(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 TẮTNGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA BỘ LÀM MÁT KÊNH MINI THAY THẾKÉT GIẢI NHIỆT XE MÁY Trong nghiên cứu này, lưu lượng và nhiệt độ của hệ thống giải nhiệt xe máycải tiến

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh giao thông đô thị ngày càng phát triển, sự gia tăng nhanh của phương tiện giao thông cá nhân, đặc biệt xe máy, diễn ra ở các thành phố khu vực châu Á và nổi bật tại TP.HCM cùng Hà Nội ở Việt Nam Xe máy được ưa chuộng với giá thành hợp lý, phù hợp với quãng đường di chuyển ngắn, thiết kế nhỏ gọn và khả năng thích nghi với không gian chật hẹp của thành phố đông đúc Xe tay ga với hệ thống truyền động vô cấp mang lại sự tiện lợi cho người dùng từ sinh viên đến công nhân và nhân viên văn phòng, giúp di chuyển linh hoạt và nhanh chóng giữa các khu vực đô thị.

Hộp số biến thiên vô cấp (CVT) ngày càng phổ biến nhờ thiết kế đẹp mắt và vận hành đơn giản Với các xe dùng hộp số truyền động truyền thống, người ta thường tăng dung tích động cơ và bố trí lại động cơ để đáp ứng thị hiếu người tiêu dùng; tuy nhiên, những thay đổi này tạo ra bài toán làm phát sinh lượng nhiệt lớn từ quá trình đốt cháy nhiên liệu tại buồng đốt, đặt ra yêu cầu tối ưu hóa hệ thống làm mát và kiểm soát nhiệt để duy trì hiệu suất và độ bền của động cơ.

Có hai giải pháp giải nhiệt cho động cơ xe gắn máy là giải nhiệt bằng không khí và giải nhiệt bằng dung dịch Với giải nhiệt bằng không khí, luồng không khí được dẫn vào thân máy qua các cánh tản nhiệt để tăng trao đổi nhiệt, gió nóng sau khi làm việc sẽ thoát ra phía sau; hoặc được quạt gió do động cơ điều khiển thổi vào máy, phù hợp với các xe tay ga có động cơ ở phía sau và bị che bởi áo xe Hệ thống giải nhiệt bằng gió có cấu trúc đơn giản, ít bảo dưỡng và phức tạp, nhưng hiệu quả làm mát thấp, nên khó đảm bảo điều kiện tối ưu cho động cơ khi bị che phủ và giấu kín sau lớp áo Để khắc phục nhược điểm của hệ thống giải nhiệt bằng gió, giải nhiệt bằng dung dịch có ưu điểm dễ thiết kế áo ngoài hơn do động cơ bố trí linh hoạt, tiết kiệm không gian và ngày càng được sử dụng rộng rãi cho các dòng xe tay ga, xe số có công suất lớn và động cơ được bố trí gọn.

Tuy nhiên, điểm yếu nhất của hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch là két làm mát, phần dễ hỏng và biến dạng trong quá trình vận hành do ngoại lực gây biến dạng và thủng gây rò rỉ dung dịch làm mát, làm mất khả năng giải nhiệt của hệ thống Các cánh tản nhiệt tiếp xúc với ống dẫn dung dịch là hàn đính nên không dẫn nhiệt tốt từ ống để truyền vào không khí Để dự phòng trường hợp gió không đủ cung cấp cho bộ giải nhiệt thì nhà sản xuất có kèm theo một quạt nhỏ chạy điện để hỗ trợ Các thiết kế bộ trao đổi nhiệt hiện tại 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

Từ những nhược điểm được nhận diện ở các giải pháp làm mát hiện có, công nghệ truyền nhiệt kênh mini hứa hẹn mang lại hiệu quả vượt trội cho hệ thống giải nhiệt của xe gắn máy khi cần thu nhỏ kích thước mà vẫn nâng cao khả năng truyền nhiệt Thiết kế kênh có đường kính nhỏ và diện tích trao đổi lớn cho phép tối ưu hóa luồng chất làm mát và tăng cường trao đổi nhiệt, từ đó giảm thể tích và trọng lượng bộ giải nhiệt Nhờ cải thiện lưu lượng và hiệu suất truyền nhiệt, hệ thống làm mát vẫn đảm bảo hiệu quả ở nhiều điều kiện vận hành, kể cả động cơ hiệu suất cao Các lợi ích này đồng thời giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì nhờ cấu trúc đơn giản và độ tin cậy cao Vì vậy, công nghệ truyền nhiệt kênh mini đang được xem là giải pháp chiến lược cho việc làm mát trên xe máy khi mục tiêu là vừa thu nhỏ kích thước vừa tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt.

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.

Các kết quả nghiên cứu liên quan ngoài nước

Ảnh hưởng của số pass lên quá trình truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini được Byun và Kim [1] nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm, với sơ đồ cùng chiều có hai hàng và bốn pass.

Yadav và Singh phân tích và so sánh các chất giải nhiệt khác nhau trên kênh nước của hệ thống làm mát ô tô nhằm tối ưu hiệu quả tản nhiệt và nhiệt độ làm việc Khot và Santosh sử dụng phần mềm mô phỏng số CFD để đánh giá và nhận xét về đặc tính của hai áo nước làm mát khác nhau trên động cơ Diesel 6 xi-lanh thẳng hàng, cho thấy sự khác biệt về hiệu quả làm mát giữa các thiết kế Nghiên cứu của Singh và cộng sự cho thấy nhiệt độ dầu động cơ có thể được kiểm soát tốt hơn thông qua các cải tiến thiết kế phù hợp trong hệ thống làm mát đã được thực hiện.

Đặng cùng cộng sự [5,6] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng cách tăng số lượt qua (số pass) Trong nghiên cứu này, việc tăng số lượt qua từ 3 lên 5 lượt dẫn đến tăng nhiệt lượng truyền qua bộ trao đổi nhiệt Tuy nhiên, kết quả chưa tối ưu hóa số lượt qua cũng như các chỉ số liên quan như độ hoàn thiện và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi này.

Paul cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu giải nhiệt cho động cơ bằng không khí, bằng cách giả định tập hợp các cánh là vành khuyên gắn trên xylanh để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và hiệu quả làm mát Agarwal cùng với cộng sự [8] đã nghiên cứu truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số với phần mềm CFD, cho phép phân tích chi tiết diễn biến nhiệt và tối ưu hóa cấu hình làm mát dựa trên mô hình số.

Đánh giá tổng quan các kết quả nghiên cứu thiết bị tản nhiệt và trao đổi nhiệt kênh mini/micro một pha do T Dixit và I Ghosh thực hiện [9] cho thấy tiềm năng tối ưu hoá hiệu suất và kích thước của hệ thống Song song đó, nghiên cứu của Masiukiewicz và Anweiler [10] đánh giá đặc tính dòng hai pha trong các kênh mini cho bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn, nhằm làm rõ động lực chảy và hiệu suất trao đổi nhiệt ở các điều kiện vận hành khác nhau.

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 kết hợp 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 Ảnh hưởng của đầu vào cho việc phân phối của gas lạnh trong một bộ trao đổi nhiệt kênh mini sơ đồ dòng chảy cùng chiều đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự[14].

Fenado và cộng sự [15] đã đánh giá hệ số truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng nhôm bằng phương pháp Wilson, nhằm làm rõ hiệu suất trao nhiệt của thiết bị Các nghiên cứu về phân bố dòng chảy và tổn thất áp suất qua bộ trao đổi nhiệt kênh mini được thực hiện trong [16,17].

Hernado và cộng sự đã nghiên cứu tổn thất áp suất, nhiệt lượng và hệ số truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha, đồng thời so sánh kết quả giữa mô phỏng số và thí nghiệm; Hassan và cộng sự đánh giá ảnh hưởng của hình dạng 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 quá trình cháy nhiên liệu tạo ra Vì vậy, các chi tiết này luôn bị nung nóng khi động cơ làm việc; nhiệt độ đỉnh của piston có thể đạt tới 600°C, trong khi nhiệt độ của nấm xupáp có thể lên tới 900°C.

Hình 1.2: Sự phân bố năng lượng trong xe

Trong nghiên cứu, Qingzhao Wang đã trình bày và phân tích sự phân bố áp suất, vận tốc dòng chảy, hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ trong áo nước đầu xylanh Kết quả cho thấy nước làm mát ở đầu xylanh thực hiện tốt phần đối lưu và phân bố áp suất tương đối ổn định Cấu hình các phần trong đầu xylanh được thiết kế để tăng hiệu quả làm mát ở vùng nhận nhiều nhiệt nhất như xupap thải, kim phun nhiên liệu và bộ phận đánh lửa, nhằm ngăn quá nhiệt và bảo đảm độ bền của chi tiết Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh được trình bày ở hình 1.3 của nghiên cứu.

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 truyền nhiệt trong két nước làm mát ô tô Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt đạt hiệu quả tối ưu khi khoảng cách giữa các ống được tối ưu hóa, mặc dù giá trị cụ thể của khoảng cách giữa các ống chưa được nêu rõ trong bài Nghiên cứu làm nổi bật mối quan hệ giữa khoảng cách ống và hiệu quả trao đổi nhiệt, gợi ý cho quá trình thiết kế và tối ưu hệ làm mát ô tô nhằm nâng cao hiệu năng làm mát và tiết kiệm năng lượng.

Các ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt mini và micro hứa hẹn tiềm năng lớn cho ngành điều hòa không khí Roth cùng cộng sự [22] đã chứng minh bộ giải nhiệt vi kênh được sử dụng như một giải pháp tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống điều hòa không khí thương mại, với lợi thế giảm khối lượng môi chất lạnh và tăng hiệu suất nhiệt.

Pulkit cùng cộng sự [23] đã nghiên cứu truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng CFD Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe, hình dạng cánh tản nhiệt và nhiệt độ môi trường xung quanh Ở các vận tốc 40 km/h, 60 km/h và 72 km/h, hệ số truyền nhiệt được tính toán tương ứng là 724 W, 933.56 W và 1123.03 W.

Masao và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cánh, khoảng cách giữa các cánh và tốc độ gió đến quá trình làm mát bằng không khí cho xi lanh động cơ xe máy Kết quả cho thấy việc tăng số lượng cánh không cải thiện hiệu quả làm mát của xi lanh và khi khoảng cách giữa các cánh quá hẹp ở những vị trí vận tốc gió thấp, nhiệt độ giữa các cánh tăng lên Kích thước tối ưu của hệ thống làm mát là 20 mm khi xe đứng yên và 8 mm khi xe đang di chuyển.

Siegel và Graham [25] đã nghiên cứu hiệu suất truyền nhiệt của màn chắn có cánh tản nhiệt dùng để làm mát trên các đầu xilanh nhỏ Kết quả cho thấy thiết kế và khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của động cơ, khi vị trí và kích thước cánh khác nhau sẽ cho mức truyền nhiệt khác nhau Đặc biệt, khu vực giữa đường nạp và đường xả có chiều dài ngắn hơn và giá trị tổn thất áp suất trên mỗi đơn vị chiều dài cao hơn so với các khu vực cánh quanh đầu, cho thấy sự khác biệt đáng kể về lưu lượng và áp suất trong hệ thống.

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 tham gia và số công trình nghiên cứu liên quan đến truyền nhiệt mini và micro ở Việt Nam vẫn ở mức khiêm tốn Trong các công trình nghiên cứu này, Trung và Hùng được nhắc đến như hai tác giả tiêu biểu, cho thấy đóng góp của Việt Nam vào lĩnh vực truyền nhiệt ở quy mô nhỏ và tiềm năng phát triển công nghệ truyền nhiệt mini và micro tại nước ta, đồng thời phản ánh những thách thức cần vượt qua để mở rộng ứng dụng.

Qua phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu đã xác định ảnh hưởng của trọng lực đến đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của các bộ trao đổi nhiệt kênh micro Kết quả cho thấy trọng lực tác động đến phân bố nhiệt cùng mật độ dòng chảy trong các kênh, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất trao đổi nhiệt và khả năng làm lạnh của hệ thống Những phát hiện này cung cấp cơ sở cho tối ưu hóa thiết kế và vận hành bộ trao đổi nhiệt kênh micro trong các điều kiện làm việc khác nhau.

Trung và Hùng (2012) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất vật lý của lưu chất lên bộ tản nhiệt kênh micro, xác định đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của lưu chất một pha bên trong bộ tản nhiệt ở các điều kiện vận hành khác nhau, với chỉ số hoàn thiện đạt 10,7 W/kPa ở lưu lượng 0,2 g/s, và toàn bộ bộ tản nhiệt kênh micro gồm kênh, ống góp, tấm đế và nắp được mô phỏng số bằng phần mềm CFD ACE+ Nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng bộ trao đổi nhiệt kênh micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt cũng đã được thực hiện trong đề tài khoa học cấp trường TD 2013, và nhóm tác giả hiện đang nghiên cứu cải tiến nâng cao hiệu quả giải nhiệt của két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt kênh mini sử dụng công nghệ UV Light, qua đề tài khoa học cấp trường TD.

Liên quan đến giải nhiệt cho xe máy bằng bộ tản nhiệt kênh mini, đề tài nghiên cứu thực nghiệm cải tiến hệ thống làm mát cho xe Nouvo LX bằng bộ tản nhiệt kênh mini của tác giả Nguyễn Đình Trung thực hiện thay thế két nước xe ga bằng bộ trao đổi nhiệt kênh mini theo phương pháp thực nghiệm để tổng hợp, so sánh và đánh giá hiệu quả 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%, đồng thời hiệu quả làm mát tương đương hoặc cao hơn két ban đầu Việc kết hợp quạt điện, bỏ quạt gió cưỡng bức và tận dụng luồng không khí khi di chuyển đã giúp tăng công suất động cơ Tác giả đề nghị đo công suất xe máy trên băng tải để có kết quả cụ thể hơn về sự gia tăng công suất và tính thuyết phục của nghiên cứu Dữ liệu thực nghiệm ban đầu cho thấy tiềm năng của bộ giải nhiệt kênh mini cho 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 xy-lanh của xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm” trình bày phương án tối ưu hóa quá trình giải nhiệt cho áo nước của xy-lanh bằng cách xẻ rãnh trong áo nước nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc giữa dung dịch làm mát và áo nước Nhóm 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, việc xẻ rảnh áo nước của xy-lanh đã ảnh hưởng đến kết cấu bền vững của xylanh, một điểm hạn chế được nêu trong phần giới hạn và cần được cải thiện ở các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Hình 1.5: Mẫu áo nước xylanh có xẻ rãnh

Các tài liệu liên quan cho thấy nghiên cứu về giải nhiệt kênh mini và ứng dụng bộ trao đổi nhiệt kênh mini cho động cơ đốt trong còn hạn chế và chưa đầy đủ Vấn đề giải nhiệt ở xi lanh động cơ đốt trong là rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, đặc biệt đối với những bộ làm mát công suất lớn nhưng yêu cầu thiết kế nhỏ gọn để đảm bảo thẩm mỹ và gá lắp trên sản phẩm Do đó cần thiết nghiên cứu bộ làm mát kênh mini dùng để giải nhiệt cho động cơ xe máy Nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số học và đối chiếu với kết quả thực nghiệm.

Mục tiêu của nghiên cứu là thực hiện một mô phỏng số học để thiết kế và chế tạo bộ làm mát kênh mini dành cho xe máy, đồng thời so sánh các kết quả từ mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm Phương pháp này kết hợp phân tích dòng chảy, trao đổi nhiệt và tổn thất áp suất để đề xuất thiết kế tối ưu cho bộ làm mát kênh mini Kết quả từ mô phỏng số được so sánh với dữ liệu thực nghiệm nhằm đánh giá độ tin cậy và tính khả thi của phương pháp thiết kế Nghiên cứu cung cấp cơ sở để cải tiến thiết kế và ứng dụng bộ làm mát kênh mini trên xe máy trong thực tế.

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 một hệ thống làm mát kênh mini mới sau khi mô phỏng thành công cho phép đánh giá toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ làm mát Nghiên cứu tập trung phân tích tác động của thiết kế kênh, vật liệu, điều kiện vận hành và tham số dòng chảy lên hiệu quả làm mát của kênh mini, từ đó nhận diện các tồn tại và hạn chế cần khắc phục Trên cơ sở kết quả mô phỏng và thử nghiệm, đề xuất các hướng nghiên cứu nâng cao nhằm cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống, đồng thời đưa ra giải pháp tối ưu để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và điện tử.

 Mục tiêu tổng quát đạt được:

Xây dựng thêm nguồn tài liệu cho hướng nghiên cứu truyền nhiệt trong lĩnh vực kênh mini tại Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh và trên toàn quốc nhằm nâng cao chất lượng giáo dục và nghiên cứu ứng dụng Nguồn tài liệu được phát triển thông qua tổng hợp sách chuyên khảo, bài báo khoa học, cơ sở dữ liệu mở và kết quả hội thảo, nhằm phục vụ giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Mục tiêu là tăng khả năng tiếp cận, cập nhật các phát triển mới về truyền nhiệt trong kênh mini, hỗ trợ xây dựng mô hình, thí nghiệm và phân tích kết quả một cách đáng tin cậy Nội dung tập trung vào nguyên lý truyền nhiệt, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất kênh mini, các phương pháp mô phỏng và thí nghiệm hiện đại, và các hướng nghiên cứu tiềm năng Việc tối ưu hoá quản trị nguồn lực và chia sẻ tài liệu sẽ tạo điều kiện hợp tác giữa các trường đại học trong nước và thúc đẩy nghiên cứu, giảng dạy chất lượng cao.

Chúng ta tập trung hội nhập sâu với các nghiên cứu hiện đại và định hình tương lai của các nhà khoa học trên toàn cầu trong lĩnh vực nhiệt và động lực học Việc kết nối với những công trình tiên tiến giúp mở rộng tri thức, tối ưu hóa ứng dụng và thúc đẩy những đổi mới mang tính bền vững Sự hợp tác quốc tế và chia sẻ dữ liệu, công cụ mô phỏng cùng phương pháp nghiên cứu sẽ đẩy nhanh tiến trình khám phá từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn, góp phần giải quyết các thách thức kỹ thuật và môi trường của thế kỷ 21.

Cách tiếp cận

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

Thông qua việc tổng hợp 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 về lĩnh vực truyền nhiệt kênh mini, bài viết tiến hành một nghiên cứu tổng quan các đối tượng liên quan đến đề tài và đánh giá những kết quả đạt được cho tới thời điểm hiện tại Bên cạnh đó, phần tổng quan chỉ ra những vấn đề còn tồn tại và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm giải quyết các thách thức trong truyền nhiệt kênh mini.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thiết kế mô hình và được mô phỏng trên phần mềm mô phỏng số học COMSOL để dự báo hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ làm mát kênh Từ kết quả mô phỏng, chúng tôi chế tạo mô hình bộ làm mát kênh mini nhằm phục vụ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm truyền nhiệt và lắp đặt thực tế trên xe gắn máy để đánh giá hiệu suất làm mát và độ tin cậy của hệ thống.

Dựa trên kết quả tổng quan tài liệu, bài viết đề xuất một mô hình và thiết kế nghiên cứu, sau đó tiến hành mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng số học COMSOL 5.2a để giải các phương trình toán học liên quan Kết quả mô phỏng được so sánh với phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trong quá trình vận hành trên xe, nhằm đánh giá độ chính xác của mô hình và hiệu quả của phương pháp mô phỏng, 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.

Trong bài viết này, chúng tôi thực hiện so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên xe thực tế để đánh giá độ tin cậy và khả năng dự báo của mô hình Kết quả so sánh được trình bày rõ ràng giữa các điều kiện thử nghiệm, làm nổi bật các điểm phù hợp, cũng như các sai lệch cần được xem xét và điều chỉnh mô hình khi cần thiết Đồng thời, chúng tôi đánh giá kết quả nghiên cứu với các công trình đã công bố trên các tạp chí khoa học kỹ thuật quốc tế và trong nước, nhằm xác nhận mức độ đóng góp và vị trí của nghiên cứu trong lĩnh vực.

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.

Trong điều kiện ổn định:

( / ) = 0, ( / ) = 0, ( / ) = 0, ( / ) = 0 (2.5) Điều kiện biên cho nước đầu vào là: − ∫ ( )= (2.6)

Trong đó m là khối lượng lưu lượng và vận tốc gió vào là u , v, w điều kiện biên

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, điều kiện biên cho dòng chảy ở

; điều kiện biên cho dòng chảy đầu vào T=T0, đầu ra được mô tả bởi:

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

Hiệu Suất truyền nhiệt tính theo phương pháp NTU được xác định:

Mật độ dòng nhiệt được tính

Hay Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit được xác định

Chỉ số Reynolds được xác định:

Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi:

D h Jc/P là đường kính quy ước

Mô phỏng số

Hiện nay, nghiên cứu được thực hiện dựa trên nhiều phương pháp khác nhau, trong đó mô phỏng số học kết hợp với thực nghiệm là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến, giúp tăng tính tin cậy và khả thi của kết quả nghiên cứu trong thực tiễn.

Mô phỏng số học là công nghệ dùng các mô hình số có đặc tính tương tự với hiện tượng và sự vật trong thực tế, từ đó tác động các yếu tố vào hiện tượng trong môi trường máy tính thông qua các phương trình toán học Nhờ sự phát triển liên tục của công nghệ xử lý và khả năng tính toán của máy tính, mô phỏng số học ngày càng khẳng định ưu thế, cho phép giải nhiều bài toán phức tạp với thời gian ngắn hơn và giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu cùng chi phí nguyên vật liệu Kết quả là mô phỏng số học có khả năng dự báo chính xác các kết quả có thể xảy ra trong thực tế và hỗ trợ ra quyết định trong thiết kế, vận hành và tối ưu hóa hệ thống.

Các phần mềm mô phỏng số được sử dụng rộng rải hiện nay như:

MATLAB, FORTRAN ANSYS, CFD FLUENT, CFD, ACE+… và đặt biệt là phần mềm mô phỏng số học COMSOL Mutiphysics.

COMSOL Multiphysics là phần mềm mô phỏng số học đa lĩnh vực, tích hợp nhiều module cho vật lý, hóa học và năng lượng Dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, nó cho phép giải các bài toán vật lý và kỹ thuật ứng dụng một cách chính xác và linh hoạt, đặc biệt cho các hiện tượng kết hợp hoặc đa tính chất.

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

 Âm học  Kỹ thuật sóng cức ngắn

 Phản ứng hóa học  Quang Học

 Điện tử  Lượng tử ánh sáng

 Động lực học lưu chất  Cơ học lượng tử

 Pin nhiên liệu và điện hóa  Sự lan truyền sóng học  Thiết bị bán dẫn

 Tấn số vô tuyến  Hiện tượng luân chuyển

 Cơ kết cấu  Địa vật lý

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 được truyền từ khí cháy tới các chi tiết tiếp xúc khiến nhiệt độ của chúng tăng lên rất cao Nhiệt độ cao này dẫn đến nhiều hậu quả xấu như mài mòn và ăn mòn nhiệt trên bề mặt chi tiết, giãn nở nhiệt không đồng đều gây biến dạng hoặc nứt, và làm giảm hiệu quả bôi trơn cũng như tuổi thọ của động cơ Thêm vào đó, vật liệu ở nhiệt độ cao dễ bị mất cân bằng cơ học, tăng nguy cơ hỏng hóc, rò rỉ và suy giảm hiệu suất Vì vậy, quản lý nhiệt và thiết kế chịu nhiệt cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy là rất quan trọng để đảm bảo sự bền bỉ, tin cậy và hiệu suất 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 duy trì nhiệt độ của các chi tiết ở mức tối ưu, vừa không quá nóng vừa không quá nguội Nhiệt độ quá cao sẽ gây quá nhiệt cho các bộ phận, trong khi nhiệt độ quá thấp đồng nghĩa với làm mát quá nhiều và làm tăng tổn thất nhiệt cho dung dịch làm mát, từ đó làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ Khi nhiệt độ hạ thấp, dầu bôi trơn trở nên đặc lại và độ nhớt tăng, khiến dầu khó lưu thông, tăng tổn thất cơ học và ma sát, tác động tiêu cực đến công suất và các chỉ tiêu kinh tế của động cơ.

2.3.2.1 Làm mát buồng đốt của động cơ

Hệ thống làm mát có nhiệm vụ chính là làm mát buồng đốt và duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình vận hành, đảm bảo buồng đốt hoạt động an toàn và hiệu quả Ngoài ra, hệ thống này còn rút ngắn thời gian khởi động bằng cách nhanh chóng đưa động cơ lên nhiệt độ làm việc tối ưu, giúp động cơ đạt hiệu suất vận hành ngay từ khi khởi động và giảm tiêu hao nhiên liệu Như vậy, hệ thống làm mát không chỉ bảo vệ buồng đốt mà còn tối ưu hóa hiệu suất, độ bền và tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình vận hành.

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 hệ thống bôi trơn 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 nhiệt độ làm việc của dầu ổn định, giảm biến động của độ nhớt và đảm bảo khả năng bôi trơn, dầu cần được làm mát Đường dầu được khoan song song với đường nước làm mát động cơ, nhằm cho dầu được làm mát đồng thời với nước làm mát Khi nước làm mát động cơ đồng thời làm mát dầu, nhiệt độ dầu được hạ xuống, cải thiện hiệu quả bôi trơn và sự ổn định của hệ thống.

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 làm việc tốt ở mọi chế độ và mọi điều kiện khí hậu, kể cả các điều kiện vận hành khác nhau Kết cấu nhỏ gọn giúp dễ bố trí và lắp đặt trong nhiều không gian khác nhau, tối ưu hóa diện tích sử dụng Nhờ hiệu suất ổn định và độ tin cậy cao, động cơ vẫn đảm bảo khả năng vận hành liên tục dù thời tiết khắc nghiệt hay thay đổi điều kiện vận hành.

2.3.4 Thực trạng của hệ thống làm mát

Hầu hết những xe có cách bố trí động cơ phía trước đều sử dụng phương pháp giải nhiệt bằng gió bởi lợi thế đón được lưu lượng gió lớn thổi qua khi xe di chuyển Đối với những dòn xe có động cơ bố trí phía sau, bị che phủ bởi lớp áo xe hoặc xe mang phong cánh thể thao với công suất động cơ lớn thì được trang bị hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch như: Yamaha Exciter, Lead, Winner, Suzuki Raider…

Với những dòng xe sử dụng hệ thống làm mát bằng dung dịch thì két giải nhiệt được bố trí ngay phía sau bánh xe trước cũng như đã nêu ở hệ thống giải nhiệt gió thì vị trí này tận dụng được lượng không khí tự nhiên đi qua khi xe vận hành là lớn nhất, luồng khí này sẽ di chuyển xuyên qua két và lấy đi lượng nhiệt từ két.

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:

Hình 2.1: Hệ thống giải nhiệt bằng gió

Hệ thống làm mát bằng gió, nhà sản xuất sẽ chế tạo vỏ ngoài động cơ với các cánh tản nhiệt để đảm bảo diện tích trao đổi nhiệt ra ngoài không khí đủ để duy trì giới vùng nhiệt độ hoạt động cho buồng đốt của động cơ Hệ thống làm mát bằng gió tự nhiên được sử dụng cho những xe với bố trí động cơ nằm ở phía trước, khi vận hành xe di chuyển gió sẽ đi từ phía trước qua buồng đốt giải nhiệt và di chuyển ra phía sau xe Nhưng với những xe tay ga thì động cơ được bố trí ở phía sau xe, một vị trí không thuận lợi như ở phía trước để đón gió, lúc này một quạt gió sẽ được lắp đặt để tạo gió thổi qua động cơ để giải nhiệt cho động cơ.

Hệ thống làm mát bằng gió tự nhiên và gió cưỡng bức có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và dễ bảo trì, nhưng năng suất giải nhiệt không cao Đặc biệt, vì yêu cầu thẩm mỹ cao nên động cơ xe máy thường được lớp vỏ bên ngoài che chắn, khiến vấn đề giải nhiệt của động cơ trở nên được quan tâm hơn Với những hạn chế của hệ thống làm mát bằng gió, hệ thống làm mát bằng dung dịch được xem là một sự thay thế hiệu quả và phổ biến.

2.4.2 Hệ thống làm mát bằng dung dịch

Nguyên lý hệ thống làm mát bằng dung dịch là dung dịch làm mát nhận nhiệt từ buồng đốt của động cơ qua áo nước quanh thành động cơ Dung dịch sau khi nóng sẽ được bơm tới bộ trao đổi nhiệt (két làm mát), nơi nhiệt được chuyển sang nước làm mát khác hoặc không khí lạnh và dung dịch được làm lạnh quay trở lại động cơ để tiếp tục chu trình Quá trình tuần hoàn liên tục này giúp duy trì nhiệt độ vận hành của động cơ ở mức an toàn, ngăn ngừa quá nhiệt, bảo vệ dầu bôi trơn và các chi tiết máy, từ đó tăng hiệu quả và độ bền của động cơ Hệ thống được điều khiển bởi bơm nước, van điều chỉnh lưu lượng, cảm biến nhiệt và két làm mát để duy trì nhiệt độ tối ưu.

Hình 2.2 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát xe máy: khi được gia nhiệt, nước làm mát được đẩy từ động cơ lên két nước, qua đó bị giải nhiệt bởi luồng khí và quay trở về buồng đốt Quá trình lưu thông phụ thuộc vào vòng tua máy nhờ bơm kết nối với trục cam, nên lưu lượng nước biến thiên theo tốc độ động cơ Để tránh tình trạng nhiệt độ chưa đạt ngưỡng làm việc tối ưu khi khởi động, van hằng nhiệt sẽ điều tiết lượng nước từ động cơ đi ra két giải nhiệt hoặc quay về để sưởi ấm động cơ Đồng thời, để giải phóng thể tích tăng khi nước giãn nở do sôi, một van tại nắp két nước sẽ mở Sau khi dung dịch làm mát nguội, nước được thu hồi từ bình phụ trở lại két nước.

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 sang nước làm mát và có thể xem gần bằng lượng nhiệt được truyền qua bộ tản nhiệt ra môi trường không khí Hệ thống làm mát của động cơ xe máy đảm nhận vai trò hấp thụ và thoát nhiệt, trong đó lượng nhiệt truyền từ nước làm mát ra không khí qua bộ tản nhiệt chiếm khoảng 20-30% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu tỏa ra.

Nhiệt lượng Q lm được tính theo công thức kinh nghiệm: Q lm =q’ lm Ne (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 Q lm ta xác định lượng nước G lm tuần hoàn trong 1 đơn vị thời gian

Trong hệ thống làm mát, Cn là nhiệt dung riêng của dung dịch làm mát, và ΔTt_n là hiệu nhiệt độ giữa nước vào và nước ra của bộ tản nhiệt Đối với các hệ thống giải nhiệt nhỏ như xe gắn máy, ΔTt_n thường có giá trị khoảng 5–10°C.

2.5.2 Tính thiết kế két nước

Việc tính két nước bao gồm xác định bề mặt tản nhiệt cần thiết để truyền nhiệt từ nước ra môi trường không khí xung quanh Quá trình này dựa trên lý thuyết truyền nhiệt để xác định kích thước mặt tản nhiệt phù hợp, đồng thời xem xét các thông số như lưu lượng nước, hệ số trao đổi nhiệt và điều kiện gió ngoài để tối ưu hóa hiệu suất làm mát Việc xác định kích thước mặt tản nhiệt theo lý thuyết truyền nhiệt nhằm đảm bảo khả năng truyền nhiệt tối ưu, tiết kiệm năng lượng và đáp ứng yêu cầu về dung tích cũng như vận hành của hệ két nước.

Truyền nhiệt trong bộ tản nhiệt xe máy chủ yếu diễn ra bằng đối lưu, vì két nước có một mặt tiếp xúc với nước nóng và một mặt tiếp xúc với không khí; do đó, truyền nhiệt từ nước sang không khí là sự trao đổi nhiệt giữa hai môi chất qua thành tản nhiệt mỏng Quá trình này có thể được chia thành ba giai đoạn với ba phương trình truyền nhiệt tương ứng: giai đoạn truyền nhiệt giữa nước và thành tản nhiệt (dẫn nhiệt qua vật liệu), giai đoạn đối lưu nước nóng trên mặt tiếp xúc, và giai đoạn trao đổi nhiệt từ mặt ngoài của tản nhiệt ra không khí.

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

- Từ mặt ngoài của thành ống đến không khí:

Qlm= α2F2(t δ2-tkk) (J) Giải phương trình trên ta có:

Diện tích tiếp xúc với không khí F 2 được xác định theo công thức:

Diện tích F 2 thường lớn hơn diện tích F 1 vì F 2 bao gồm cả diện tích của các cánh tản nhiệt.

Tỷ số = gọi là hệ số diện tích.

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

(2.26)GVHD: TS Nguyễn Văn Trạng 21 HVTH: Nguyễn Văn Phương

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 ΔTt kk lấy bằng 20 - 30 o C.

Với t kkr =t kkv + ΔTt kk

Hệ số α 1 có thể xác định bằng công thức thực nghiệm thay đổi trong khoảng 2326 –

Hệ số α 2 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 α 2 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)

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

Hệ số k cho bộ tản nhiệt có thể được xác định thông qua đồ thị được trình bày ở hình Dựa trên dữ liệu thí nghiệm, bề mặt làm mát của bộ tản nhiệt có thể ước lượng với k ≈ αα^2, và giá trị gần đúng cho α^2 cho thấy α^2 = 11,38 ω^0,8 (W/m^2·°C).

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

Khi không tính đến các tổn thất nhiệt:

Nhiệt độ ra khỏi két nước: t nr = t nv +

Hệ thống giải nhiệt xe máy Yamaha Exciter

Xe máy Yamaha Exciter được trang bị hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch làm mát nhằm duy trì nhiệt độ động cơ ở mức tối ưu và tối ưu hóa hiệu suất vận hành Két làm mát của hệ thống có nhiệm vụ hạ nhiệt độ của dung dịch từ động cơ bằng cách tản nhiệt ra ngoài không khí thông qua thành ống nước và các cánh tản nhiệt Sau khi được làm mát, dung dịch quay vòng trở lại để tiếp tục làm mát động cơ và duy trì sự ổn định của hiệu suất vận hành xe.

Yêu cầu két giải nhiệt phải tỏa nhiệt nhanh tức là hệ số truyền nhiệt của bộ phận tản nhiệt lớn Kết cấu của két làm mát động cơ gồm có bình chứa nước phía trên và bình chứa dung dịch phía 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 để tăng khả năng tản nhiệt Loại ống này có ưu điểm là có sức cản không khí ít hơn và diện tích tản nhiệt lớn hơn khoảng 2 ÷ 3 lần so với ống tròn Tuy nhiên loại ống này không phải lúc nào cũng tối ưu trong mọi điều kiện vận hành do chi phí và yêu cầu gia công cao hơn.

Hình 2.5 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát bằng dung dịch, sử dụng ống tròn và được đánh giá là khó sửa chữa Đường ống từ bơm nước đi vào bình chứa nước ở phía trên hệ thống, với kích thước phủ bì 200 mm về chiều dài và 160 mm về chiều cao, nhằm đảm bảo lưu lượng dung dịch và tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt với môi trường.

Nguyên lý làm việc của két nước bắt đầu từ việc nhiệt lượng sinh ra trong động cơ do quá trình cháy được truyền vào nước làm mát của hệ thống làm mát động cơ, làm nước nóng lên Dưới áp lực của bơm nước, nước nóng được đẩy lên bình chứa ở phía trên két nước và đi qua các ống trao đổi nhiệt, đồng thời truyền nhiệt ra thành ống Nhiệt từ thành ống được chuyển tới các cánh tản nhiệt, tăng diện tích tiếp xúc và giải phóng nhiệt ra môi trường không khí nhờ luồng gió từ quạt tản nhiệt Nước sau khi được làm mát có nhiệt độ giảm xuống và chạy xuống bình chứa ở phía dưới két nước, từ đó đi theo đường ống thoát trở về động cơ để tiếp tục vòng tuần hoàn làm mát.

Trong xe tay ga, hệ thống làm mát bằng dung dịch dễ nhận diện từ bên ngoài nhờ két nước được lắp ở phía trước hoặc phía sau xe Hệ thống này giúp duy trì nhiệt độ động cơ ở mức tối ưu bằng cách tuần hoàn dung dịch làm mát, từ đó đảm bảo hiệu suất vận hành và tuổi thọ của động cơ Các cảm biến trên hệ thống sẽ gửi dữ liệu về bộ điều khiển trung tâm và hiển thị đèn báo trên bảng điều khiển khi có sự cố hoặc nhiệt độ làm mát vượt ngưỡng, hỗ trợ người dùng nhận biết và xử lý kịp thời.

Hình 2.6: Hệ thống giải nhiệt xe máy Yamaha Exciter

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

Hình 2.8: Cấu tạo bơm nước giải nhiệt

Bơm ly tâm có nhiệm vụ bơm dung dịch làm mát tuần hoàn trong hệ thống giải nhiệt để làm mát động cơ Bơm được dẫn động từ trục cam của động cơ; khi động cơ bắt đầu làm việc, cánh bơm quay và truyền năng lượng cho dung dịch làm mát, duy trì lưu lượng và áp suất cần thiết Nhờ quá trình tuần hoàn của dung dịch làm mát, nhiệt từ động cơ được hấp thụ và đưa ra ngoài qua hệ thống giải nhiệt Bơm ly tâm gồm 4 thành phần chính như hình 2.8.

1- Cánh quạt (cánh công tác của bơm)

Nắp két giải nhiệt được bố trí ở đỉnh két và là nơi để châm thêm nước giải nhiệt, được cấu tạo đặc biệt để duy trì áp suất làm việc ổn định cho hệ thống làm mát Khi nhiệt độ tăng, lượng dung dịch giải nhiệt giãn nở và vượt quá áp suất quy định thì van trên nắp sẽ mở để nước thừa chảy về bình chứa phụ ở phía dưới; khi nguội, áp suất giảm và một lá van khác trong két sẽ mở để dung dịch làm mát được bổ sung lại từ bình chứa phụ 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 dựa trên nhiệt độ dung dịch làm mát để quyết định lượng nước đi đến két giải nhiệt, từ đó duy trì nhiệt độ tối ưu cho động cơ Khi động cơ mới khởi động, dầu bôi trơn cần thời gian để đạt nhiệt độ vận hành tối ưu, nên nhiệt độ dung dịch làm mát có thể chưa đủ để mở van; vì vậy van sẽ đóng lại ở thời điểm này để động cơ nhanh đạt đến điểm tối ưu và tránh quá nhiệt, bảo vệ động cơ.

Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động van hằng nhiệt

Hình 2.12: Đặc tính làm việc của van hằng nhiệt

Van hằng nhiệt ở mỗi xe và mỗi hãng sản xuất là khác nhau, nên tham số mở van phụ thuộc vào thiết kế cụ thể Ví dụ, van hằng nhiệt trên xe máy Yamaha Exciter bắt đầu mở ở nhiệt độ 72°C ±1.5°C và mở tối đa 3 mm khi nhiệt độ đạt 85°C, giúp kiểm soát lưu lượng nước làm mát và duy trì nhiệt độ động cơ ở mức an toàn.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Thiết lập mô phỏng và mô hình thực nghiệm

Nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng đã được thực hiện nhằm khảo sát đặc tính truyền nhiệt của bộ làm mát kênh mini Trong nghiên cứu này, 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 thông số mô phỏng để phân tích sự phụ thuộc của quá trình trao đổi nhiệt trong hệ kênh.

3.1.1 Thiết lập mô hình mô phỏng

Két giải nhiệt kênh mini với 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 và được cấu tạo bởi hệ thống 44 rãnh chia thành 4 pass, mỗi rãnh dài 90 mm và sâu 5 mm, các kênh liên kết bằng các rãnh góp có chiều sâu 15 mm; chiều rộng mỗi kênh là 1 mm, khoảng cách giữa các kênh 1,5 mm Phần dưới két nước được thiết kế có khoang chứa dung dịch hình tam giác nhằm ổn định dòng chảy sau khi được làm mát Mặt sau của két là khu vực giải nhiệt ra không khí với 36 rãnh tương ứng 35 lá tản nhiệt, mỗi lá có chiều rộng 12 mm và dày 1 mm Vật liệu chế tạo là nhôm hợp kim H6063 có 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

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

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

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

3.1.2 Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm truyền nhiệt

Trong hệ thống làm mát xe máy, dung dịch giải nhiệt được sử dụng là ethylene glycol với dung tích 0.62 lít Lưu lượng khối lượng chất làm mát từ 10 g/s đến 20 g/s và nhiệt độ ban đầu của lưu chất nằm trong khoảng 72°C đến 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 của hệ thống.

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

Kớch thước kờnh mini ±10 àm

Hình 3.5 : Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm truyền nhiệt

Hình 3.6: Bộ cảm cảm biến nhiệt độ

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

Hình 3.7: Máy tính ghi lại dữ liệu nhiệt độ 3.1.3 Thực nghiệm trên xe máy Yamaha Exciter

Thiết bị giải nhiệt kênh mini lắp thay thế trên xe gắn máy Exciter được đưa vào thử nghiệm thực tế nhằm kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống làm mát trong điều kiện môi trường thực tế và so sánh với kết quả thí nghiệm và mô phỏng Qua quá trình thử nghiệm, thiết bị được đánh giá về hiệu suất làm mát, độ ổn định nhiệt và ảnh hưởng của các yếu tố như lưu lượng gió, nhiệt độ môi trường và tải động cơ Kết quả so sánh giữa dữ liệu thực tế, kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy mức độ chính xác của mô hình và khả năng áp dụng của thiết bị giải nhiệt kênh mini trên Exciter Từ đó rút ra các chỉ số đánh giá quan trọng như thời gian đáp ứng, mức giảm nhiệt và tác động tới hiệu suất vận hành và tiêu hao nhiên liệu, đồng thời đề xuất tối ưu hóa thiết kế, vị trí lắp đặt và điều kiện vận hành nhằm nâng cao hiệu quả làm mát và độ bền của động cơ.

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

Việc bơm dung dịch làm mát trong xe được dẫn động bởi trục cam của động cơ nên lưu lượng 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 cũng biến thiên theo nhiệt độ của dung dịch làm mát tác động lên van hằng nhiệt Vì vậy, các điểm dữ liệu sẽ được chọn từ số liệu thực tế ở 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 với chế độ xe chạy không tải và đứng yên tại chổ, dữ liệu được thu thập tại vị trí đầu vào của bộ làm mát kênh mini và tại đầu ra của bộ làm mát kênh mini, tương ứng với trường hợp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Các điều kiện thử gồm van hằng nhiệt mở 30% ở tốc độ máy khoảng 1500 vòng/phút với nhiệt độ dung dịch làm mát 76 °C; van hằng nhiệt mở 70% ở 2000 vòng/phút với nhiệt độ dung dịch làm mát 81 °C; và van hằng nhiệt mở 100% ở 2500 vòng/phút với nhiệt độ dung dịch làm mát tương ứng.

Ở nhiệt độ 85°C, các điểm đo được bố trí để dao động quanh nhiệt độ mục tiêu 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 Tốc độ động cơ được đọc từ đồng hồ đo trên xe, thể hiện vòng tua máy được nhà sản xuất trang bị cho xe.

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 phân tích ở lưu lượng đầu vào 10 g/s, tương ứng với trường hợp van hằng nhiệt mở 30% ở nhiệt độ 76 °C và tốc độ máy 1.500 vòng/phút (máy chạy không tải) Kết quả cho môi chất làm mát sau khi ra khỏi kênh là 67.2 °C.

Dung dịch làm mát nhập bộ làm mát ở nhiệt độ 76°C và đi qua hai nhóm kênh, mỗi nhóm gồm 10 kênh Qua nhóm kênh đầu tiên, nhiệt độ dung dịch giảm xuống còn 72°C Tiếp tục đi qua nhóm kênh thứ hai, nhiệt độ hạ xuống khoảng 71°C Khi ra khỏi bộ làm mát, dung dịch có 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 mô tả với lưu lượng 15 g/s, tương ứng với trường hợp van hằng nhiệt mở 70% ở nhiệt độ 81°C và tốc độ máy 2000 vòng/phút, cho thấy sự phân bổ nhiệt ổn định trong hệ thống; khi xe đứng yên ở chế độ không tải, nhiệt độ đầu ra của két giải nhiệt đạt 73.8°C.

Dung dịch làm mát được đưa vào bộ làm mát qua ống góp với nhiệt độ ban đầu 81°C, sau đó nó đi qua 10 kênh đầu tiên và ở cuối 10 kênh này nhiệt độ của dung dịch làm mát đã giảm xuống còn 78,5°C Từ đây, dung dịch làm mát tiếp tục đi vào các phần tiếp theo của hệ thống làm mát.

10 kênh thứ 2 sau khi dung dịch ra khỏi 10 kênh này sẽ có nhiệt độ khoảng 77 o C,cho đến khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát sẽ là 73,8 o C.

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini với lưu lượng 20 g/s được xác định cho trường hợp van hằng nhiệt mở 100% ở nhiệt độ 85°C và động cơ hoạt động ở tốc độ 2.500 vòng/phút ở chế độ không tải, cho thấy cách nhiệt độ biến thiên theo chiều dài kênh và ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến hiệu quả làm mát của hệ thống.

Dung dịch làm mát nhập vào bộ làm mát kênh mini ở 85°C Nó đi qua 10 kênh đầu tiên và nhiệt độ dung dịch hạ xuống còn 82,5°C khi kết thúc nhóm kênh này Tiếp tục đi qua 10 kênh thứ hai, qua đó nhiệt độ ra khỏi nhóm kênh này khoảng 81,3°C Cuối cùng, khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát kênh mini, nhiệt độ còn lại là 77,9°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 oC 70 nhiệt, 68 két giải

72 73 74 75 76 77 độNhiệt 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

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

Nhiệt độ vào bộ tản nhiệt mini cao hơn so với két nguyên bản của xe, điều này đồng nghĩa với việc giúp động cơ rút ngắn được thời gian đạt trạng thái ổn định hay rút ngắn thời gian hâm nóng động cơ.

3.5.2 Kết quả so sánh với lưu lượng 15 g/s oC 76 nhiệt, 75

Nhiệt độ nước vào két giải nhiệt, o C

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

Kết quả mô phỏng

Phân bố nhiệt độ trong kênh mini được xác định ở lưu lượng đầu vào 10 g/s, với van hằng nhiệt mở 30% ở nhiệt độ 76°C và tốc độ máy 1.500 vòng/phút (máy chạy ở chế độ không tải); kết quả cho môi chất làm mát ở đầu ra là 67,2°C.

Dung dịch làm mát có nhiệt độ đầu vào là 76 °C khi đi vào bộ làm mát; qua 10 kênh đầu tiên nhiệt độ được hạ xuống còn 72 °C 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 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 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 đạt 73.8°C Những thông số này cho thấy mối quan hệ giữa lưu lượng làm mát, mức mở van và tốc độ quay động cơ ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát và nhiệt độ ổn định của hệ thống làm mát ô tô.

Dung dịch làm mát được cấp vào bộ làm mát ở nhiệt độ 81°C tại ống góp Nó đi qua 10 kênh đầu tiên và 10 kênh ở phần cuối của bộ làm mát, tại thời điểm này nhiệt độ dung dịch đã hạ xuống còn 78,5°C Từ đây, dung dịch làm mát tiếp tục đi vào các kênh tiếp theo của bộ làm mát để tiếp tục quá trình làm mát.

10 kênh thứ 2 sau khi dung dịch ra khỏi 10 kênh này sẽ có nhiệt độ khoảng 77 o C,cho đến khi dung dịch ra khỏi bộ làm mát sẽ là 73,8 o C.

Trong kênh mini với lưu lượng 20 g/s, sự phân bố nhiệt độ tương ứng với trường hợp van hằng nhiệt mở 100% ở nhiệt độ 85°C và tốc độ động cơ 2.500 vòng/phút khi xe chạy không tải Kết quả cho thấy nhiệt độ trong kênh phản ánh trạng thái mở van và lưu lượng đã cho, cho thấy ảnh hưởng của điều kiện làm mát đến quá trình trao đổi nhiệt ở nhiệt độ làm việc 85°C.

Dung dịch làm mát có nhiệt độ vào bộ làm mát kênh mini là 85 °C Sau 10 kênh đầu tiên, nhiệt độ dung dịch giảm xuống còn 82,5 °C Tiếp tục qua 10 kênh thứ hai, sau khi đi qua bộ phận này nhiệt độ còn khoảng 81,3 °C Cuối cùng, dung dịch làm mát ra khỏi bộ làm mát kênh mini với nhiệt độ 77,9 °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 oC 70 nhiệt, 68 két giải

72 73 74 75 76 77 độNhiệt Nhiệt độ dung dịch vào két giải nhiệt, o C

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 Yamaha Exciter cho thấy nhiệt độ 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 °C do quán tính nhiệt của van hằng nhiệt khiến van mở trước Khi nhiệt độ đầu vào của két giải nhiệt kênh mini tăng từ 72 °C lên 77 °C, kết quả mô phỏng số tiệm cận với kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Ở nhiệt độ 72 °C, kết quả mô phỏng số học gần với kết quả thực nghiệm.

Việc đưa nhiệt độ vào bộ tản nhiệt mini cao hơn so với két làm mát nguyên bản giúp động cơ nhanh đạt trạng thái ổn định và rút ngắn thời gian hâm nóng động cơ Nhiệt độ đầu vào cao cho bộ tản nhiệt mini tăng hiệu quả làm mát, đẩy nhanh quá trình làm nóng và giảm thời gian động cơ đạt nhiệt độ vận hành tối ưu Kết quả là động cơ khởi động và vận hành ổn định từ sớm, tối ưu hiệu suất lái và tiết kiệm nhiên liệu nhờ hệ thống làm mát được cải thiện với bộ tản nhiệt mini.

3.5.2 Kết quả so sánh với lưu lượng 15 g/s oC 76 nhiệt, 75

Nhiệt độ nước vào két giải nhiệt, o C

Với lưu lượng làm mát 15 g/s và nhiệt độ dung dịch vào két giải nhiệt từ 78 °C đến 82 °C, các kết quả mô phỏng số, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế trên xe Yamaha Exciter cho thấy nhiệt độ tối ưu tại 80 °C Việc duy trì dung dịch làm mát ở mức 80 °C mang lại sự cân bằng giữa hiệu quả làm mát và sự ổn định của hệ thống, với các phương pháp đánh giá đều cho kết quả nhất quán tại nhiệt độ này.

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 thể hiện sự khác biệt so với kết quả thu được từ quá trình thực nghiệm trên xe Yamaha Exciter Khi nhiệt độ tăng lên 80°C, các kết quả dần hội tụ với nhau, nhưng tại ngưỡng này bắt đầu xuất hiện sự phân kỳ và tiếp tục đến 82°C.

3.5.3 Kết quả so sánh với lưu lượng 20 g/s oC 82

Nhiệt độ dung dịch vào két giải nhiệt, o C

Với lưu lượng dung dịch làm mát đi qua két là 20 g/s khi van hằng nhiệt mở

Khi nước có nhiệt độ vào két là 87°C ở chế độ 100% lưu lượng, nhiệt độ của dung dịch làm mát ở đầu ra két được ghi nhận là 79,7°C theo kết quả mô phỏng số và 80°C theo kết quả thí nghiệm Sự chênh lệch nhỏ giữa hai kết quả cho thấy mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao trong dự báo nhiệt độ làm mát và có thể hỗ trợ tối ưu hóa vận hành hệ thống làm mát.

Kết quả thực nghiệm trên xe cho thấy 80,4 °C Tại nhiệt độ 83 °C, kết quả từ mô phỏng, thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thực nghiệm 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, kết hợp với thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên xe thực tế, cho thấy sự khớp với số liệu do Yamaha Motor công bố trong Service Manual 2005 [36] Việc đối chiếu giữa dữ liệu mô phỏng, dữ liệu thực nghiệm và kết quả vận hành trên xe xác nhận tính nhất quán với các thông số kỹ thuật và hiệu năng được ghi trong tài liệu Service Manual 2005 của Yamaha Motor.

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 so với bộ giải nhiệt truyền thống, kiểm tra trên băng thử Dynojet là phương pháp đáng tin cậy Kết quả thử nghiệm công suất động cơ được trình bày cho hai trường hợp như trong hình 3.15, cho thấy sự khác biệt về hiệu suất giữa hai hệ thống làm mát và giải nhiệt, qua đó làm rõ tác động của cấu hình làm mát kênh mini đối với công suất và mô-men xoắn.

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, két giải nhiệt kênh mini vẫn đảm bảo công suất và moment của động cơ, cho thấy hệ thống làm mát hoạt động hiệu quả ngay cả khi tải trọng tăng Điều này cho thấy két giải nhiệt kênh mini đã khắc phục được những hạn chế đã nêu ở phần đầu của luận văn và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	10,43 MB