Đồ án Lập chương trình tính kiểm tra nhiệt các hệ thống làm mát động cơ đốt trong

MỤC LỤC Trang 1. Mục đích và ý nghĩa đề tài. 5 2. Giới thiệu tổng quan visual basic 6.0 5 3. Lý thuyết truyền nhiệt. 6 3.1. Các định luật và phương trình cơ bản về dẫn nhiệt. 6 3.1.1. Định luật Fourier về dẫn nhiệt. 6 3.1.2. Phương trình vi phân dẫn nhiệt. 8 3.1.3. Điều kiện đơn trị. 10 3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu. 11 3.2.1. Khái niệm trao đổi nhiệt đối lưu . 11 3.2.2. Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. 11 3.2.3. Lý thuyết đồng dạng và các tiêu chuẩn đồng dạng. 12 3.2.3.1. Lý thuyết đồng dạng. 12 3.2.3.2. Các tiêu chuẩn đồng dạng. 13 3.2.4. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. 14 3.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh. 15 4. Giới thiệu chung về hệ thống làm mát. 17 4.1. Hệ thống làm mát bằng nước. 18 4.1.1. Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi: 18 4.1.2. Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên: 19 4.1.3. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức: 20 4.1.3.1. Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng: 20 4.1.3.2. Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn hai vòng: 22 4.1.3.3. Hệ thống làm mát một vòng hở: 23 4.2. Hệ thống làm mát ở nhiệt độ cao. 24 4.2.1. Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao kiểu bốc hơi bên ngoài: 24 4.2.2. Hệ thống làm mát cưỡng bức nhiệt độ cao có lợi dụng nhiệt của hơi nước và nhiệt của khí thải: 25 4.3. Kết cấu các cụm chi tiết chính của hệ thống làm mát bằng nước. 26 4.3.1. Kết cấu két làm mát. 26 4.3.2. Kết cấu của bơm nước. 28 4.3.2.1. Bơm ly tâm. 28 4.3.2.2.Bơm piston. 30 4.3.2.3.Bơm bánh răng. 30 4.3.2.4. Bơm cánh hút. 31 4.3.3.Quạt gió. 32 4.3.4.Van hằng nhiệt 33 4.4. Hệ thống làm mát động cơ bằng không khí (gió). 35 4.4.1. Hệ thống làm mát bằng không khí kiểu tự nhiên: 35 4.4.2. Hệ thống làm mát không khí kiểu cưỡng bức. 36 4.5. So sánh ưu khuyết điểm của kiểu làm mát bằng nước và kiểu làm mát bằng không khí. 36 5. Khảo sát hệ thống làm mát động cơ CA498. 38 5.1. Sơ đồ, mục đích, yêu cầu hệ thống làm mát. 38 5.1.1. Sơ đồ hệ thống làm mát: 38 5.1.2. Mục đích của hệ thống làm mát: 38 5.1.3. Yêu cầu của hệ thống làm mát: 39 5.2. Các bộ phận và môi chất làm mát trong động cơ CA498 39 5.2.1. Két làm mát: 39 5.2.1.1. Công dụng và yêu cầu: 39 5.2.1.2. Kết cấu và nguyên lý làm việc: 39 5.2.2. Nắp két: 40 5.2.2.1. Công dụng và yêu cầu: 40 5.2.2.2. Kết cấu và nguyên lý làm việc: 41 5.2.3. Bơm nước: 42 5.2.3.1. Công dụng và yêu cầu: 42 5.2.3.2. Kết cấu và nguyên lý làm việc: 42 5.2.4. Van hằng nhiệt. 43 5.2.4.1. Công dụng và yêu cầu: 43 5.2.4.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động. 44 5.2.5. Quạt gió. 45 5.2.5.1. Công dụng và yêu cầu: 45 5.2.5.2. Kết cấu và nguyên lý làm việc: 45 5.3. Dung môi làm mát. 46 6. Các hư hỏng thường gặp và cách khắc phục sữa chữa hệ thống làm mát. 46 6.1. Các điều cần chú ý khi làm việc trên hệ thống làm mát. 46 6.2. Các hư hỏng và cách khắc phục sửa chữa. 47 6.2.1. Két làm mát: 47 6.2.2. Nắp két: 48 6.2.3. Bơm nước: 48 6.2.4. Van hằng nhiệt: 49 6.2.5. Quạt gió: 49 6.3. Các phương pháp kiểm tra hư hỏng hệ thống làm mát. 49 6.3.1. Kiểm tra và bổ sung nước làm mát: 49 6.3.2. Kiểm tra hiện tượng rò rỉ nước của hệ thống làm mát: 49 6.3.3. Kiểm tra hiện tượng tắc két nước: 51 6.3.4. Kiểm tra van hằng nhiệt: 51 6.3.5. Kiểm tra, điều chỉnh bộ truyền đai: 51 6.3.6.Thông rửa hệ thống làm mát: 52 6.4. Các phương pháp cấp, xả nước trong hệ thống làm mát. 53 6.4.1. Cấp nước làm mát: 53 6.4.2. Xả nước làm mát: 53 7. Tính kiểm tra nhiệt hệ thống làm mát của động cơ CA498 (Bằng chương trình VB 6.0) 53 7.1. Các đặc điểm và thông số kỹ thuật động cơ CA498 53 7.1.1. Giới thiệu về động cơ CA498. 53 7.1.2. Các thông số của động cơ CA498. 54 7.2. Cơ sở lý thuyết tính toán kiểm tra nhiệt hệ thống làm mát. 55 7.2.1. Các thông số của két nước, bơm nước và quạt gió. 55 7.2.2. Tính toán thông số kiểm tra két nước. 56 7.2.3. Xác định nhiệt lượng động cơ truyền cho nước làm mát. 58 7.2.4. Xác định lượng nhiệt két làm mát truyền ra môi trường. 60 7.2.5. Tính kiểm nghiệm quạt gió. 64 7.2.6. Tính kiểm nghiệm bơm nước. 67 7.3. Kết quả tính toán. 68 7.3. Kết quả tính toán. 69 8. Tính kiểm tra nhiệt hệ thống làm mát động cơ DAEWOO DE12TIS (Bằng chương trình VB 6.0) 70 8.1. Các đặc điểm thông số kỹ thuật của động cơ DAEWOO DE12TIS 70 8.1.1. Giới thiệu chung. 70 8.1.2. Các thông số kỹ thụât của động cơ DE12TIS 71 8.3.Kết quả tính toán. 73 9.Tính kiểm tra nhiệt hệ thống làm mát động cơ YC4G170-20 (Bằng chương trình VB 6.0) 74 9.1. Các đặc điểm thông số kỹ thuật của động cơ YC4G170-20 74 9.1.1. Giới thiệu chung. 74 9.1.2. Các thông số kỹ thụât của động cơ YC4G170-20 74 9.2. Các thông số của két nước, bơm nước và quạt gió. 75 9.3. Kết quả tính toán. 76 10. Thuật toán: 78 11.Kết luận. 79 1. Mục đích và ý nghĩa đề tài. Trong quá trình hoạt động của động cơ, nhiệt độ của buồng cháy tỏa ra rất lớn 2000÷2500
C. Với nhiệt độ như vậy nếu không làm mát hoặc làm mát không đủ sẽ gây ra nhiều tác hại như: Cháy xupáp, dầu nhờn biến chất, gây bó pisston và xecmăng trong xilanh, giảm hiệu suất và công suất của động cơ. Do vậy hệ thống làm mát động cơ là một trong các hệ thống để giải quyết những vấn đề đó. Mục đích của đề tài là: - Giúp cho sinh viên hiểu rõ về các phương án làm mát trong động cơ và vận dụng vào từng động cơ cụ thể. - Tính kiểm tra một số hệ thống làm mát động cơ: CA498, DE12TIS, YC4G170-20. Phương pháp kiểm tra sửa chữa hệ thống làm mát. - Vận dụng lý thuyết truyền nhiệt, tính toán kiểm tra nhiệt két làm mát theo các thông số thực tế và rút ra nhận xét. - Bằng lập trình Visual basic ta có thể tính toán nhanh các hệ thống làm mát trên các động cơ khác nhau. Với mục đích trên đề tài này có ý nghĩa không kém phần quan trọng đối với sinh viên ngành Cơ Khí Giao Thông chúng ta. Thông qua việc làm đồ án tốt nghiệp đã góp phần cho sinh viên củng cố lại các kiến thức đã được học và tập cho sinh viên cách nghiên cứu làm việc độc lập, tạo điều kiện thuận lợi cho công việc sau này của người kỹ sư tương lai. 2. Giới thiệu tổng quan visual basic 6.0 - Dùng VB6 là cách nhanh và tốt nhất để lập trình cho Microsoft Windows. Cho dù bạn là chuyên nghiệp hay mới mẻ đối với chương trình Windows, VB6 sẽ cung cấp cho bạn một bộ công cụ hoàn chỉnh để đơn giản. - Lợi điểm khi dùng Visual basic chính là chỗ tiết kiệm thời gian và công sức so với các ngôn ngữ lập trình khác khi xây dựng cùng một ứng dụng. - Visual basic gắn liền với lập trình trực quan, nghĩa là khi thiết kế chương trình, ta nhìn thấy ngay kết quả qua từng thao tác và giao diện khi chương trình thực hiện. - Visual basic cho phép ta chỉnh sữa đơn giản, nhanh chóng về màu sắc, kích thước, hình dáng của các đối tượng có mặt trong ứng dụng. 3. Lý thuyết truyền nhiệt. 3.1. Các định luật và phương trình cơ bản về dẫn nhiệt. 3.1.1. Định luật Fourier về dẫn nhiệt. Ta hãy khảo sát một vật thể đồng nhất, đẳng hướng có cấu tạo vật chất được xem là liên tục. Khi vật không ở trạng thái cân bằng nhiệt động, tức là khi mọi điểm trong vật có nhiệt độ không như nhau, thì trong vật thể xảy ra quá trình dẫn nhiệt. Tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ trong không gian của vật thể tạo một thời điểm nào đó được gọi là trường nhiệt độ. Một cách tổng quát, trường nhiệt độ là một hàm hai biến độc lập: véc tơ không gian
và thời gian
, t= f(
,
). Bề mặt nối tất cả các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ tại cùng một thời điểm được gọi là mặt đẳng nhiệt. Sự thay đổi nhiệt độ theo phương pháp tuyến
của các mặt đẳng nhiệt là lớn nhất:
Trên phương
lệch khỏi phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt một góc
(hình 3.1), sự thay đổi nhiệt độ được tính theo:
(3.1) Nếu ta đưa một cách hình thức hệ số
(
=1) vào công thức thì độ tăng nhiệt độ theo chiều
được tính bằng:
(3.2) Trong công thức (3.2)
là tích vô hướng của 2 véc tơ

và
nên khi sữ dụng biểu thức đồng nhất:
(3.3) Thì sự thay đổi nhiệt độ được viết dưới dạng đơn giản:
(3.4a) Véc tơ được định nghĩa theo (3.3) là gradient của trường nhiệt độ (gọi tắt là gradient nhiệt độ). Gradien nhiệt độ có chiều là chiều tăng nhiệt độ lớn nhất và giá trị tuyệt đối của nó bằng độ tăng nhiệt độ lớn nhất, do đó:
(3.4b) Mối quan hệ giữa véc tơ mật độ dòng nhiệt
và gradt được Fourier phát biểu:
(3.5) Hệ số dẫn nhiệt
,
trong công thức (3.5) là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, giá trị của nó phụ thuộc vào hai yếu tố: bản chất vật lí, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, hướng v.v… Sự phụ thuộc của
vào nhiệt độ, trong phần lớn các trường hợp có thể biễu diễn qua:
, [W/m.K] Trong đó
và
là hằng số xác định bằng thực nghiệm,
có thể lớn hơn, hay nhỏ hơn 0, tuỳ thuộc vào sự thay đổi của khả năng dẫn nhiệt theo nhiệt độ. Đối với không khí và các vật rắn không dẫn điện thì
(tức là
tăng khi nhiệt độ tăng), còn khả năng dẫn nhiệt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng,
, trừ nước grixerin. Dòng nhiệt truyền qua bề mặt dF có phương pháp tuyến n lệch khỏi phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt một góc
(hình 3.2) được tính qua tích vô hướng của hai véc tơ
và
:
(3.6) Vì :
,
=1, và -
nên:
(3.7) Lượng nhiệt truyền qua bề mặt F trong khoảng thời gian
được tính theo:
(3.8) 3.1.2. Phương trình vi phân dẫn nhiệt. Có nhiều phương pháp thiết lập phương trình vi phân dẫn nhiệt tổng quát, dưới đây sẽ trình bày một trong những cách thiết lập đó. Phương trình được thiết lập cho vật rắn đồng nhất, đẳng hướng, có tính chất vật lí không thay đổi theo nhiệt độ và trong quá trình khảo sát không xảy ra sự biến đổi trạng thái: - Theo định luật bảo toàn, nhiệt lượng sinh ra trong thể tích V của một vật trong một đơn vị thời gian Qv (nguồn nhiệt bên trong), một phần được tích lại để làm tăng nội năng của vật Qu, phần còn lại đựơc truyền ra ngoài môi trường bằng dẫn nhiệt
, tức là:
(3.9) - Nếu mật độ nguồn nhiệt bên trong là qv=qv(r,
) và diện tích mặt bao quanh là F thì (3.9) có thể triển khai thành:
(3.10) Trong đó: c: Nhiệt dung riêng.
: Khối lượng riêng. - Vì tích phân mặt có thể chuyển thành tích phân thể tích theo nguyên lí tích phân Gauss nên:
- Khi sữ dụng toán tử vi phân div gradt =
, phương trình (3.10) trở thành:
(3.11) - Quan hệ (3.11) không chỉ đúng đối với thể tích V mà còn đúng với cả phân tố thể tích dV của vật thể, do đó ta có thể bỏ dấu tích phân:
(3.12a) Hay:
(3.12b) Gọi : a =
: Hệ số khuếch tán nhiệt độ [W/m2]. - Phương trình (3.12b) trở thành:
(3.12c) - Phương trình vi phân đạo hàm riêng cấp hai tuyến tính, không đồng nhất (3.12c) được gọi là phương trình Fourier. - Nếu nhiệt độ trong vật thể không thay đổi theo thời gian (trường ổn định) phương trình Fourier trở thành phương trình Poisson:
(3.13) - Khi không có nguồn nhiệt bên trong, qv = 0, ta có phương trình Laplace:
(3.14) - Các phương trình trên đúng với mọi hệ toạ độ, sự khác nhau chỉ ở ý nghĩa của toán tử vi phân, cụ thể: + Đối với hệ toạ độ đề các:
+ Đối với hệ tạo độ trụ:

+ Đối với hệ toạ độ cầu:

3.1.3. Điều kiện đơn trị. Điều kiện đơn trị còn được gọi là điều kiện giới hạn, nhờ chúng ta có thể xác định được trường nhiệt độ trong vật thể một cách đơn trị. Ngoài các điều kiện hình học (cho biết hình dáng, kích thước của vật), điều kiện vật lí (cho biết tính chất vật lí của vật
, c,
cũng như mật độ phân bố nguồn nhiệt trong qv), điều kiện đơn trị bao gồm cả điều kiện đầu và điều kiện biên. * Điều kiện ban đầu: cho biết phân bố nhiệt độ trong vật tại thời điểm ban đầu,

* Điều kiện biên được chia làm ba loại: + Điều kiện biên loại 1: Cho trước nhiệt độ trên biên dưới dạng một hàm của toạ độ bề mặt và thời gian. Với S là bề mặt bao quanh vật thể, điều kiện này có thể viết dưới dạng:

(3.15) + Điều kiện biên loại 2: Cho biết dòng nhiệt truyền vuông góc với bề mặt biên
Kết hợp với định luật Fourier, điều kiện biên loại 2 có thể biểu diễn theo:
(3.16) + Điều kiện biên loại 3: Đặc trưng cho trường hợp khi bề mặt vật tiếp xúc trực tiếp với môi trường khác và qui luật truyền nhiệt giữa bề mặt với môi trường đã biết trước. Trường hợp phổ biến của điều kiện loại 3 là bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu với môi trường:
(3.17) Khi bề mặt trao đổi nhiệt bằng bức xạ với môi trường xung quanh, điều kiện biên cũng có thể viết dưới dạng (3.17) nhưng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu được thay thế bằng hệ số qui dẫn
Trường hợp đặc biệt của điều kiện biên loại 3 là điều kiện biên loại 4, hoặc điều kiện biên liên hợp, xảy ra khi bề mặt tiếp xúc trực tiếp với một vật rắn khác, tức là: t1n = t2n
(3.18) Nếu sự tiếp xúc giữa hai bề mặt không phải là lí tưởng thì phải tính tới nhiệt trở tiếp xúc R và (3.18) trở thành:
(3.19) 3.2. Trao đổi nhiệt đối lưu. 3.2.1. Khái niệm trao đổi nhiệt đối lưu . Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của các chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. Vì trong khối chất lỏng hoặc chất khí không thể tách khỏi những phần tử có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau, nghĩa là có sự dẫn nhiệt trong chất lỏng hoặc chất khí. 3.2.2. Hệ phương trình vi phân mô tả quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. 1) Phương trình năng lượng.
(3.20a) Phương trình này còn viết dưới dạng:
(3.20b) 2) Phương trình chuyển động. Phương trình chuyển động theo trục x:
(3.21) Phương trình chuyển động theo trục y:
(3.22) Phương trình chuyển động theo trục z:
(3.23a) Các phương trình này có thể viết dưới dạng:

(3.23b) 3) Phương trình liên tục.
(3.24a) Đối với chất lỏng không chịu nén,
= const, phương trình liên tục sẽ có dạng:
(3.24b) Phương trình liên tục còn viết dạng: div
= 0 (3.24c) 4) Điều kiện đơn trị. Điều kiện hình học: Đặc trưng cho hình dạng, kích thước bề mặt trao đổi nhiệt đối lưu. Điều kiện vật lí: Đặc trưng tính chất vật lí của môi trường xảy ra trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Điều kiện thời gian: Đặc trưng cho đặc tính của quá trình xảy ra theo thời gian. Điều kiện biên: Đặc trưng cho đặc tính của quá trình xảy ra trên bề mặt vật thể. Đối với trao đổi nhiệt đối lưu, điều kiện biên được miêu tả bằng phương trình sau:
(3.25) 3.2.3. Lý thuyết đồng dạng và các tiêu chuẩn đồng dạng. 3.2.3.1. Lý thuyết đồng dạng. Định lí 1: Hai hiện tượng đồng dạng với nhau thì các tiêu chuẩn đồng dạng cùng tên có giá trị bằng nhau. Định lí 2: Nếu hai hiện tượng vật lí được miêu tả bằng hệ phương trình vi phân thì luôn luôn có thể miêu tả các hiện tượng vật lí đó dưới dạng phương trình tiêu chuẩn. Hay tích phân của phương trình (hay hệ phương trình vi phân) có thể biểu diễn bằng hàm của các tiêu chuẩn đồng dạng của các phương trình vi phân. Định lí 3: Các hiện tượng có điều kiện đơn trị đồng dạng và các tiêu chuẩn rút ra từ các điều kiện đơn trị có giá trị bằng nhau từng đôi một thì đồng dạng với nhau. 3.2.3.2. Các tiêu chuẩn đồng dạng. Tiêu chuẩn Nusselt:
(3.26) Trong đó:
: Hệ số toả nhiệt [W/m2.độ] l : Chiều dài ống [m]
: Hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ] Tiêu chuẩn Hoffman:
(3.27) Trong đó:
: Tốc độ dòng chảy trong ống [m/s] l : Chiều dài ống [m] Tiêu chuẩn Fruit:
(3.28) Trong đó: g: Gia tốc trọng trường [m/s2] Tiêu chuẩn Euler:
(3.29) Trong đó:
: Khối lượng riêng chất lỏng chảy trong ống [kG/m3] Tiêu chuẩn Reynolds:
(3.30) Trong đó:
: độ nhớt động học[m2/s] Tiêu chuẩn Fourier:
(3.31) Trong đó: a =
: Hệ số dẫn nhiệt độ Tiêu chuẩn Peclet:
(3.32) Tiêu chuẩn Prandtl:
(3.33) Tiêu chuẩn Galilei:
(3.34) Tiêu chuẩn Archimedes:
(3.35) Tiêu chuẩn Grashof:
(3.36) Trong đó:
: Độ chênh lệch nhiệt độ 3.2.4. Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Khi: Re<2300 : Chảy tầng. Re>104 : Chảy rối 2300<Re<104: Chảy quá độ. 1) Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chảy tầng trong ống.
(3.37) 2) Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chảy rối trong ống.
(3.38) Đối với chất khí:
3) Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chảy quá độ trong ống.
(3.39) 3.3. Truyền nhiệt qua vách có cánh. Giả sử có một vách có cánh làm bằng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt (, vách dày (, phía vách phẳng có diện tích F1 tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ tf1, hệ số tỏa nhiệt từ môi trường đến bề mặt phẳng là (1. Phía làm cánh có diện tích F2 tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ tf2, hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt có cánh vào môi trường là (2. Gọi tw1 là nhiệt độ bề mặt không có cánh, tw2 là nhiệt độ trung bình của phía làm cánh. Cần xác định dòng nhiệt truyền qua vách có cánh, dòng nhiệt này có thể dùng 3 phương trình sau để biểu thị: Q = α1.F1.(tf1 - t w1), [J/s ] (3.40) Q =
.F1.(t w1 - t w2) , [J/s ] (3.41) Q = α2.F2.(t w2 - t f2), [J/s ] (3.42) Giải các phương trình trên ta xác định được Q, t w1, t w2:
(3.43)
(3.44)
(3.45) Do đó: Q =
, [W] (3.46) Ký hiệu:
(3.47) là hệ số truyền nhiệt của vách có cánh. Khi đó: Q = kc.(tf1 – tf2), [W] (3.48) Biết Q ta có thể xác định tw1, tw2:

Mật độ dòng nhiệt phía không làm cánh q1 và ở phía làm cánh q2 được xác định theo các công thức sau:
,
(3.49)
,
(3.50) Khi đó:

Trong đó:
gọi là hệ số cánh. Việc làm cánh là nhằm mục đích tăng cường sự truyền nhiệt. Để thấy rõ hiệu quả của việc làm cánh, ta chỉ cần so sánh mật độ dòng nhiệt truyền qua bề mặt phẳng trong trường hợp vách không có cánh và vách có cánh. Khi vách không làm cánh, mật độ dòng nhiệt được xác định theo công thức tính đối với vách phẳng:
Khi làm cánh:
Vì
, do đó q1 > q10. Khi làm cánh, người ta sẽ bố trí cánh ở phía có hệ số tỏa nhiệt nhỏ và cánh bố trí sao cho không cản trở đến sự chuyển động của môi trường trao đổi nhiệt. 4. Giới thiệu chung về hệ thống làm mát. Khi động cơ hoạt động, hỗn hợp nhiên liệu (nhiên liệu và không khí) cháy trong buồng đốt của động cơ tỏa ra với một nhiệt độ lớn khoảng 2000÷2500
C, một phần chuyển thành công, phần còn lại tỏa ra môi trường bên ngoài qua các chi tiết tiếp xúc với khí cháy tiếp nhận (xilanh, pisston, nắp xilanh, các xupáp, vòi phun, xecmăng...), mặt khác cũng có nhiệt lượng sinh ra do ma sát giữa các bề mặt làm việc của các chi tiết trong động cơ. Nếu không làm mát động cơ hay làm mát không đủ, các chi tiết của động cơ sẽ nóng lên quá nhiệt độ cho phép, sẽ gây ra nhiều tác hại như: Cháy xupáp, dầu nhớt mất hết tính chất nhờn gây nóng cháy bạc lót, bó pisston và xecmăng trong xilanh… Bởi vậy, cần làm mát động cơ bằng các phương pháp sau: Bằng không khí hay bằng nước (chất lỏng) để duy trì nhiệt độ khoảng 80÷90
C để cho động cơ hoạt động làm việc một cách ổn định. 4.1. Hệ thống làm mát bằng nước. Trong hệ thống làm mát bằng nước được chia ra ba kiểu như: làm mát bằng nước kiểu bốc hơi, kiểu đối lưu tự nhiên, kiểu cưỡng bức. Căn cứ vào số vòng tuần hoàn và kiểu tuần hoàn, người ta chia hệ thống làm mát thành các loại: Một vòng tuần hoàn kín, một vòng tuần hoàn hở, hai vòng tuần hoàn (trong đó có một vòng kín một vòng hở). Mỗi kiểu làm mát đều có những ưu nhược điểm khác nhau và thích hợp cho từng điều kiện làm việc của từng động cơ. 4.1.1. Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi: Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi là loại đơn giản nhất. Hệ thống này không cần bơm, quạt. Bộ phận chứa nước có hai phần: phần khoang chứa nước làm mát của thân máy và phần thùng chứa nước bay hơi lắp với thân. Sơ đồ kết cấu:
Hình 4.1. Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi. 1-Xupáp, 2- Khoang chứa nước bốc hơi, 3- Thùng nhiên liệu, 4- Que thăm dầu, 5- Hộp cacte chứa dầu, 6- Thanh truyền ,7- Xy lanh, 8-Piston, 9- Thân máy, 10- Nắp xilanh. - Nguyên lý làm việc:
Khi động cơ làm việc, tại những vùng nước bao bọc chung quanh buồng cháy nhận nhiệt của buồng cháy sẽ sôi tạo thành bọt nước. Nước sôi có tỷ trọng bé sẽ nổi lên mặt thoáng của thùng chứa để bốc hơi ra ngoài khí trời. Nước nguội trong thùng chứa có tỉ trọng lớn nên có xu hướng đi xuống dưới điền chỗ cho nước nóng nổi lên, do đó tạo thành dòng đối lưu tự nhiên. + Ưu điểm của hệ thống làm mát kiểu bốc hơi - Kết cấu đơn giản. - Do đặc tính lưu động đối lưu như đã nói ở trên nên hay dùng cho loại động cơ đặt nằm dùng trong nông nghiệp. + Nhược điểm của hệ thống này là do kiểu làm mát bốc hơi tự nhiên nên nguồn nước trong thùng giảm nhanh làm cho tiêu hao nước nhiều và hao mòn thành xylanh không đều. 4.1.2. Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên: Trong hệ thống làm mát kiểu này, nước lưu động tuần hoàn nhờ sự chênh lệch áp lực giữa hai cột nước nóng và nguội mà không cần bơm. Cột nước nóng trong động cơ và cột nước nguội trong thùng chứa hoặc trong két nước. - Sơ đồ nguyên lý của hệ thống :
Hình 4.2: Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên. 1- Thân máy, 2- Xilanh, 3- Piston, 4- Nắp xilanh, 5- Đường nước ra két, 6- Nắp két, 7- Két nước, 8- Không khí làm mát, 9- Quạt gió, 10- Đường nước đi vào làm mát động cơ. - Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm việc, nhiệt độ từ buồng cháy tỏa ra làm cho nước nóng dần lên. Nước nóng có khối lượng riêng nhỏ nên nổi lên trên và đi ra ngoài qua két làm mát. Tại đây nước nóng được làm mát nhờ quạt (9) dẫn động bằng puly từ trục khuỷu của động cơ hút không khí qua để tản nhiệt cho nước. Nước sau khi tản nhiệt nên khối lượng riêng tăng và đi xuống phía dưới két sau đó đi vào làm mát cho động cơ tạo thành một vòng tuần hoàn kín. Độ chênh áp lực được tính theo công thức sau: Δp=ρ.g.h.α.Δt. [N/m
] ρ - khối lượng riêng của nước [kg/m
]. h - hiệu chiều cao trung bình của hai cột nước nóng và lạnh [m], α - hệ số giản nỡ của nước 0,00018,[m
/m
. độ] Δt - độ chênh lệch nhiệt độ của hai cột nước nóng và lạnh. Như vậy, từ công thức ta thấy độ chênh áp lực phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ Δt của hai cột nước. Do vậy với hệ thống mát này có những ưu điểm là chế độ làm mát phù hợp với chế độ không tải của động cơ. Khi mới khởi động do sự chênh lệch nhiệt độ của hai cột nước nóng và nguội bé nên chênh lệch áp lực giữa hai cột nước nhỏ. Vì vậy, nước lưu động chậm, động cơ chóng đạt được nhiệt độ ở chế độ làm việc. Tuy nhiên, hệ thống có nhược điểm là nước lưu động trong hệ thống có vận tốc bé vào khoảng V = 0,12(0,19 m/s. Điều đó dẫn đến chênh lệch nhiệt độ nước vào và nước ra lớn, vì vậy mà thành xilanh làm mát không đều. Muốn giảm chênh lệch nhiệt độ nước vào và nước ra của động cơ thì phải tăng kích thước thùng chứa nhưng làm như vậy kết cấu cồng kềnh. Do vậy, hệ thống làm mát kiểu này không thích hợp cho động cơ ô tô máy kéo, mà dùng trên động cơ tĩnh tại. 4.1.3. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức: Do tốc độ lưu động của nước trong hệ thống tuần hoàn đối lưu tự nhiên bé. Vì vậy để tăng tốc độ lưu động của nước người ta dùng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức. Trong hệ thống này, nước lưu động do sức đẩy cột nước của bơm nước tạo ra. Tùy theo số vòng tuần hoàn và kiểu tuần hoàn ta có các loại tuần hoàn cưỡng bức như: hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín, kiểu cưỡng bức một vòng hở, kiểu cưỡng bức hai vòng tuần hoàn. Mỗi kiểu làm mát có những nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, phạm vi sử dụng khác nhau. 4.1.3.1. Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng: - Sơ đồ nguyên lý của hệ thống:
Hình 4.3. Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn kín một vòng. 1- Thân máy, 2- Nắp xilanh, 3- Đường nước ra khỏi động cơ, 4- Ống dẫn bọt nước, 5- Nhiệt kế, 6-Van hằng nhiệt, 7- Nắp rót nước, 8- Két làm mát, 9- Quạt gió, 10- Puly, 11- Ống nước nối tắt vào bơm, 12- Đường nước vào động cơ, 13- Bơm nước, 14- Két làm mát dầu, 15- Ống phân phối nước. - Nguyên lý làm việc. Khi động cơ làm việc, nước trong hệ thống tuần hoàn nhờ bơm ly tâm (13), qua ống phân phối nước (15) đi vào các khoang chứa của các xilanh. Để phân phối nước làm mát đồng đều cho mỗi xilanh, nước sau khi bơm vào thân máy (1) chảy qua ống phân phối (15) đúc sẵn trong thân máy. Sau khi làm mát xilanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường ống (3) ra khỏi động cơ đến van hằng nhiệt (6). Nước từ van hằng nhiệt được chia ra hai dòng: một dòng đi qua ống (11) tuần hoàn trở lại động cơ, một dòng đi qua két (7) để tản nhiệt . Nếu nhiệt độ của nước làm mát nhỏ hơn nhiệt độ cho phép thì van hằng nhiệt đóng lại không cho đi qua két mà theo đường tắc để đi vào làm mát động cơ. Nếu nhiệt độ của nước lớn hơn nhiệt độ cho phép thì van hằng nhiệt mở cho nước đi qua két. Tại đây, nước được làm mát bởi dòng không khí qua két do quạt (8) tạo ra. Quạt được dẫn động bằng puly từ trục khuỷu của động cơ. Tại bình chứa phía dưới, nước có nhiệt độ thấp hơn lại được bơm nước hút vào rồi đẩy vào động cơ thực hiện một chu kỳ làm mát tuần hoàn.