Báo cáo khoa học: "tự động điều chỉnh hệ thống làm mát của động cơ ôtô" pdf

tự động điều chỉnh hệ thống lm mát
của động cơ ôtô

TS. nguyễn duy tiến
Bộ môn Động cơ đốt trong
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Bi báo trình by kết cấu v tính toán kiểm tra khớp đóng ngắt tự động quạt gió
(bằng điện) của các ô tô đời mới nhằm phân tích tính u việt của khớp v kiểm tra khi khai thác
chúng ở Việt nam.
Summary: The acticle presents the design and calculation of an electromaznetic clutch of
the fan of the engine automobiles to analyze the optimum of the clutch and inspect them when
being exploited in Vietnam.
i. đặt vấn đề
Chúng ta biết rằng nhiệt do cháy nhiên
liệu trong động cơ sinh ra trong xi lanh một
phần đáng kể truyền ra nớc làm mát. Vì vậy
động cơ phải tiêu tốn một phần công suất có
ích để truyền động bơm nớc, quạt gió để làm
mát động cơ.
Việc tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió
có một ý nghĩa rất lớn tới chế độ nhiệt của
nớc, dầu nhờn và tốc độ hao mòn động cơ.
Đặc biệt là tiết kiệm công suất động cơ, những
trờng hợp khác cần thiết có thể tắt quạt một
cách tự động để giảm ồn, giảm mài mòn nâng
cao hiệu suất có ích.
ii. Các phơng pháp điều khiển quạt
gió của hệ thống lm mát
Từ trớc đến nay trên động cơ thờng điều

khiển quạt gió bằng các phơng pháp sau:
1. khớp thuỷ lực
2. khớp ma sát (điện thuỷ lực cơ khí)
3. khớp nối điện từ.
Việc sử dụng phơng pháp nào là tuỳ thuộc
vào nền công nghiệp chế tạo động cơ ở nớc đó
Với trình độ phát triển của công nghiệp ô
tô thế giới, hiện nay các liên doanh lắp ráp ô
tô ở Việt nam đã dùng kỹ thuật hiện đại áp
dụng vào động cơ. Hệ thống nhiên liệu sử
dụng hệ thống phun xăng điện tử (EFI) hoặc
Cacbuaratơ hồi tiếp điện tử. Vì vậy hệ thống
làm mát cũng đợc tự động điều chỉnh theo
chế độ nhiệt của động cơ.
III. Khớp nối điện từ (dẫn động quạt gió)
3.1. Mô tả kết cấu
1
2
3
4
5
6

1. Puli
2. ổ bi
3. Đĩa chủ động
4. Lò xo
5. Đĩa ép
6. Nam châm điện
Hình 1. Mặt cắt khớp ly hợp điện từ điều khiển quạt

3.2. Tính kiểm tra khớp nối điện từ
Đối với động cơ thông thờng khi tính
toán ta thờng lấy công suất dẫn động quạt
gió vào khoảng 6% công suất động cơ.
Thí dụ tính cho động cơ xe con 4 chỗ của
Hàn Quốc đang lắp ráp tại Việt Nam sử dụng
khớp nối điện từ với công suất 44kW/5000v/p
thì công suất truyền động quạt là: P
v
= 2.6kW:
Tính kiểm tra mô men quay quạt gió với
số vòng quay n
e
= 5000 v/p:
)Nm(5
5000.14,3
30.2600
n.
30.PP
M
vv
k
==

=

=

Tính toán lực ma sát F

t
khi cánh tay đòn
r = 0.03 m:
)N(167
03,0
5
r
M
F
k
t
===

Tính toán lực tiêu chuẩn khi hệ số ma
sát của thép với thép là f = 0.15:
'
n
F
)N(1114
15,0
167
f
F
F
n
'
n
===

Khi lực ép tăng hệ số dự trữ = 1,8:

)N(20058,1.1114.FFn
'
n
===
Theo [1] William Crous tính tổng số vòng
dây và dòng điện đi qua cuộn dây:
300
10.500.10.4
10.15.0.4.2005
.S
X.4.F
IN
)NI.(
X.4
S
.F
67
62
0
2
x
2
0x
=

=
=

0
: Độ từ thẩm của không khí (chân
không) 4.10P
-7
W/m
S: tiết diện khe hở (500 mm
2
)
X: độ lớn khe hở không khí (0,15mm
2
)
I: cờng độ dòng điện (A)
N: tổng số vòng dây
Tính dòng điện yêu cầu khi điện áp
U = 12 V chọn điện trở R = 8:

)A(5,1
8
12
R
U
I ===
Tính toán số vòng dây N khi cho dòng
không vợt quá 1,5A I = 1.5 A:
IN = 300 vậy
200
5,1
300
N ==

(vòng)
Tính toán chiều dài dây dẫn:
L = .d.n = 3,14.0,075.200 = 45 m
d: đờng kính của cuộn dây = 70 mm.
Tính toán tiết diện dây dẫn:

)mm(15,0
8
027,0.45
R
.L
S
2
==

=

)mm(4,0
S.4
d
4
d.
S
2
=

=

=
: độ dẫn điện riêng.

R = 8 ()
Công suất tiêu thụ trên cuộn dây:
P = U.I = 12.1,5 = 18 (W)
Hình 2. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc công suất quạt
gió vo tốc độ quay của động cơ
Bảng 1. So sánh các thông số tính toán lý
thuyết v thực tế của khớp nối
Lý thuyết Thông số thực tế
N = 200 N = 400
R = 8 R = 10
d = 0,4 mm d = 0,3 mm
n (v/p)
10
8
6
4
2
0
1000
2000
n
(
min
-1
)

P
(
kW
)

iv. Tính toán thử nghiệm tác động
vo bộ điều khiển ECU thay đổi tốc
độ quạt có khớp nối điện từ
rTHW
THW
E
5V V
C
ECU
Cảm
biến
nớc
làm mát
THW
E2
R411
E21
R404
THW
R
b
Trong các loại động cơ ô tô hiện đại có
sử dụng bộ điều khiển động cơ bằng điện tử
ECU. Trong xi lanh động cơ có bố trí một cảm
biến nhiệt độ nớc làm mát (CTS) Themistor .
Cảm biến nhiệt độ nớc làm mát (CTS)
Thermistor là một nhiệt điện trở, nó báo
thờng xuyên nhiệt độ của dung dịch làm mát
động cơ về ECU dới dạng các tín hiệu điện

áp thay đổi. Nếu nhiệt độ nớc làm mát thấp,
ECU phát tín hiệu điều khiển hệ thống định
lợng nhiên liệu cung cấp thêm nhiên liệu để
động cơ có thể làm việc ở tình trạng lạnh.
ECU cũng có thể thay đổi thời điểm đánh lửa
để thích hợp với nhiệt độ động cơ. Hầu hết
các động cơ đặt ngang dùng một quạt điện để
làm mát động cơ. Khi động cơ lạnh, sự làm
mát không cần thiết, quạt ngừng. Khi động cơ
nóng quạt hoạt động, ECU điều khiển việc
đóng mở quạt điện thông qua tín hiệu nhận từ
cảm biến nhiệt độ nớc làm mát.
Dới đây là sơ đồ mạch cảm biến nhiệt
độ nớc làm mát trích ra từ ECU.
rTHW
THW
ECU
Cảm
biến
nớc
làm mát
THW
E2
E
R404
THW
E21
R411
5V V
C

Hình 3. Mạch cảm biến nhiệt độ nớc lm mát
4.1. Hiệu chỉnh mạch bằng cách mắc
nối tiếp biến trở R
b
với cực THW từ cảm
biến đến ECU
Trong điều kiện khai thác ở Việt Nam
nóng ẩm các linh kiện trong bộ ECU bị lão
hoá dẫn đến sai lệch các thông số của linh
kiện. Vì vậy ta chọn phơng pháp tác động
vào mạch của ECU.
Hình 4. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh mạch cảm biến
nớc lm mát mắc nối tiếp biến trở R
b
với ECU
Theo hình 5 ta tính dòng điện chạy trong
mạch:
THWb404
c
RRR
V
I
++
=

Hiệu điện thế đo đợc ở đầu THW:
THWb
404
c

THW
THWbTHW
RR
R
1
V
V
).RR.(IV
+
+
=
+=

Do R
404
và V
c
là hằng số (R
404
= 2700
và V
c
= 5V) nên điện áp tại đầu THW phụ
thuộc vào R
b
và R
THW
.
V = 5 V
c

R
404
R
b
R
THW
R
THW

Hình 5. Sơ đồ tính toán v cầu phân áp (R
b
mắc nối tiếp)
Trong trờng hợp nhiệt độ nớc làm mát
cố định, giả sử ở nhiệt độ nớc làm mát
(85 ữ 90
0
C) thì R
THW
= 300 = const.
Có thể tính:
const)
T
1
T
1
.(e.RR
0
0THW
==

Với R
0
: điện trở ở nhiệt độ T
0
e = 2,71828
T, T
0
: nhiệt độ tuyệt đối (K)
: hệ số chọn theo điện trở R
THW
.
Từ đó ta có:

300R
2700
1
5
V
b
THW
+
+
=

Thay giá trị vào biểu thức trên ta có bảng
sau:
Bảng 2. Biến thiên điện áp ở đầu
THW khi R

b
mắc nối tiếp
Điện trở R
b
(k)
V
THW
(V)
2,4
3,0
3,7
4,7
6,0
7,8
10,5
15,0
24,0
2,50
2,75
3,00
3,25
3,50
3,75
4,00
4,25
4,50
Dựa vào bảng trên ta có đồ thị biểu diễn
V
THW
= f(R

b
).
V
THW
(V)
Điện áp
4,50
4,25
4,00
3,75
3,50
3,25
3,00
2,75
2,50
2
,
4
3
,
0
3
,
7
4
,
7
6
,
0

7
,
8
1
0
,
5
1
5
,
0
2
4
Điện trở
R (K )


Hình 6. Đồ thị V
THW
= f(R
b
)
Từ đồ thị hình 6 ta thấy khi điện trở R
b

tăng thì điện áp ở đầu THW tăng, nghĩa là thời
gian đóng ngắt quạt tăng lên và ngợc lại
(điện trở càng tăng thì điện áp càng tăng
chậm).
Do đó, muốn thay đổi thời gian đóng ngắt

quạt gió tăng hay giảm thì chỉ cần thay đổi giá
trị điện trở R
b
từ đó tốc độ quạt sẽ tăng hoặc
giảm.
4.2. Hiệu chỉnh mạch bằng cách mắc
song song biến trở R
b
với đầu THW từ cảm
biến đến ECU
Sơ đồ mạch điện khi R
b
mắc song song
nh hình 7.
ECU
Cảm biến
nớc làm
mát THW
THW
THW
R
E
E21
THW
E2
R411
R
b
R
404

-2100
D949577
c
5V V

Hình 7. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh cảm biến nhiệt độ
nớc lm mát mắc biến trở song song
= 5V
V
C
THW
R
R
R
b
v
THW
404

Hình 8. Sơ đồ tính toán v cầu phân áp (R
b
mắc song song)
Nh vậy, trong mạch nhiệt độ tín hiệu
nớc làm mát (hình 7), bỏ qua điện trở nội của
D949577 - 2100 ta có thể thấy R
404
và
R
b
+ R

THW
tạo thành cầu phân áp nh hình 8.
Dòng điện I chạy trong mạch là:
404b
404b
THW
c
RR
R.R
R
V
I
+
+
=

Hiệu điện thế đo đợc ở đầu THW:

THW
404b
404b
THW
c
THWTHW
R.
RR
R.R
R
V
R.IV

+
+
==

Chia hai vế cho R
THW
ta đợc:
THW404b
404b
c
THW
R).RR(
R.R
1
V
V
+
+
=

Do R
404
và V
c
là hằng số (R
404
= 2700,
V
c
= 5V) nên điện áp tại đầu THW sẽ phụ

thuộc chủ yếu vào R
b
và R
THW
.
Trong trờng hợp nhiệt độ nớc làm mát
cố định, giả sử nhiệt độ nớc làm mát là 80
0
C
thì R
THW
300 = const.
Từ đó ta có công thức:

300).2700R(
R.2700
1
5
V
b
b
THW
+
+
=

Ta có thể thấy sự thay đổi này theo
bảng 3.
Bảng 3. Biến thiên điện áp ở đầu
THW khi R

b
mắc song song
Điện trở R
b
(k)
V
THW
(V)
0,033
0,053
0,077
0,103
0,135
0,171
0,125
0,270
0,337
4,50
4,25
4,00
3,75
3,50
3,25
3,00
2,75
2,50
Căn cứ vào bảng trên, ta xây dựng đồ
thị biến thiên điện áp đầu THW khi thay
đổi giá trị biến trở R nh hình 9.
Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy khi điện

trở R
b
tăng thì điện áp đầu THW giảm và
ngợc lại, nghĩa là thời gian đóng ngắt
quạt thay đổi. Do đó, muốn thay đổi thời
gian đóng ngắt quạt tăng hay giảm tốc độ
quay ta chỉ cần thay đổi giá trị điện trở R
b
.
2,75
0
,
0
5
3
0
,
0
3
3
2,50
0
,
2
7
0
0
,
2
1

5
0
,
1
7
1
0
,
1
3
5
0
,
1
0
3
0
,
0
7
7
0
,
3
3
7
R (K )
4,00
3,25
3,00

3,50
3,75
4,50
4,25
THW
V(V)

Hình 9. Đồ thị V
THW
= f(R
b
) mắc song song
v. Kết luận
Từ lý thuyết, tính toán, kiểm tra ta thấy
rằng có thể tự sửa chữa, thay thế các loại quạt
điện sử dụng trong các động cơ ô tô hiện đại
đang đợc sử dụng ở Việt Nam.
Đồng thời ta cũng có thể tác động vào bộ
điều khiển động cơ bằng điện tử (ECU) để
điều chỉnh tốc độ quạt gió có bộ ly hợp điện từ
khi làm việc trong điều kiện nhiệt đới Việt Nam
khi các hệ thống điện tử bị lão hoá.
Tài liệu tham khảo
[1]. William.Crous. Electronic Control of
Automotive Engines. London, 2000.
[2]. G.Hill. EFI and Engine Management. Moscow, 2002.
[3]. T.S Nguyễn Duy Tiến. Khai thác ô tô đời mới sử
dụng ở Việt Nam. Đề tài nghiên cứu cấp Bộ
B98 - 25 - 38.
[4]. T.S Nguyễn Duy Tiến. Nghiên cứu sử dụng

xăng không chì ở động cơ ô tô sử dụng ở Việt Nam.
Đề tài nghiên cứu cấp Bộ B2002 - 35 - 28.
[5]. T.S Nguyễn Duy Tiến. Hệ thống cung cấp
nhiên liệu thế hệ mới. Bài giảng cao học.
Hà nội, 2002