượng 10g/s

Kết quả thực nghiệm trên xe máy Yamaha Exciter có nhiệt độ cao hơn so với mô phỏng và kết quả từ phòng thí nghiệm, sự chênh lệch lớn nhất khi nhiệt độ tại van hằng nhiệt là 72 o C do quán tính nhiệt của van hằng nhiệt của xe máy Yamaha bắt đầu mở Khi nhiệt độ đầu vào két giải nhiệt kênh mini tăng từ 72 o C đến 77 o C thì kết quả mô phỏng số tiệm cận với kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Ở nhiệt độ 72 o C thì kết quả mô phỏng số học gần với kết quả thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì kết quả từ mô phỏng dần chuyển sang trùng khớp với kết quả có được trong phòng thí nghiệm truyền nhiệt

Việc nhiệt độ nước làm mát vào bộ tản nhiệt mini cao hơn so với két nguyên bản của xe đồng nghĩa với việc động cơ nhanh chóng đạt trạng thái ổn định và rút ngắn thời gian hâm nóng, từ đó cải thiện hiệu suất và độ ổn định khi vận hành xe.

Hình 3.13 Sự so sánh kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên xe Yamaha Exciter trong trường hợp lưu lượng 15g/s

Với lưu lượng làm mát 15 g/s và nhiệt độ dung dịch làm mát cấp vào két giải nhiệt dao động từ 78°C đến 82°C, kết quả mô phỏng số, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thí nghiệm thực tế trên xe Yamaha Exciter cho thấy nhiệt độ 80°C mang lại sự phù hợp nhất giữa các kết quả.

Ở nhiệt độ 78°C, kết quả mô phỏng số học gần như trùng khớp với kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và có sự chênh lệch với kết quả thu được từ quá trình thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter Khi nhiệt độ tăng lên đến 80°C, các kết quả gần như hội tụ với nhau, nhưng tại đây cũng bắt đầu xuất hiện sự phân kỳ cho đến 82°C.

Nhiệt độ nước sau giải nhiệt, o C

Nhiệt độ nước vào két giải nhiệt, o CKết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệmKết quả mô phỏng số học

Hình 3.14 Sự so sánh kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên xe Yamaha Exciter trong trường hợp lưu lượng 20g/s

Với lưu lượng dung dịch làm mát đi qua két là 20 g/s và van hằng nhiệt mở 100%, nước vào két có nhiệt độ 87°C Nhiệt độ dung dịch làm mát ra khỏi két ở điều kiện này lần lượt là 79.7°C theo kết quả mô phỏng số, 80°C theo kết quả thí nghiệm và 80.4°C theo kết quả thực nghiệm trên xe Tại nhiệt độ vào két 83°C, kết quả từ mô phỏng, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực nghiệm trên xe gần như đồng nhất Tuy nhiên khi nhiệt độ dung dịch làm mát tăng lên, sự chênh lệch giữa các kết quả xuất hiện, lớn nhất tại 87°C.

Kết quả từ quá trình mô phỏng và thực nghiệm, được thực hiện cả trong phòng thí nghiệm lẫn trên xe thực tế, cho thấy sự phù hợp với số liệu do Yamaha Motor công bố trong tài liệu Service Manual 2005 [36].

Kết quả kiểm tra công suất động cơ khi thay đổi két giải nhiệt

Để đánh giá hiệu quả của bộ làm mát kênh mini kết hợp với bộ giải nhiệt truyền thống, kiểm tra trên băng thử Dynojet là phương pháp đáng tin cậy Kết quả thử nghiệm cho thấy công suất động cơ ở hai trường hợp được trình bày trong hình 3.15, cho phép so sánh ảnh hưởng của hệ thống làm mát lên hiệu năng vận hành.

Hình 3.15: Kết quả thử mô-men, công xuất động cơ giữa két nước truyền thống và bộ làm mát kênh mini

Qua đồ thị từ băng thử tải, ta nhận thấy két giải nhiệt mini vẫn đảm bảo công suất và moment của động cơ Điều này cho thấy két giải nhiệt kênh mini đã khắc phục các hạn chế được nêu ở phần đầu luận văn và chứng minh hiệu suất làm mát ổn định cũng như độ bền của hệ thống động cơ khi vận hành ở tải cao.

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	14,3 MB