BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ S55B30T0 CỦA BMW M4 GTS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI H

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ĐỀ TÀI
HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ S55B30T0 CỦA BMW M4 GTS

LỚP: L02; NHÓM 09; HK201

GVHD: HỒ PHI LONG

NGHIÊM PHAN THIỆN QUÂN SINH


Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa Kĩ Thuật Giao Thông

MỤC LỤC
Mở đầu.................................................................................................................. 2
1. Giới thiệu về động cơ S55B30T0...................................................................... 3
2. Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0.............................................................. 4
2.1. Tổng quan.................................................................................................. 4
2.2. Hệ thống làm mát cho động cơ (Engine cooling)....................................... 5
2.2.1 Nguyên lý hoạt động............................................................................ 8
2.2.2. Đường nước làm mát nắp máy.......................................................... 13
2.2.3. Làm mát phận tăng áp (turbochargers).............................................. 13
2.3. Hệ thống làm mát khí nạp........................................................................ 15
3. Công nghệ water injection............................................................................... 19
3.1. Nguyên lý hoạt động................................................................................ 19
3.2. Ứng dụng trên BMW M4 GTS................................................................. 19

3.3. Tính an toàn.............................................................................................. 21
Tài liệu tham khảo............................................................................................... 22

Bài tập lớn Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong – 2020-2021

Trang 1/22


Mở đầu
Động cơ đốt trong (IC) tỏa nhiều nhiệt khi hoạt động. Để ngăn động cơ bị động
cơ, cần phải loại bỏ nhiệt. Công việc của hệ thống nước làm mát không phải là liên tục
làm mát động cơ, công việc của hệ thống nước làm mát là điều hòa nhiệt độ động cơ
nhằm duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu. Từ đó tối ưu hóa cơng suất động cơ và đảm
bảo an toàn cho các chi tiết.


1. Giới thiệu về động cơ S55B30T0

H1 Động cơ S55B30T0
Một số thông số cơ bản:
Config/No of cyls/valves
Engine technology

Effective capacity
Stroke/bore
Compression ratio
Fuel
Max output
Max torque

In-line/6/4
M TwinPower Turbo: two MonoScroll turbochargers;
High Precision Injection; VALVETRONIC fully variable
valve control; Double-VANOS variable camshaft timing;
Water injection
2979 cc
89.6/84.0 mm
10.2:1
min. RON 95
368/500 kW/hp at 6250 rpm
600/442 Nm/lb-ft at 4000-5500 rpm


2. Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0
2.1. Tổng quan
Hệ thống làm mát S55B30T0 bao gồm bộ làm mát cho động cơ; bộ làm mát khí
nạp; làm mát dầu bơi trơn.

H2.1 Hệ thống làm mát động cơ S55B30T0
1. Két nước đầu dịng khí nạp; 2. Két nước động cơ; 3. Két nước chính khí nạp;
4. Bộ làm mát khí nạp; 5,6. Bình nước; 7. Bộ điều nhiệt; 8. Két nước phụ động cơ;
9. Tản nhiệt dầu bôi trơn; 10. Tản nhiệt dầu hộp số


H2.2 Sơ đồ tổng quan hệ thống làm mát
1. Két nước chính khí nạp; 2. Két nước đầu dịng khí nạp; 3. Két nước động cơ;
4,8,11. Bơm điện; 5, 14. Bình nước; 6. Van hằng nhiệt; 7. Máy bơm; 9. Turbochargers
10. Thiết bị chuyển đổi nhiệt; 12. Cảm biến nhiệt; 13. Bộ làm mát khí nạp; 15.
Quạt điện; 16. Két nước phụ động cơ
Sơ đồ trên được chia ra 3 phần:

- Làm mát động cơ (engine cooling);
- Làm mát bộ tăng áp turbochargers;
- Làm mát khí nạp.


2.2. Hệ thống làm mát cho động cơ (Engine cooling)

H2.3 Bộ phận làm mát động cơ
1. Két nước phụ động cơ; 2. Két nước động cơ; 3. Bình nước; 4. Bơm nước;
5. Van hằng nhiệt; 6. Turbochargers; 7. Thiết bị trao đổi nhiệt; 8. Bơm điện của
turbochargers; 9. Bơm điện của thiết bị trao đổi nhiệt

H2.4 Quạt điện làm mát


H2.5 Két nước động cơ

H2.6 Puli dẫn động bơm nước (số 9)


H2.7 Bơm nước
1. Cánh bơm; 2. Mặt ghép puli; 3. Vị trí đặt van hằng nhiệt; 4. Ron

H2.8 Đường nước từ bơm vào động cơ

2.2.1 Nguyên lý hoạt động
Khi động cơ ở nhiệt độ dưới ngưỡng 80℃ (hình H2.9):
- Lúc này van hằng nhiệt 6 chưa giãn nở, máy bơm 7 hút nước từ hộp 14, đi qua
áo nước quanh xylanh nên nhiệt độ tăng dần. Dòng chu chuyển của nước được đi theo
sơ đồ sau (mũi tên xanh)

H2.9 Dòng chu chuyển của nước
-

Nước đi theo vòng tuần hoàn như trên cho đến khi nhiệt độ tăng đến khoảng

80℃.
Khi động cơ ở nhiệt độ qua ngưỡng 80℃ (hình H2.10):
- Van hằng nhiệt 6 đóng đường nước nóng, nước sẽ đi qua két nước 3, quạt điện
15 hoạt động hút nhiệt từ két nước 3, đường nước nóng cũng đi qua két nước phụ 16;
- Nước sau khi được làm mát sẽ quay về lại đầu mát van hằng nhiệt và tiếp tục
chu trình mới;
- Ngồi ra, đường nước nóng có thể đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 10 bởi bơm điện
11 khi người trên xe có nhu cầu sưởi ấm. Thiết bị trao đổi nhiệt 10 truyền nhiệt vào
trong cabin nên mơi chất làm nóng có nhiệt độ giảm rồi lại đi về máy bơm 7.


H2.10 Dòng chu chuyển của nước

H2.11 Đường áo nước (số 2)


H2.12 Đường áo nước xylanh
*Van hằng nhiệt

H2.13 Cấu tạo van hằng nhiệt


Cấu tạo van dùng wax: bao gồm một thanh truyền, một số lị xo, van sơ cấp (van

chính), van thứ cấp (van rẽ nhánh) và xi lanh nạp. Xylanh nạp chứa đầy sáp có nhiệt
độ nóng chảy dưới ngưỡng khoảng 80℃. Khi nước làm mát vượt quá ngưỡng 80℃,
sáp sẽ tan chảy và trở thành chất lỏng. Sáp lỏng có thể tích lớn hơn so với khi sáp ở
trạng thái rắn. Một thanh cắm vào xylanh nạp bị đẩy ra khỏi xylanh do chất sáp nở ra.
Thanh đẩy van bypass tuyến tính ra khỏi thân bộ điều nhiệt và do đó đóng van bypass.
Đồng thời, van chính được mở và nước làm mát được đưa đến bộ tản nhiệt.

H2.14a Khi van đóng

H2.14b Khi van mở


2.2.2. Đường nước làm mát nắp máy
Đường nước này không những làm mát cả cả 2 xupap mà còn làm mát cả đầu
phun nhiên liệu được biểu diễn qua hình H2.15.

H2.15 Bộ phận làm mát nắp máy
1.Lỗ xupap nạp; 2. Lỗ đầu phun nhiên liệu; 3. Lỗ xupap thải; 4. Đầu nối ống
giải nhiệt với van hằng nhiệt; 5. Đầu nối ống giải nhiệt với két nước
2.3. Làm mát bộ phận tăng áp (turbochargers)

H2.16 Minh họa bộ phận tăng áp


H2.17 Sơ đồ làm mát bộ tăng áp
8. Bơm điện; 9. Turbochargers
Bơm điện phụ 8 không chỉ vận hành lúc động cơ đang vận hành mà còn cả lúc tắt
động cơ, phụ thuộc vào yếu tố sau:
- Nhiệt độ nước làm mát ở ống xả;
- Nhiệt độ dầu bôi trơn;

- Lượng nhiên liệu đã nạp.
Dựa vào thơng số trên thì nhiệt độ của động cơ sẽ được tính tốn. Bơm điện có
thế sẽ ngắt sau khoảng 30 phút. Để cải thiện khả năng làm mát, quạt điện sẽ vẫn còn
chạy cho đến khi tắt động cơ sau khoảng 11 phút.


H2.18 Nối đường nước làm mát với ống xả (số 12 và số
7)
2.4. Hệ thống làm mát khí nạp
Trong suốt q trình nạp, khí nạp được làm mát bởi thơng qua bộ làm mát khí
nạp 13 và dịng chu chuyển nước làm mát có nhiệt độ thấp. Nước được giải nhiệt bởi
khơng khí thơng qua 2 két nước 1 và 2.

H2.19 Sơ đồ làm mát khí nạp
1. Két nước chính khí nạp; 2. Két nước đầu dịng khí nạp; 4. Bơm điện;
5. Bình nước; 13. Bộ làm mát khí nạp


H2.20 Bộ phận làm mát khí nạp
1. Bộ làm mát khí nạp; 2. Bình nước; 3. Két nước chính khí nạp;
4. Bơm điện; 5. Két nước đầu dịng khí nạp
Nước nóng được bơm 4 hút từ bộ làm mát khí nạp 1 vào két nước phụ và két
nước chính, nước được giải nhiệt chảy vào trong bộ làm mát khí nạp rồi tiếp tục chu
trình tiếp theo.
Két nước chính khí nạp thuộc loại Double pass upstream
- Double pass: sẽ có đầu vào và đầu
ra ở cùng một phía. Điều này làm cho
nước sẽ chảy qua két nước hai lần trên
đường dẫn của nó trở lại động cơ. Những
bộ tản nhiệt này sẽ hoạt động tốt trong cả

các ứng dụng đường phố và đường đua;
tuy nhiên, một máy bơm nước công suất
lớn là một
điều cần thiết. Vì đầu vào sẽ ở phía đối diện, bạn có thể phải chuyển hướng ống tản
nhiệt phía trên và có thể thực hiện điều này bằng cổ nước xoay hoặc bằng cách thay
đổi hoàn toàn ống.


- Upstream: thay vì đường nóng vào phía
trên, đường lạnh ra phía dưới, áp dụng ngun tắc
dối lưu thì upstream đường nóng sẽ vào phía dưới,
đường mát ra phia trên, điều này đảm bảo việc
trong két nước ln có nước, từ đó tăng hiệu quả
tản nhiệt; tuy nhiên, để làm được điều này phải địi
hỏi một bơm với cơng suất cao, bên cạnh việc két
nước không quá to.

H2.21 Két nước phụ (upstream low temperature)


H2.22 Dịng khí nạp được làm mát
8. Bộ làm mát khí nạp; A. Khơng khí; B. Khí sạch;
C. Khí nóng; D. Khí được làm mát


3. Công nghệ water injection
Nhiệt độ khi vận hành là một vấn đề được quan tâm hang đầu với động cơ đốt
trong, để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt một lượng nhiên liệu sẽ được phun them vào
buồng đốt để làm mát xylanh mà khơng được đốt cháy hồn tồn. Để giảm thiểu sự
tiêu hao nhiên liệu này, tập đoàn BOSCH đã phát triển công nghệ làm mát water

injection (2016).
3.1. Nguyên lý hoạt động
Trước khi nhiên liệu được kích nổ, một lượng nước được đưa vào dưới dạng
phun mịn vào họng khí nạp, gặp nhiệt độ cao, nước sẽ hóa hơi và hấp thu một lượng
lớn nhiệt lượng xung quanh.
Lợi ích của công nghệ:
- Làm giảm nhiệt độ nén cuối cùng trong buồng đốt, cũng làm giảm nguy cơ kích
nổ;
- Nhiệt độ được hạ thấp, động co xăng sẽ đạt được tỉ số nén cao hơn;
- Thời điểm đánh lửa diễn ra sớm hơn làm giảm nguy cơ gõ máy và nhiên liệu đốt
cháy triệt để hơn;
- Công suất được tăng them trong khi tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải CO2
giảm;
- Mặc dù có thêm cơng suất đầu ra, nhưng ứng suất nhiệt trên tất cả các thành
phần liên quan đến hiệu suất được giảm bớt;
- Bên cạnh đó, water injection cịn giúp tăng tuổi thọ và độ bền các chi làm việc
trong điều kiện nhiệt độ cao (piston, van xả, xylanh).
3.2. Ứng dụng trên BMW M4 GTS
BMW M4 GTS là chiếc xe thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ water injection:
- Gồm 3 kim phin nằm trong cổ góp khí nạp cung cấp cho 6 xylanh của động cơ;


- Sau khi qua bộ tăng áp (turbo charged) nhiệt độ luồng khí khoảng 160℃ , sau
khi qua bộ làm mát Intercooler, nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 70℃ , khi nước
được phun vào cổ góp khí nạp thì nhiệt độ khí nạp cịn khoảng 25℃;
- Nhiệt độ thấp giúp làm cho nồng độ Oxi trong buồng đốt cao hơn đồng thời cho
phép áp suất nén tăng từ 17,2 lên 21,6 psi kết quả là công suất M4 GTS cao hơn 50 HP
so vói M4 Competition;
- Hệ thống water injection chi tốn vai ml nước cho mỗi km vận hành. Vậy nên
chỉ cần nạp lại sao khoảng 3000km (phụ thuộc vào cường độ vận hành).

H3 Phun nước vào đường khí nạp

H4 Kim phun nước


3.3. Tính an tồn
Về mặt an tồn, hệ thống phun nước BMW M được trang bị hệ thống tự chẩn
đoán tinh vi. Nếu két nước bị cạn hoặc trong trường hợp hệ thống bị trục trặc, các biện
pháp thích hợp được thực hiện để bảo vệ động cơ. Áp suất tăng giảm và thời gian đánh
tia lửa bị chậm lại, cho phép động cơ tiếp tục hoạt động an toàn ở mức công suất giảm.
Ngay cả khi mọi thứ đang hoạt động bình thường, nhiều biện pháp phịng ngừa được
thực hiện để giữ cho hệ thống hoạt động đầy đủ. Mỗi khi động cơ tắt, tất cả nước trong
hệ thống ống được xả vào bình chứa để ngăn các bộ phận của hệ thống đóng băng ở
nhiệt độ dưới 0℃. Két nước cũng có khả năng chống sương giá.


Tài liệu tham khảo
[1] Technical tranining. Production information. S55 Engine. Trích từ
/>[2] Car & Performance TV. BMW M4 GTS | Water Injection SYSTEM. Trích từ
/>%3ACar%26Performance
[3] 5 Litres of water for 500 horses. Trích

từ -

m.com/en/topics/magazine-article-pool/5-litres-of-water-for-500-horses.html