HỆ THỐNG L ÀM MÁT
I- KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG LÀM MÁT (HTLM) ĐỘNG CƠ
1.1.1. Chức năng
- Khi động cơ làm việc, các chi tiết của động cơ nhất là các chi tiết trong buồng cháy tiếp xúc với các khí cháy nên có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ đỉnh piston có thể đạt đến 600-
0C còn nhiệt độ xupap thải có thể đến 9000C . Nhiệt độ các chi tiết cao có thể dẫn đến các tác hại cho động cơ như sau:
+ Giảm sức bền, đớ cứng vững và tuổi thọ của các chi tiết.
+ Bó kẹt giữa các chi tiết chuyển động như piston-xylanh, trục khuỷu-bạc lót…
+ Giảm hệ số nạp dẫn đến giảm công suất động cơ.
+ Kích nổ trong động cơ xăng.
- Hệ thống làm mát có chức năng tản nhiệt từ các chi tiết của động cơ như piston, xilanh, nắp xilanh. xupap, v.v… để chúng không bị quá tải nhiệt. Ngoài ra, làm mát động cơ còn có tác dụng duy trì nhiệt độ dầu bôi trơn trong một phạm vi nhất định để có thể bôi trơn tốt nhất.
- Chất có vai trò trung gian trong quá trình truyền nhiệt từ các chi tiết nóng của động cơ ra ngoài được gọi là môi chất làm mát, đó có thể là nước, không khí, dầu hoặc một số loại dung dịch đặc biệt.
Không khí được dùng làm môi chất làm mát chủ y ếu cho động cơ có công suất nhỏ, đại đa số động cơ đốt trong hiện nay được làm mát bằng nước vì có hiệu suất nhiệt làm mát cao khoảng 2,5 lần so với làm mát bằng dầu.
1.1.2. Nhiệm vụ
Khi động cơ đốt trong làm việc, những bộ phận ti ếp xúc với khí cháy sẽ nóng lên.
Nhiệt độ của chúng rất cao (400-500) 0C như: nắp xylanh, đỉnh piston, xupáp xả, đầu vòi phun… Để đảm bảo độ bền nhiệt của vật liệu chế tạo ra các chi tiết máy đó, để đảm bảo độ nhớt của dầu bôi trơn ở giá trị có lợi nhất, để giữ tốt nhiệt độ cháy của nhiên liệu trong động cơ mà không xảy ra sự ngưng đọng của hơi nước trong xylanh… người ta phải làm mát cho động cơ, tức là lấy bớt nhiệt của các bộ phận động cơ có nhiệt độ cao truyền ra bên ngoài.
1.1.3. Yêu cầu
- Nước làm mát phải sạch, không lẫn tạp chất và các chất ăn mòn kim loại.
- Nhiệt độ nước vào làm mát cho động cơ không nên quá thấp hoặc quá cao.
Độ chênh lệch về nhiệt độ giữa nước và o làm mát cho động cơ và nước ra không được lớn lắm. Nếu sự chênh lệch này quá lớn sẽ gây ứng suất nhiệt làm các chi tiết trong động cơ dễ bị nứt vỡ, tổn thất nhiệt lớn. Thông thường sự chênh lệch này như sau:
+ Đối với động cơ cao tốc : T = Tra-Tvào= ( 5-10) 0C + Đối với động cơ thấp tốc : T = Tra-Tvào= (10-30) 0C
- Để đảm bảo yêu cầu này, nước đưa vào làm mát phải được đưa từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao (làm mát theo phương pháp ngược dòng).
- Các thiết bị như đường ống, nhiệt kế v.v… phải hoạt động chính xác, an toàn và tin cậy.
- Đường đi của nước làm mát phải lưu thông được dễ dàng, không bị tắc, không có góc đọng.
- Bình chứa nước phải có lỗ thoát hơi hoặc khí. Ngoài ra nếu cường độ làm mát quá lớn, nhiệt độ các chi tiết thấp dẫn đến hiện tượng hơi nhiên liệu ngưng tụ đọng trên bề mặt các chi tiết, rữa trôi dầu bôi trơn nên các chi tiết bị mài mòn nhanh chóng. Đồng thời độ nhớt của dầu bôi trơn thấp nên ma sát giữa các chi tiết chuyển động tăng. Mặt khác công suất tiêu hao cho các bộ phận của hệ thống làm mát sẽ tăng. Kết quả làm tăng tổn thất cơ giới động cơ.
- Sự làm mát của động cơ sẽ đơn giản hơn nếu động cơ tạo nhiệt độ ổn định. ở công suất cực đại, động cơ có nhiệt độ xung quanh cao hệ thống làm mát buộc phải loại bỏ nhiệt với dung lượng tối đa để giảm nhiệt độ động cơ đến khoảng cho phép. Khi tải và tốc độ động cơ thấp, hệ thống làm mát phải duy trì nhiệt độ trong khoảng cho phép.
1.2. Các hình thức làm mát
1.2.1. Hệ thống làm mát bằng gió tự nhiên (không khí)
Hình 1.1: Hệ thống làm mát bằng gió
1-Quạt gió; 2-Cánh tản nhiệt; 3-Tấm hướng gió; 4 -Vỏ bọc; 5-Đường thoát khí.
a/ Nguyên lý hoạt động: Hệ thống làm mát bằng gió còn gọi là hệ thống làm mát bằng không khí, có cấu tạo rất đơn giản. Quạt gió (1) được dẫn động từ trục khuỷu cung
cấp không khí với lưu lượng lớn làm mát động cơ. Để rút ngắn thời gian qúa độ từ trạng thái nguội khi khởi động đến trạng thái ổn định nhiệt, quạt gió được trang bị ly hợp điện từ hoặc thuỷ lực. Bản hướng gió( 3) có tác dụng phân phối không khí sao cho các xylanh và từng xylanh được làm mát đồng đều. Các chi tiết cần làm mát như xylanh, nắp xupap v.v… phải có gân tản nhiệt để tăng diện tích làm mát.
Nhờ có tấm hướng gió nên dòng không khí làm mát được phân chia đều cho các xylanh, khiến cho nhiệt độ các xylanh tương đối đồng đều. Hơn nữa khi có tấm hướng gió, dòng không khí đi sát mặt đỉnh của các phiến tản nhiệt vì vậy có thể nâng cao hiệu suất truyền nhiệt . Ngoài ra nhờ có tấm hướng gió có thể bố trí cho dòng không khí đến làm mát các vùng nóng nhất như xupap xả, buồng cháy v.v…
b/ Ưu, nhược điểm của hệ thống: - Ưu điểm
+ Hệ thống làm mát bằng không khí có cấu tạo đơn giản, không cần có két nước hay bơm nước.
+ Giảm thời gian hâm nóng động cơ, truyền nhiệt ổn định, độ tin cậy của hệ thống cao do không có nước làm mát. Nhiệt từ thành và nắp xylanh được dẫn trực tiếp theo không khí
+ Xác suất quá lạnh nhỏ, lưu lượng không khí cung cấp nhiều để làm mát động cơ.
Sử dụng thuận lợi ở những vùng thiếu nước, ở các sa m ạc hay rừng sâu.
- Nhược điểm:
+ Tăng kích thước động cơ, động cơ làm việc ồn .Yêu cầu cao về dầu bôi trơn và nhiên liệu.
+ Chỉ sử dụng cho những động cơ có công suất nhỏ như xe máy và các máy công cụ khác. Không thích hợp cho động cơ ô tô .
+ Phải có gân tản nhiệt để tăng diện tích làm mát.
c/ Phạm vi ứng dụng:
Ở Mỹ, hệ thống này ít sử dụng để trang bị cho xe ô tô; chỉ có ở châu âu sử dụng cho động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, xe gắn máy, xe 3 bánh nhỏ, máy bay, v.v…
1.2.2. Hệ thống làm mát bằng nước 1.2.2.1. Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi
a/ Nguyên lý hoạt động: Đây là kiểu làm mát rất đơn giản, bộ phận nước bao gồm các khoang chứa nước làm mát của thân máy(1), nắp xylanh(7) và bình bốc hơi (6) lắp với thân máy(1). Khi động cơ làm việc, tại những khoang nước bao bọc quanh buồng chứa nước sẽ bốc hơi. Nước sôi nên tỷ trọng giảm sẽ nổi lên mặt thoáng của bình(6) và bốc hơi mang theo nhiệt ra ngoài khí quyển. Nước sau khi mất nhiệt, tỷ trọng tăng lên nên chìm xuống tạo thành lưu động đối lưu tự n hiên.
Do làm mát bằng bốc hơi, nếu không có nguồn nước bổ sung, tốc độ tiêu hao nước rất lớn. Vì vậy hệ thống này không thích hợp cho động cơ ô tô. Mặt khác do tốc độ lưu động của nước khi đối lưu tự nhiên rất nhỏ nên làm mát không đồng đều dẫn tới có hiện tượng chênh lệch rất lớn về nhiệt độ giữa các thành phần được làm mát.
b/ Ưu, nhược điểm của hệ thống:
+ Ưu điểm:
Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi có kết cấu đơn giản, ít thiết bị không cần có bơm, quạt gió.
+ Nhược điểm:
Có nhược điểm lớn nhất là tiêu hao nước nhiều và hao mòn thành xylanh không đều.
c/ Phạm vi ứng dụng:
Hệ thống này được sử dụng cho động cơ cỡ nhỏ đặt nằm ngang dùng trong nông nghiệp.
1.2.2.2. Hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên
Hình 1.3: Hệ thống làm mát đối lưu tự nhiên
1-Thân máy; 2-Xylanh; 3-Nắp xylanh; 4-Đường ra két nước; 5-Nắp đổ rót nước;
Hình1.2:Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi 1-Thân máy; 2-Piston;
3-Thanh truyền;
4- Hộp carte trục khuỷu;
5-Thùng nhiên liệu;
6-Bình bốc hơi; 7-Nắp xylanh.
6-Két nước; 7-Không khí làm mát; 8-Quạt gió; 9- Đường nước làm mát động cơ.
a/ Nguyên lý hoạt động: Hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhi ên, nước lưu động tuần hoàn nhờ chênh lệch khối lượng riêng ở nhiệt độ khác nhau. Nước làm mát nhận nhiệt của xylanh trong thân máy(1), khối lượng riêng giảm nên nước nổi lên theo đường dẫn ra khoang phía trên của két làm mát(6). Quạt gió (8) được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu động cơ hút không khí qua két. Do đó, nước trong két được làm mát, khối lượng riêng tăng nên nước chìm xuống khoang dưới của két và từ đây đi vào thân máy, thực hiện một vòng tuần hoàn.
b/ Phạm vi ứng dụng: Hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên không được sử dụng cho động cơ vận tải như ô tô, máy kéo…mà chỉ dùng ở động cơ tĩnh tại.
1.2.2.3. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức
Hình 1.4 trình bày sơ đồ hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức dùng cho ô tô, máy kéo; sử dụng nước mềm để làm mát cho động cơ.
Khi trời lạnh, lúc mới khởi động động cơ còn nguội, bộ điều tiết nhiệt không cho nước đi tới bình giãn nở (1) đi làm mát mà mở cho nước theo đường (6) trở về bơm.
Nhiệt độ nước ra được đo bởi nhiệt kế (3). Nhiệt đớ nước v ào ở hệ thống kín vào khoảng từ ( 60-70)0C, nhiệt độ nước ra khoảng ( 85 -95)0C . Khoảng nhiệt độù này có lợi cho sự cháy và không xảy ra ngưng tụ nước trong xylanh. Trong hệ thống cũng có rất ít cấn cặn nước vì khối lượng nước trong hệ thống không thay đổi .
b/ Phạm vi ứng dụng:
Hệ thống này sử dụng thích hợp cho động cơ ô tô và máy kéo