Mô hình hóa hệ thống làm mát trong động cơ đốt trong

NGUYễN MạNH DũNG

Bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội

***

NGUYễN MạNH DũNG

MÔ HìNH HóA Hệ THốNG LàM MáT
TRONG động cơ đốt trong
Kỹ thuật động cơ nhiệt

luận văn thạc sĩ khoa học
Kỹ thuật động cơ nhiệt

khóa: 2009

Hà nội Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của tôi. Nội
dung và các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa
từng được công bố trong các công trình nào khác!
Hà Nội, tháng 03 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Mạnh Dũng

1


PHẦN MỞ ĐẦU
Khi tính toán và kiểm nghiệm động cơ đốt trong thì vai trò của hệ thống làm
mát là rất quan trọng. Trong khi đó, các tài liệu về tính toán động cơ lại thường coi
nhẹ vấn đề làm mát hoặc thường tính toán đơn lẻ các cụm chi tiết như két nước,
quạt gió, bơm nước hoặc là lấy theo các số liệu thực tế nên thường không chính xác,
rời rạc và không xây dựng được mô hình tính toán tổng quát sát với thực tế.
Tác giả nhận thấy việc cần thiết xây dựng một mô hình tính toán tổng thể hệ
thống làm mát động cơ có tính đến các yếu tố tổn thất, kết hợp với việc kiểm
nghiệm thực tiễn sẽ giúp cho quá trình tính toán nhiệt của động cơ chính xác, sát
với thực tế và tổng quát hơn.
Để khắc phục những vấn đề nêu trên cần phải xây dựng một mô hình tính toán
tổng thể hệ thống làm mát. Trên cơ sở đó xây dựng một hệ phương trình mô tả quá
trình trao đổi nhiệt giữa các cụm chi tiết trong hệ thống. Kết hợp với các ứng dụng
công nghệ thông tin, tin học vào tính toán và giải hệ phương trình sẽ giúp tìm được
nhiệt độ môi chất vào, ra khi động cơ làm việc.
Kết quả tính toán trên sẽ được kiểm nghiệm thực tế thông qua một số cụm chi
tiết hoặc toàn bộ hệ thống để có thể kết luận tính đúng đắn của mô hình tổng quát
trên giúp cho quá trình tính toán nhiệt của động cơ chính xác hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô cùng toàn thể các bạn trong bộ môn
Động cơ đốt trong - Viện cơ khí Động lực đã giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn
thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, GS.TS Phạm Minh Tuấn,
người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện để em hoàn thành
luận văn tốt nghiệp của mình.
Hà Nội, tháng 03 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Mạnh Dũng

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG I ................................................................................................................. 6 
TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ .................................. 6 
1.1. Lịch sử ngành động cơ đốt trong ......................................................................6 
1.2. Ít có khẳ năng cải tiến trong động cơ đốt trong ..............................................10 
1.3. Vai trò của hệ thống làm mát ..........................................................................11 
1.4. Các loại hệ thống làm mát ..............................................................................12 
1.4.1. Hệ thống làm mát bằng nước ................................................................... 13 
1.4.2. Hệ thống làm mát bằng không khí ........................................................... 18 
1.5. So sánh hệ thống làm mát bằng không khí và hệ thống làm mát bằng nước .18 
1.6. Phương pháp tính hệ thống làm mát thông thường ........................................20 
1.7. Nội dung và nhiệm vụ của luận văn ...............................................................21 
1.7.1. Các đề tài đã nghiên cứu về hệ thống làm mát ........................................ 21 
1.7.2. Nội dung và nhiệm vụ của luận văn ......................................................... 21 
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 22 
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ ............................ 22 
2.1. Xây dựng mô hình tính ...................................................................................22 
2.1.1. Giới thiệu mô hình tính ............................................................................ 22 
2.1.2. Các giả thiết của mô hình tính toán ........................................................ 24 
2.2. Xác định các tổn thất áp suất ..........................................................................24 
2.2.1. Tổn thất qua két nước làm mát ................................................................. 24 
2.2.2. Tổn thất qua bơm nước ly tâm ................................................................. 24 
2.2.3. Tổn thất qua van hằng nhiệt ..................................................................... 24 
2.2.4. Tổn thất qua đường ống dẫn .................................................................... 24 
2.2.5. Tổn thất qua các góc bơm ........................................................................ 24 
2.3. Hệ phương trình tính toán ...............................................................................24 

2.3.1. Nhiệt tryền từ động cơ qua vách xy lanh cho nước .................................. 24 
2.3.2. Nhiệt truyền từ nước trong két cho không khí .......................................... 26 
2.3.3. Nhiệt lượng do bơm nước tải đi ............................................................... 28 

3


2.3.4. Nhiệt do quạt gió mang đi ........................................................................ 28 
2.3.5. Giải hệ phương trình ................................................................................ 28 
CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 30 
TÍNH TOÁN BƠM NƯỚC, QUẠT GIÓ, KÉT NƯỚC THEO YÊU CẦU CỦA MÔ
HÌNH TÍNH TOÁN TỔNG THỂ ............................................................................. 30 
3.1. Các thông số làm việc cơ bản của máy thủy lực ............................................30 
3.1.1. Cột áp ....................................................................................................... 30 
3.1.2. Lưu lượng ................................................................................................. 31 
3.1.3. Công suất và hiệu suất ............................................................................. 32 
3.1.4. Đặc tính của bơm H = f(Q) ..................................................................... 33 
3.2. Điểm làm việc và sự điều chỉnh điểm làm việc của bơm ...............................35 
3.2.1. Điểm làm việc ........................................................................................... 36 
3.2.2. Phương pháp điều chỉnh điểm làm việc của hệ thống ............................. 36 
3.3. Thiết lập đặc tính bơm nước ...........................................................................39 
3.4. Thiết lập đặc tính lưới .....................................................................................41 
3.5. Lưu lượng nước ..............................................................................................43 
3.6. Lưu lượng không khí do quạt cung cấp ..........................................................43 
3.7. Tính thông số của két ......................................................................................44 
3.7.1. Hệ số tản nhiệt của nước đến thành ống ................................................. 45 
3.7.2. Xác định diện tích F1k và diện tích F2k .................................................... 49 
3.7.3. Xác định hệ số tản nhiệt α2k...................................................................... 50 
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 57 
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH BẰNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH

CSHARP (C#) ........................................................................................................... 57 
4.1. Vài nét về ngôn ngữ lập trình Csharp (C#).....................................................57 
4.2. Xây dựng chương trình tính ............................................................................60 
4.3. Các chương trình con ......................................................................................62 
4.3.1 Tính nhiệt lượng làm mát của động cơ truyền cho nước làm mát ............ 62 
4.3.3. Tính các thông số của két ......................................................................... 63 
4.3.4. Tính lưu lượng nước ................................................................................. 67 

4


4.4. Chương trình chính .........................................................................................70 
4.5. Kết quả ............................................................................................................71 
CHƯƠNG 5 .............................................................................................................. 72 
TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM HỆ THỐNG LÀM MÁT CỦA ĐỘNG CƠ D50 ... 72 
5.1. Giới thiệu hệ thống làm mát của động cơ D50 ...............................................72 
5.2. Dùng phần mềm kiểm nghiệm cho hệ thống làm mát của động cơ D50 .......73 
5.2.1. Nhập thông số động cơ ............................................................................. 73 
5.2.2. Nhập thông số cho bơm ............................................................................ 73 
5.2.3. Nhập thông số cho lưới và tìm điểm làm việc của bơm ........................... 74 
5.2.4. Nhập thông số cho quạt ............................................................................ 74 
5.2.5. Nhập thông số cho két .............................................................................. 75 
5.2.6. Chạy chương trình và cho kết quả ........................................................... 75 
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 79 
PHẦN LẬP TRÌNH .................................................................................................. 79 

5


CHƯƠNG I

TỔNG QUAN HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ

1.1. Lịch sử ngành động cơ đốt trong
Lịch sử ngành động cơ đốt trong được biết đến là chiếc động cơ đốt trong đầu
tiên được chế tạo vào năm 1860 do Lenoir, một nhà kỹ thuật nghiệp dư. Vào năm
1897, chiếc động cơ diesel đầu tiên ra đời. Từ đó đến nay, ngành động cơ đốt trong
không ngừng phát triển và ngày càng lớn mạnh và giữ một vai trò trọng yếu đối với
bất kỳ nền kinh tế nào trên thế giới. Trong những năm 90 của thế kỷ 20, sản lượng
bình quân của động cơ đốt trong đạt khoảng 40 triệu chiếc/năm. Những năm trở lại
đây, số lượng và chủng loại phát triển rất mạnh mẽ và mang tính đột phá trong cải
tiến, thiết kế cũng như áp dụng các tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất động cơ nói riêng
và ngành ôtô, điều này đã góp phần lớn vào sự phát triển chung của nhân loại.
Những cải tiến chủ yếu thường giải quyết các vấn đề sau:
- Không ngừng tăng công suất và tăng tính kinh tế, hiện đại hóa công nghệ sản
xuất và tự động hóa quá trình điều khiển động cơ nhằm đạt tính kinh tế và độ tin
cậy cao, chống ô nhiễm môi trường và giảm giá thành.
- Do nhu cầu về trang bị động lực cho các phương tiện vận tải nên ngày càng
đòi hỏi sự hoàn thiện về kết cấu cũng như các tính năng kỹ thuật, chẳng hạn như
công suất cao, tốc độ lớn, tăng tải trọng, động cơ làm việc ở các điều kiện khắc
nhiệt khác nhau. Nên việc tăng công suất của động cơ và tăng tính tự động hóa,
giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải sẽ giúp giảm giá thành và mang lại hiệu quả sử
dụng, hiệu quả kinh tế cao.
Trong vận tải đường bộ, trọng tải của xe rất đa dạng trong khoảng từ 0,5 đến
700 tấn và công suất động cơ cũng tăng từ 10 đến 1500 mã lực. Đối với vận tải
đường thủy thì càng thể hiện rõ tính ưu việt của động cơ đốt trong. Tàu biển có thể
đạt trọng tải từ vài nghìn tấn đến cả triệu tấn, công suất động cơ tàu thủy đạt 30.000
đến 50.000 mã lực. Công suất của một xy lanh cũng đã vượt qua 4000 mã lực. Các

6

hãng nổi tiếng về động cơ cỡ lớn như MAN (Đức), FIAT (ý), SULZER (Thụy
Điển), MITSUBITSHI (Nhật) …
Hiện nay, các hãng vẫn đang tiếp tục nghiên cứu khả năng tăng công suất và
giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
Nhình lại lịch sử phát triển của ngành động cơ đốt trong, ta thấy động cơ của
Lenoir chỉ đạt công suất 2 mã lực, hiệu suất đạt 3%, đến nay công suất động cơ đã
đạt 100.000 mã lực (hãng Huyndai) và hiệu suất đạt khoảng 37-39%. Ngày nay,
việc phát triển động cơ đốt trong luôn phải quan tâm đến điều kiện phát thải khí thải
nhằm giảm ô nhiễm môi trường, đây là điều rất quan trọng đối với lịch sử phát triển
của ngành động cơ đốt trong.
Công suất động cơ phụ thuộc vào rất nhiều thông số theo công thức sau đây:
Ne 

p e .Vh .i.n
30τ

(kW)

(1.1)

Trong đó:
pe – Áp suất có ích trung bình của chu trình công tác (MN/m2).
Vh- Dung tích công tác của xylanh (dm3).
i - số xylanh.
n - tốc độ trục khủy (vòng/phút)
 - số kỳ của động cơ.
Như vậy, để tăng công suất của động cơ phải tiến hành các biện pháp tăng các thông
số pe, Vh, i và n hoặc giảm số kỳ .
Khả năng tăng áp suất trung bình của động cơ là một trong những biện pháp

rất cơ bản liên quan trực tiếp đến việc nghiên cứu cải thiện quá trình cháy trong
động cơ, cải thiện quá trình hình thành khí hỗn hợp và dạng buồng cháy mới cho
động cơ diesel và động cơ xăng.
Kết cấu buồng cháy động cơ diesel rất đa dạng, tuy nhiên đều tuân theo một
trong bốn nguyên lý hình thành khí hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu sau đây: -

Quá

trình cháy không gian, toàn bộ các tia phun nhiên liệu không được chạm vào mặt
buồng cháy.
7


- Quá trình cháy nửa không gian, một phần tia nhiên liệu phun vào hoặc được
dòng xoáy quét chạm vào mặt buồng cháy.
- Quá trình cháy màng (thường gọi là cháy M) do kỹ sư Meurer người Đức phát
minh. Quá trình cháy màng ngược hẳn với quá trình cháy không gian, hầu như toàn
bộ tia nhiên liệu đều phun lên mặt buồng cháy, tia mồi chỉ chiếm 7 – 8%. Nhiên liệu
thu nhiệt bốc hơi và cháy từng lớp một như một màng nhiên liệu. Quá trình cháy
màng có ưu điểm lớn là cháy rất êm, tỷ số P/ không quá lớn như quá trình cháy
không gian.
- Quá trình cháy mồi, nguyên lý này thường dùng cho loại động cơ GAZO –
diesel mà ngày nay thường dùng là động cơ nhiên liệu kép.
Ngoài vấn đề nghiên cứu không ngừng quá trình cháy nói trên, một trong
những biện pháp tăng Pe có hiệu quả nhất là tăng áp suất khí nạp vào xylanh bằng
cách dùng máy nén khí với kỹ thuật tăng áp. Ngày nay, áp suất có ích trung bình đã
đạt trị số rất cao cho loại động cơ 4 kỳ 12 – 18 (at).
Tăng Vh: tăng dung tích công tác để tăng công suất động cơ thể hiện khá rõ
trong xu hướng tăng đường kính và hành trình piston (như động cơ tàu thủy). Ngày
nay, đường kính xylanh D đã vượt quá 1000 mm và hành trình đã đạt đến 2000 mm.

Những loại động cơ này kích thước thường rất lớn, dài từ 20-25 m, rộng từ 7 – 8 m,
cao từ 11 – 12 m và trọng lượng động cơ thường nặng từ 3000 – 4000 tấn (như
động cơ kiểu con trượt).
Tăng số xylanh i thường được áp dụng rộng rãi, nhất là ngành ôtô với động cơ
công suất trung bình. Khi tăng số xylanh, tính cân bằng của động cơ tốt hơn, tính
kinh tế cũng tăng nhưng rất phức tạp (như động cơ hình sao dùng cho máy bay và
tàu thủy cao tốc).
Tăng số vòng quay n, phương pháp tăng số vòng quay n để tăng công suất là
rất phổ biến trong các loại động cơ ô tô và động cơ công suất nhỏ, trung bình. Khi
tăng số vòng quay, công suất tăng khá nhanh, động cơ gọn nhẹ nhưng đồng thời lực

8


quỏn tớnh cng tng theo, hao mũn s tng nhanh, tui th ng c gim, vỡ vy
s vũng quay thng ch tng n mc nht nh.
Gim s k ng c , gim s k ng c cng lm tng nhanh cụng sut.
Ngy nay ng c 2 k v ng c 4 k c phõn bit khỏ rừ rng v phm vi v
tớnh nng s dng.
Hin i húa cụng ngh sn xut v t ddooongj húa quỏ trỡnh iu khin ng
c nhm t tớnh kinh t v tin cy cao, chng ụ nhim mụi trng.
Cụng ngh sn xut ng c t trong ngy nay ó tr thnh mt ngnh cụng
nghip cú v trớ cao trong nn kinh t th gii. Vic hin i húa nn sn sut l xu
hng tt yu, nhng dõy truyn sn xut c tu ng húa ti a, nhng ng
dng ca vt liu mi, nhng thnh tu mi ca iu khin hc, tin hc, k thut s,
ó mang li cho ngnh ng c nhng bc t phỏ khụng ngng, úng vai trũ
quan trng trong s phỏt trin chung ton cu.
Nhng nghiờn cu v t ng iu khin cỏc thụng s ca quỏ trỡnh np, quỏ
trỡnh cung cp nhiờn liu, quỏ trỡnh chỏy v thnh phn khớ thi,..ó c thc hin
chớnh xỏc bng b iu khin in t ECU. Vic gim ụ nhim mụi trng, các

động cơ diezen đã lắp hệ thống tự động lọc khói, các
động cơ xăng dùng bộ cảm biến ôxy (cảm biến ) để thông
báo cho ECU điều chỉnh hệ số , hệ thống luân hồi khí xả
EGR, hệ thống xúc tác khử độc hại trong khí xả. Ngày nay
độ chính xác trong công nghệ chế tạo đã có nhiều tiến bộ
v-ợt bậc nên tổn thất do ma sát đã giảm đáng kể. Đồng
thời việc nghiên cứu sử dụng năng l-ợng của khí thải và
n-ớc làm mát của động cơ cũng nâng cao hệ số lợi dụng
nhiệt tổng hợp. Từ những tiến bộ của thành tựu khoa học,
công nghệ, tính kinh tế của động cơ thể hiện bằng suất
tiêu hao nhiên liệu ge (g/ml.h) ó gim rừ rt.

9


1.2. t cú kh nng ci tin trong ng c t trong
Ngnh ng c t trong ó cú b dy lch s v phỏt trin hng trm nm vi
vic ng dng nhng tin b khoa hc k thut, ng c ngy cng c ci tin v
hon thin v mt kt cu.
n nay, ngnh ng c t trong ó t c s hon thin cao c v mt kt
cu cng nh quỏ trỡnh iu khin m ớt cú s t bin no. S hoàn thiện cao
về cơ bản khó có thể có những thay đổi lớn về kết cấu
các chi tiết nói riêng cũng nh- động cơ nói chung. Nhờ
ứng dụng hợp lý các thành tựu tiến bộ của các ngành khoa
học, động cơ đốt trong ngày nay cũng đã đạt đ-ợc những
tính năng kỹ thuật ở mức hoàn thiện nh- chỉ tiêu về tốc
độ vòng quay, về công suất, về suất tiêu hao nhiên liệu

Có thể nói ngày nay sự hoàn thiện về kết cấu động cơ
cũng nh- các tính năng kỹ thuật của động cơ đốt trong

kiểu piston đã đạt đến trình độ bão hoà.
Hiện nay sự phát triển của tăng áp động cơ không
phải là một giải pháp mới mẻ trong quá trình phát triển
của động cơ đốt trong. Tuy đã đạt đ-ợc nhiều thành tựu
trong lĩnh vực tăng áp bằng tuốcbin- máy nén cho động cơ
cỡ lớn và trung bình nh-ng việc tăng áp cho động cơ xe
tải bằng tuốcbin- máy nén mãi đến những năm 70 mới đ-ợc
áp dụng. Sở dĩ nh- vậy vì:
Phạm vi làm việc của động cơ ô tô rộng hơn nhiều,
tức là chế độ công suất, số vòng quay thay đổi trong
phạm vi lớn và luôn thay đổi, thay đổi đột ngột.
Công nghệ vật liệu ch-a đáp ứng đ-ợc yêu cầu cho
việc áp dụng tăng áp bằng tuốcbin- máy nén cho động cơ
cỡ nhỏ. Đặc biệt để bộ tuốcbin- máy nén thích hợp cho
động cơ cỡ này phải có kích th-ớc nhỏ, hiệu suất cao,
l-u l-ợng khí thích hợp với chế độ vòng quay nhỏ của
động cơ.

10


1.3. Vai trò của hệ thống làm mát
Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt do các chi tiết máy
(piston, xupap, nắp xylanh, thành xylanh) tiếp xúc với khí cháy chiếm khoảng 2530% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra. Vì vậy các chi tiết
thường bị đốt nóng mãnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên đến 6000C, còn nhiệt
độ nấm xupáp có thể lên đến 9000C.
Nhiệt độ các chi tiết máy cao có thể dẫn tới các tác hại đối với động cơ như
sau:
-

Giảm sức bền, giảm độ cứng vững, giảm tuổi thọ các chi tiết.

-

Bó kẹt giữa các cặp chi tiết chuyển động như piston-xylanh, trục khuỷu- bạc lót.

-

Giảm hệ số nạp nên giảm công suất động cơ.

-

Đối với động cơ xăng dễ xảy ra hiện tượng kích nổ.

-

Do nhiệt độ cao, độ nhớt của dầu bôi trơn giảm nên tổn thất ma xát tăng.
Để khắc phục hiện tượng trên cần phải làm mát cho động cơ. Hệ thống làm

mát của động cơ có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháy qua thành
buồng cháy đến môi chất làm mát để đảm bảo cho các chi tiết không quá nóng
nhưng cũng không quá nguội. Quá nóng sẽ gây ra các hiện tượng như trên, còn quá
nguội nghĩa là động cơ được làm mát quá nhiều vì thế tổn thất nhiệt nhiều, nhiệt
lượng dùng để sinh công sẽ giảm do đó hiệu suất của động cơ nhỏ.
Ngoài ra nhiệt độ động cơ thấp, độ nhớt của dầu bôi trơn tăng khiến cho dầu
khó lưu thông vì vậy làm tăng tổn thất cơ giới và tổn thất ma sát. Do vậy nhiệt độ
thành xylanh thấp quá, nhiên liệu sẽ ngưng tụ trên bề mặt thành làm cho màng dầu
bôi trơn sẽ bị nhiên liệu rửa sạch.
Tóm lại mức độ làm mát cho động cơ có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu
kinh tế và công suất của động cơ.

Dưới đây trình bày mối quan hệ của suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ của
nước làm mát khi thí nghiệm động cơ 6C275A, hình 1.1 [1].

11


mm/1000h
0,08

g/mlg

1

180
0,06

2
175

0,04
3

2

170

0,02

Che do toi uu

1

To

165
65

70

75

80

To

0

85

60

70

80

90

Hình 1.1. Quan hệ của nhiệt độ làm mát với suất tiêu hao nhiên liệu và độ mòn của
xylanh động cơ 6C275A
Đường 1 – động cơ làm việc với chế độ toàn tải

Đường 2 – động cơ làm việc ứng với 75% tải
Đường 3 - động cơ làm việc ứng với 50% tải
Qua đó ta thấy nhiệt độ làm mát tối ưu trong trường hợp này từ 700C ÷ 800C.
1.4. Các loại hệ thống làm mát
Căn cứ vào môi chất làm mát ta phân biệt các loại hệ thống làm mát thể hiện
trên hình 1.2.

12


Hình 1.2. Phân loại hệ thống làm mát
1.4.1. Hệ thống làm mát bằng nước
Hệ thống làm mát bằng nước trong động cơ có đặc điểm là hiệu quả làm mát
cao nhưng trong quá trình làm việc đòi hỏi phải bổ xung nước làm mát, vì nước
được dùng làm môi chất trung gian tải nhiệt khỏi các chi tiết.
Tùy thuộc vào tính chất lưu động của nước trong hệ thống làm mát, ta có các
phương án làm mát sau.
1.4.1.1. Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi
Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi là hệ thống làm mát kiểu đơn giản nhất (hình
1.3).

13


Bộ phận chứa 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

5

6

những khoang chứa nước bao
bọc quanh buồng cháy nước sẽ
sôi. Nước sôi nên tỷ trọng giảm
nên sẽ nổi lên mặt thoáng của

7
4

bình 6 và bốc hơi mang theo
nhiệt ra ngoài khí quyển. Nước

1

2

3

nguội có tỷ trọng lớn sẽ chìm
xuống điền chỗ cho nước nóng

Hình 1.3. Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi.

đã nổi lên, do đó tạo thành lưu

1. Thân máy; 2. Piston; 3. Thanh truyền; 4.
Hộp cácte trục khuỷu; 5. Thùng nhiên liệu;
6. Bình bốc hơi; 7. Nắp xylanh.

động đối lưu tự nhiên.
Do làm mát bằng cách bốc

hơi, nên nếu không có nguồn nước bổ sung kịp thời, mức nước trong thùng chứa sẽ
giảm đi nhanh chóng. Vì vậy kiểu làm mát này không thích hợp cho loại động cơ
đặt trên ô tô máy kéo.
Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi đơn giản và do đặc tính lưu động đối lưu đã nói trên
nên hay dùng cho động cơ đặt nằm ngang dùng trong nông nghiệp.
1.4.1.2. Hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên
Trong hệ thống làm mát bằng phương pháp đối lưu tư nhiên (hình 1.4), nước
lưu động tuần hoàn nhờ độ chênh áp lực giữa hai cột nước nóng và lạnh.
Độ chênh áp lực được tính theo công thức sau:
p=.g.h..t (N/m2)
Trong đó:
t: độ chênh nhiệt độ của hai cột nước
nóng và lạnh.
: hệ số giãn nở của nước

14


: khối lượng riêng của nước
Từ công thức ta thấy độ chênh áp lực phụ thuộc vào độ chênh nhiệt độ t của
hai cột nước, vì thế cường độ làm mát có thể tự động điều chỉnh theo phụ tải.
Nhược điểm của phương pháp này là vận tốc lưu động bé, độ chênh lệch nhiệt độ
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống
nước vào và ra lớn do đó làm mát không đều. Muốn giảm được độ chênh nhiệt độ
làm mát bằng nước kiểu
thì kích thước của hệ thống lớn, nên kiểu làm mát này
dụng trên một vài

đốiđược
lưu tựsửnhiên
kiểu động cơ tĩnh tại.
1.4.1.3. Hệ thống làm mát kiểu tuần hoàn cưỡng bức
Do tốc độ lưu động của nước trong hệ thống tuần hoàn đối lưu bé, vì vậy để
tăng tốc độ lưu động của nước người ta thường dùng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức.
Trong hệ thống này nước lưu động được không phải do hiện tượng đối lưu mà do
sức đẩy của cột nước do bơm tạo ra.
1.4.1.3.1. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức kín một vòng
Hình 1.5. Hệ thống làm mát cưỡng
bức tuần hoàn kín một vòng.
1. Thân máy; 2. Nắp xylanh; 3.
Đường nước ra khỏi động cơ; 4. Ống
dẫn bọt nước; 5. Van hằng nhiệt; 6.
Nắp rót nước; 7. Két làm mát; 8. Quạt
gió; 9. Puli; 10. Ống nối tắt về bơm;
11. Đường nước vào động cơ; 12.
Bơm nước; 13. Két làm mát dâu; 14.
Ống phân phối nước.

Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức của động cơ ô tô – máy kéo một hàng
xylanh được trình bày ở hình 1.5.
Nước làm mát có nhiệt độ thấp được bơm 12 hút từ bình chứa phía dưới két
nước 7 qua ống 11 rồi qua két 13 để làm mát dầu rồi sau đó vào động cơ. Để phân
phối đồng thời nước làm mát đồng đều cho các xylanh và làm mát đồng đều cho
mỗi xylanh, nước sau khi bơm vào thân máy 1 chảy qua ống phân phối 14 đúc sẵn

15

trong thân máy. Sau khi làm mát xylanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường
ống 3 ra khỏi động cơ với nhiệt độ cao tới van hằng nhiệt 5. Khi van hằng nhiệt mở,
nước qua van vào bình chứa phía trên của két nước. Tiếp theo nước từ bình chứa
phía trên đi qua các ống mỏng có gắn các cánh tản nhiệt. Tại đây nước được làm
mát bởi dòng không khí qua két do quạt 8 tạo ra. Quạt được dẫn động bằng puli từ
trục khuỷu của động cơ. Tại bình chứa phía dưới của két làm mát, nước có nhiệt độ
thấp lại được bơm hút vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát tuần hoàn.
Để thực hiểu rõ thêm nguyên lý làm việc nêu trên, cần khảo sát đặc điểm kết cấu
các bộ phận của hệ thống.
Van hằng nhiệt 5 thực chất là tổ hợp của hai van. Tại đây, nước được chia ra
làm hai dòng, một dòng tới két làm mát và một dòng theo đường ống 9 trở lại bơm
vào động cơ.
Ống 4 có tác dụng dẫn bọt khí và hơi sinh ra trong bơm 12 qua van hằng nhiệt
5 ra két làm mát 7.
Bơm nước 12 thường dùng là bơm ly tâm, được dẫn động bằng đai từ trục
khuỷu của động cơ.
Quạt gió 8 thường là quạt chiều trục lắp đồng trục với bơm chiều nghiêng của
cánh và chiều quay của quạt quyết định không khí được hút vào qua két dùng cho
động cơ ôtô, máy kéo để tận dụng dòng không khí ngược khi xe chạy hay đẩy ra
qua két dùng cho động cơ tĩnh tại. Số cánh quạt thường không lớn hơn 6 và góc
giữa các cánh có thể không đều nhau nhằm giảm ồn.
Nắp két nước có hai van. Van 1 có tác dụng giảm áp khi áp suất trong hệ
thống cao khoảng 1,15 – 1.25kG/cm2 do bọt khí sinh ra trong hệ thống, nhất là khi
động cơ quá nóng. Còn van hút 2 sẽ mở để bổ sung không khí khi áp suất chân
không trong hệ thống lớn hơn giá trị cho phép khoảng 0,05 – 0,1kG/cm2.

16


1.4.1.3.2. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức hai vòng

Trong hệ thống này
(hình 1.6) nước làm mát tại
két nước 4 không phải bằng
dòng không khí do quạt gió
tạo ra mà bằng nước có nhiệt
độ thấp hơn, ví dụ nước
sông hay nước biển. Hệ
thống có hai vòng tuần hoàn.
Vòng tuần hoàn thứ nhất
làm mát động cơ như đã xét
ở hệ thống tuần hoàn cưỡng

Hình 1.6. Hệ thống làm mát cưỡng bức hai vòng
1. Thân máy; 2. Nắp xylanh; 3. Van hằng nhiệt;
4. Két làm mát; 5. Đường nước ra vòng hở; 6.
Bơm vòng hở; 8. Bơm nước vòng kín.

bức một vòng còn được gọi
là nước vòng kín. Vòng thứ 2 nước sông hay nước biển được bơm 6 chuyển tới két
làm mát để làm mát nước vòng kín, sau đó lại thải ra sông, ra biển nên gọi là nước
vòng hở. Hệ thống làm mát hai vòng được dùng phổ biến cho động cơ tàu thủy.
1.4.1.3.3. Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng hở

Hình 1.7. Hệ thống làm mát
một vòng hở
1. Thân máy; 2. Nắp máy; 3.
Van hằng nhiệt; 4. Đường
nước ra; 5. Lưới lọc; 6. Bơm
ớ
Trong hệ thống này hình 1.7, nước làm mát là nước sông hay nước biển, được

bơm 6 hút vào làm mát động cơ sau đó theo đường nước 4 thải ra sông, biển. Ưu
điểm của hệ thống này là đơn giản. Tuy nhiên do phải đảm bảo nhiệt độ nước làm
mát thấp khoảng 600C để giảm hiện tượng đóng cặn trong khoang nước của động cơ

17


nên chênh lệch nhiệt độ lớn. Điều đó dẫn tới ứng suất nhiệt của các chi tiết máy là
khá lớn.
1.4.2. Hệ thống làm mát bằng không khí
Hệt thống làm mát
bằng không khí (hình
1.8) còn gọi là hệ thống
làm mát bằng gió có cấu
tạo đơn giản. Quạt gió 1
được dẫn động từ trục

Hình 1.8. Hệ thống làm mát bằng không khí.

khuỷu cung cấp không

1. Quạt gió; 2. Cánh tản nhiệt; 3. Tấm hướng
gió; 4. Vỏ bọc; 5. Đường thoát không khí.

khí làm mát cho động
cơ. Để rút ngắn quá trình

quá độ từ trạng nguội khi động cơ khởi động đến trạng thái nhiệt độ ổn định, quạt
gió được trang bị ly hợp điện từ hoặc thủy lực. Bản hướng gió 3 có tác dụng phân
phối không khí sao cho các xylanh và từng xylanh được làm mát đồng đều nhất.

Các chi tiết cần làm mát như xylanh, nắp xylanh ... phải có các gân tản nhiệt để tăng
diện tích làm mát.
1.5. So sánh hệ thống làm mát bằng không khí và hệ thống làm mát bằng nước
Khi thiết kế bất kỳ hệ thống làm mát nào cũng phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật
sau đây:
-

Đảm bảo động cơ làm việc tốt ở mọi chế độ và mọi điều kiện khí hậu cũng như
điều kiện đường sá.

-

Tiêu hao công suất cho làm mát tương đối bé.

-

Kết cấu của hệ thống làm mát phải gọn nhẹ.

-

Kết cấu đơn giản dễ chế tạo và lắp ráp sửa chữa, vật liệu phải đảm bảo điều kiện
truyền nhiệt tốt và rẻ tiền.
Xuất phát từ những yêu cầu trên ta thấy, động cơ làm mát bằng nước so với

động cơ làm mát bằng không khí có những ưu điểm sau đây:

18


Hiệu quả làm mát của động cơ làm mát bằng nước cao hơn do đó trạng thái

nhiệt của các chi tiết làm mát bằng nước thấp hơn. Vì vậy nếu các điều kiện phụ tải
ở động cơ như nhau thì phải giảm tỷ số nén của động cơ cácbuaratơ làm mát bằng
không khí để tránh hiện tượng kích nổ.
Độ dài của thân động cơ làm mát bằng nước ngắn hơn so với thân động cơ làm
mát bằng không khí 10 ÷ 15%, trọng lượng nhỏ hơn 8 ÷ 15%. Sở dĩ như vậy là do ta
có thể đúc các xylanh liền thành một khối nên khoảng cách giữa các xylanh có thể
giảm xuống đến mức tối thiểu. Do giảm được độ dài thân động cơ nên có thể tăng
được độ cứng của thân động cơ, trục khuỷu và trục cam.
Khi làm việc động cơ làm mát bằng nước có tiếng ồn nhỏ hơn.
Tổn thất công suất để dẫn động quạt gió của động làm mát bằng nước nhỏ
hơn động cơ làm mát bằng không khí.
Tuy vậy động cơ làm bằng nước cũng có những nhược điểm sau đây:
Kết cấu thân máy và nắp xylanh rất phức tạp khó chế tạo.
Phải dùng két nước tản nhiệt bằng đồng. Kết cấu của két nước cũng rất phức
tạp, khó chế tạo và dùng những vật liệu quý như đồng thiếc...
Dễ bị rò rỉ nước xuống các te nên có thể ảnh hưởng xấu tới chất lượng dầu
nhờn ở các te.
Khi trời lạnh, nước có thể bị đóng băng trong két nước và áo nước làm vỡ hệ
thống làm mát. Vì vậy khi động cơ làm việc ở vùng có nhiệt độ thấp thường phải
dùng hỗn hợp nước có hòa trộn glyxêrin hay glycôn để hạ thấp nhiệt độ đông đặc
của nước làm mát. Dung dịch chứa glyxêrin hay glycôn tùy theo thanh phần dung
dịch mà nhiệt độ đông đặc của nước có thể hạ thấp xuống đến – 450oC.
Phải thường xuyên súc rửa hệ thống làm mát vì nước bẩn hoặc nước cứng đóng cặn
làm giảm khả năng truyền nhiệt.
Không thuận lợi khi sử dụng ở những vùng hiếm nước.

19


1.6. Phương pháp tính hệ thống làm mát thông thường

Tính toán hệ thống làm mát là một trong những nhiệm vụ chính khi thiết kế và
kiểm nghiệm động cơ. Trong các sách về động cơ ví dụ [1] chỉ trình bày các
phương pháp tính riêng từng cụm của hệ thống như két nước, quạt gió, bơm nước ...
Ngoài ra khi tính toán các cụm chi tiết của hệ thống làm mát thì thường các số liệu
đều được chọn theo số liệu kinh nghiệm. Chẳng hạn như, khi xây dựng phương
trình hệ số truyền nhiệt của két nước

k

1
  1  F2k
1
 
. 
   2k  F1k  2k

Tỷ số F2k/F1k = φ là hệ số diện tích, đối với két nước dùng ống nước dẹt chọn φ =
3÷ 6.
Chênh lệch nhiệt độ của không khí qua bộ tản nhiệt Δtkk = 20 ÷ 300C.
Chênh lệch nhiệt độ của nước vào và nước ra bộ tản nhiệt Δtn = 5 ÷ 100C.
Hệ số tản nhiệt từ nước làm mát đến thành ống của bộ tản nhiệt α1 chọn theo
số liệu kinh nghiệm α1k = 2326 ÷ 4070W/m2.độ.
Hệ số α2 cũng chọn theo tốc độ lưu động của không khí. Khi tốc độ lưu động
của không khí ωkk = 5 ÷ 60m/s thì α2k = 2326 ÷ 4070W/m2.độ.
Trong các đồ án tốt nghiệp những năm trước cũng đã làm về tính toán tổng thể
hệ thống làm mát, tuy nhiên khi tính toán chưa kể đến tổn thất về thủy lực trên
đường ống.
Qua đây ta thấy khi tính toán hệ thống làm mát theo phương pháp trên chưa
thể hiện được mối liên hệ chặt chẽ giữa các cụm chi tiết với nhau. Và bài toán
không sát với thực tế. Để khắc phục nhược điểm nói trên trong cuốn đồ án này em

xin trình bày mô hình tính toán tổng thể hệ thống làm mát có kể đến đặc tính tổn
thất thủy lực, cho kết quả sát với thực tế hơn và có thể dùng để tính toán thiết kế,
lựa chọn các cụm hoặc kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống làm mát ...

20


1.7. Nội dung và nhiệm vụ của luận văn
1.7.1. Các đề tài đã nghiên cứu về hệ thống làm mát
Tính hệ thống làm mát bằng nước - Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong

[tập 3], NXB đại học và trung học chuyên nghiệp 1977, chủ biên: Nguyễn Đức Phú
và tác giả Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến.
Phạm Minh Tuấn. Tính toán tổng thể hệ thống làm mát động cơ. Hội nghị
khoa học 50 năm Đại học Hàng Hải, Hải Phòng 3/2006.
1.7.2. Nội dung và nhiệm vụ của luận văn
1.7.2.1. Tên đề tài

Mô hình hóa hệ thống làm mát trong động cơ đốt trong.
1.7.2.2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Xây dựng mô hình tính toán tổng thể hệ thống làm mát động cơ giúp cho quá
trình tính toán thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống làm mát được thực hiện trong một
mô hình tổng thể sát với thực tiễn. Trong mô hình gồm các phương trình vi phân,
phải kể đến mô hình dòng chảy có tính đến các tổn thất áp suất trong hệ thống.
Sau đó tìm phương pháp phù hợp để giải hệ phương trình đã lập và áp dụng cho một
trường hợp động cơ cụ thể làm mát bằng nước.
1.7.2.3. Các vấn đề cần giải quyết

Thiết lập hệ phương trình trao đổi nhiệt, trao đổi năng lượng của dòng chảy,

cùng các điều kiện biên.
Xây dựng chương trình máy tính thân thiện với người sử dụng để giải hệ
phương trình đã lập áp dụng cho một động cơ cụ thể làm mát bằng nước.
Tiến hành tính toán khi thay đổi các thông số của hệ thống làm mát, qua đó rút
ra kết luận về phương pháp mô phỏng.
Ngoài ra dựa vào mô hình tổng thể này ta có thể triển khai và áp dụng cho
những mô hình tính toán tổng thể khác chẳng hạn như mô hình tính toán tổng thể
của hệ thống làm mát cưỡng bức hai vòng tuần hoàn, một vòng tuần hoàn, đối lưu
tự nhiên ...

21


CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ

2.1. Xây dựng mô hình tính
2.1.1. Giới thiệu mô hình tính

Xây dựng mô hình tính toán sao cho không làm giảm tính tổng quát của bài
toán nên ta chọn mô hình hệ thống làm mát bằng nước một vòng tuần hoàn cưỡng
bức dưới đây thường dùng trên động cơ ô tô, máy kéo để tính toán.

2

3

t kkv
Gkk

Két

Gn

t nr

1

t kkr

4

t nv

Hình 2.1 Mô hình tính toán hệ thống làm mát
1.Động cơ; 2. Két làm mát; 3. Quạt; 4.Bơm

Trong đó:
Gkk: Lưu lượng không khí vào,
Gn: Lưu lượng nước đi làm mát động cơ,
tkkv: Nhiệt độ không khí vào két làm mát,
tkkr: Nhiệt độ không khí ra két làm mát,
tnv: Nhiệt độ nước vào động cơ,
tnr:

Nhiệt độ nước ra động cơ.

Trên hình 2.1 ta thấy nước nguội được bơm 4 hút từ phía dưới của két làm mát
vào động cơ và làm mát cho động cơ. Sau khi làm mát cho động cơ nước lại trở lại

22


két làm mát và được làm mát. Quạt có tác dụng hút gió phía trước của két làm mát
để làm mát két, quạt gió và bơm nước được lắp đồng trục.
Trên mô hình cho thấy nhiệt độ của không khí vào tkkv được chọn theo nhiệt
độ môi trường. Không khí có lưu lượng Gkk được quạt gió (3) hút qua két làm mát
có nhiệt độ ra là tkkr. Lưu lượng nước đi làm mát động cơ là Gn được bơm nước (4)
hút từ khoang chứa nước phía dưới của két làm mát (2). Nước làm mát khi vào động
cơ nước có nhiệt độ là tnv và sau khi ra khỏi động cơ nước có nhiệt độ là tnr và nhiệt
độ này cũng là nhiệt độ nước vào két làm mát.
Để thiết lập đặc tính lưới cho hệ thống làm mát, ta áp dụng lý thuyết thủy lực
đường ống với các đường ống phức tạp. Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà ta áp
dụng cho phù hợp:
Đối với ống nối tiếp thì lưu lượng là không đổi và tổn thất bằng tổng tổn thất
các đoạn:
Q = Q1 = Q2 = … = Qn
hW = h1 + h2 + …
Đối với ống song song thì lưu lượng bằng tổng lưu lượng các ống và tổn thất
thì không đổi:
Q = Q1 + Q2 + … + Qn

h1 = h2 = h3 = … = HM - HN = H
Trình tự giải bài toán làm mát như sau:
Bước 1: Tìm quan hệ giữa lưu lượng và áp suất của các thành phần có làm mát
trong hệ thống.
Bước 2: Tìm đặc tính lưới chung của hệ thống làm mát.
Bước 3: Thiết lập đặc tính làm mát của bơm nước.
Bước 4: Điểm làm việc của hệ thống chính là giao điểm của đặc tính lưới và
đặc tính bơm nước.

23


2.1.2. Các giả thiết của mô hình tính toán

Chế độ tính toán được chọn là chế độ làm việc ổn định của động cơ ở chế độ
định mức. Ở chế độ định mức là chế độ động cơ làm việc khắc nghiệt nhất nên khi
tính toán cho chế độ định mức thỏa mãn thì các chế độ khác của động cơ cũng được
thỏa mãn.
Để đơn giản ta chỉ xét trao đổi nhiệt đối lưu và bỏ qua các tổn thất nhiệt. Do
đó nhiệt độ ra khỏi động cơ bằng nhiệt độ nước vào két làm mát và nhiệt độ ra khỏi
két nước cũng chính là nhiệt độ nước vào động cơ.
Ngoài ra, theo giả thiết này thì nhiệt lượng do môi chất trong xylanh truyền
cho nước làm mát trong động cơ bằng nhiệt lượng trao đổi giữa nước và không khí
tại két nước. Đây cũng chính là nhiệt lượng mà bơm nước và quạt mang đi. Sau đây
ta sẽ tính cụ thể các đại lượng này để xây dựng hệ phương trình mô tả hệ thống.
2.2. Xác định các tổn thất áp suất
2.2.1. Tổn thất qua két nước làm mát
2.2.2. Tổn thất qua bơm nước ly tâm
2.2.3. Tổn thất qua van hằng nhiệt
2.2.4. Tổn thất qua đường ống dẫn
2.2.5. Tổn thất qua các góc bơm
2.3. Hệ phương trình tính toán
2.3.1. Nhiệt tryền từ động cơ qua vách xy lanh cho nước

Có thể tính toán lượng nhiệt truyền từ động cơ cho nước làm mát theo các
phương pháp sau đây.
2.3.1.1. Phương pháp cân bằng nhiệt

Nhiệt lượng từ động cơ truyền cho nước làm mát có thể xác định bằng phương
trình cân bằng nhiệt của động cơ và được xác định theo công thức (20-3) [1].
Qlm = Q0 – (Qe + Qth + Qch + Qđ + Qcl)
Trong đó:

24