Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam, xe máy chính là loại phương tiện giao thông phổ biến nhất. Theo điều tra xác định tỷ lệ các loại xe đang lưu thông thì có tới 85,8% là xe máy, 12,3% là ô tô, 1,2% là xe tải và xe buýt chỉ chiếm 0,7%. Hiện nay, khoảng 85% dân số Việt Nam đang sử dụng xe máy như là phương tiện đi lại cũng như để mưu sinh mỗi ngày.
Việt Nam hiện đang đứng thứ 4 thế giới về mức tiêu thụ xe máy theo thống kê của Hiệp hội các nhà sản xuất xe máy Việt Nam (VAMM) năm 2017. Với những đặc tính như nhỏ gọn, khả năng di chuyển linh hoạt trong đường hẹp ở đô thị, bảo dưỡng dễ dàng, giá cả hợp lý, xe máy vẫn là lựa chọn hàng đầu đối với đại đa số người dân Việt Nam. Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động cơ hoạt động hỗn hợp hòa khí cháy trong buồng đốt động cơ tỏa ra với nhiệt lượng cao, một phần chuyển thành công, phần còn lại tỏa ra môi trường bên ngoài qua các chi tiết tiếp xúc với khí cháy như: xilanh, piston, các xupap, xéc-măng, vòi phun…Mặt khác, cũng có một phần nhiệt lượng sinh ra do ma sát bề mặt làm việc giữa các chi tiết trong động cơ. Nếu không làm mát động cơ hay làm mát không đủ, các chi tiết trong động cơ sẽ nóng lên quá nhiệt độ cho phép, sẽ gây ra nhiều tác hại như: cháy xupap, dầu nhớt mất tính nhờn gây nóng cháy bạc lót, bó piston và xéc-măng trong xi-lanh… Bởi vậy, động cơ cần được giải nhiệt để duy trì nhiệt độ trong khoảng 80-90oC giúp cho động cơ hoạt động một cách ổn định.
Đa phần hệ thống làm mát đối với xe gắn máy hiện nay được chia làm hai loại: giải nhiệt cưỡng bức bằng không khí và giải nhiệt bằng dung dịch. Mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau. Động cơ giải nhiệt bằng không khí, loại này có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ vì có ít chi tiết cấu thành hơn so với động cơ làm mát bằng dung dịch, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên và phức tạp. Tuy nhiên, do công suất 1 Luan van động cơ làm mát bằng gió thường bị kém đi trong quá trình sử dụng thực tế, nên để đạt được cùng một hiệu suất động cơ như nhau, loại xe này phải có dung tích xi-lanh lớn hơn so với xe lắp động cơ làm mát bằng dung dịch.
Để khắc phục những nhược điểm của hệ thống giải nhiệt bằng không khí thì hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch với nhiều ưu điểm như: kiểm soát quá trình đốt nhiên liệu tốt hơn, hiệu suất hoạt động và độ ổn định cao hơn, dễ thiết kế lớp áo bên ngoài vì động cơ được bố trí linh động hơn. Chính vì vậy, hệ thống làm mát bằng dung dịch ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trên các dòng xe tay ga, các dòng xe có công suất lớn. Tuy nhiên, hệ thống giải nhiệt bằng dung dịch vẫn có những hạn chế nhất định: cánh tản nhiệt ở két nước mỏng dễ bị biến dạng móp méo, các tép nước mỏng dễ bị thủng gây rò rỉ dung dịch làm mát gây mất khả năng giải nhiệt của hệ thống. Bên cạnh đó, điều quan trọng nữa không thể không nhắc đến là việc sử dụng các loại dung dịch nước làm mát hiện nay cho động cơ vẫn còn một số hạn chế như: - Thời gian để động cơ đạt được nhiệt độ làm việc tối ưu còn dài - Hiệu quả làm mát chưa cao khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao trong thời gian dài - Hiệu suất tổn hao và tuổi thọ động cơ vẫn chưa được cải thiện nhiều so với khi sử dụng phương pháp giải nhiệt bằng không khí.
Vì vậy, Việc nghiên cứu các loại môi chất giải nhiệt mới cải thiện được những hạn chế của việc sử dụng môi chất giải nhiệt truyền thống Ethylene glycol thường dùng như đã đề cập ở trên là vấn đề cấp thiết được đặt ra. Ngành công nghiệp chế tạo ô tô đang trên đà phát triển không ngừng ở tất cả các lĩnh vực, và gia tăng khả năng truyền nhiệt để cải thiện hiệu suất động cơ là một khía cạnh quan trọng của ngành. Bộ tản nhiệt là bộ trao đổi nhiệt quan trọng của ô tô, nó được dùng để làm mát động cơ xe bằng dung dịch khi chất lỏng truyền nhiệt từ động cơ đến bộ tản nhiệt. Cho đến nay, có khá ít nghiên cứu liên quan đến việc cải tiến trên bộ tản nhiệt xe.
Trong những năm gần đây, đã có những nghiên cứu chỉ ra tác động truyền nhiệt của chất lỏng nano trong các bộ trao đổi nhiệt. Các chất này là các chất 2 Luan van lỏng chứa các hạt oxit kim loại hoặc phi kim loại có kích thước nhỏ hơn 100 nm được phân tán vào môi chất giải nhiệt và được gọi là Nanofluids. Nhiều nghiên cứu cho thấy, chất lỏng nano này chứa các đặc tính nhiệt tốt hơn so với các chất lỏng thông thường được sử dụng để truyền nhiệt. Các hạt nano, các phụ gia của nanofluids, đóng một vai trò quan trọng trong việc thay đổi tính chất tản nhiệt của các chất lỏng nano, chúng làm thay đổi đặc tính chất lỏng vì độ dẫn nhiệt của các hạt cao hơn các chất lỏng bình thường.
Chính vì vậy, ngoài việc cải tiến các công nghệ mới trên bộ tản nhiệt thì việc ứng dụng các môi chất mới vào chất làm mát cơ bản Ethylene glycol hứa hẹn nhiều tiềm năng trong việc tăng hiệu suất truyền nhiệt. Vì lý do trên, người thực hiện chọn đề tài: “ Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm cải tiến hệ thống làm mát bằng dung dịch cho động cơ đốt trong xe máy” nhằm mục đích tăng hiệu suất truyền nhiệt, giúp động cơ hoạt động ổn định, tăng công suất làm việc. Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Sự phát triển liên tục về công nghệ trong ngành công nghiệp ô tô đã làm tăng nhu cầu về động cơ có hiệu suất cao.
Động cơ có hiệu suất cao không chỉ có hiệu suất tốt hơn mà còn phải tiết kiệm nhiên liệu và có lượng phát thải thấp hơn. Ngày nay, người ta có nhu cầu giảm kích thước và trọng lượng của các hệ thống tản nhiệt trong các ngành công nghiệp vận tải. Bên cạnh việc cải tiến sử dụng các loại lá tản nhiệt dạng mỏng và vi kênh khác nhau hoặc tạo hình bề mặt trao đổi nhiệt thì việc ứng dụng môi chất giải nhiệt mới cho két làm mát cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm trong những năm gần đây. Chất lỏng giúp tản nhiệt thông thường như hỗn hợp dung dịch nước - Ethylene glycol (EG) hoặc dầu động cơ có hiệu suất tản nhiệt tương đối kém.
Do đó, một phương pháp để cải thiện việc tản nhiệt của chất lỏng trong két làm mát là thêm các hạt rắn nhỏ dưới dạng nano vào chất lỏng cơ bản. Loại chất lỏng mới này được gọi là Nanofluids. Vì lý do này, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện bởi một số nhà nghiên cứu về tính dẫn nhiệt của các loại dung dịch nano khác nhau. Lee và cộng sự [1] đã nghiên 3 Luan van cứu thử nghiệm hỗn hợp dung dịch chứa ethylene glycol và các hạt nano CuO có kích thước 35nm ở nồng độ thể tích 4% và nhận thấy độ dẫn nhiệt tăng 20%.
Yu và cộng sự [2] đã thực nghiệm về độ dẫn nhiệt và độ nhớt của chất lỏng nano ZnO trong chất nền ethylene glycol và đánh giá rằng: độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano phụ thuộc mạnh vào nồng độ thể tích các hạt nano và nó tăng phi tuyến cùng với sự gia tăng nồng độ thể tích và độ dẫn nhiệt được nâng cao nhất lên 26,5% tại nồng độ thể tích 5%. Duangthongsuk và Wongwises [3] đã nghiên cứu về độ dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ và độ nhớt của chất lỏng nano TiO2 – nước với kết quả là: dung dịch nano TiO2-nước cung cấp độ dẫn nhiệt cao hơn 3–7% so với chất lỏng cơ bản với nồng độ TiO2 từ 0,2 đến 2,0% thể tích. Độ nhớt của các chất lỏng nano là một thông số quan trọng giống như độ dẫn nhiệt cho việc nghiên cứu về hiệu suất nhiệt. Nguyen và cộng sự [4] nghiên cứu thử nghiệm ảnh hưởng của nồng độ thể tích và nhiệt độ đến độ nhớt của dung dịch nano Al2O3 trong nước và thấy rằng độ nhớt của dung dịch nano tăng đáng kể cùng với sự gia tăng nồng độ thể tích hạt, nhưng nó giảm khi nhiệt độ tăng.
Wang và cộng sự [5] đã nghiên cứu độ nhớt của dung dịch nano Al2O3 - nước được chuẩn bị bằng cách hòa tan các hạt Al2O3 có kích thước 28nm ở nồng độ 5% thể tích và nhận thấy độ nhớt tăng 86% so với chất lỏng gốc. Họ cũng nghiên cứu dung dịch nano Al2O3/ethylene glycol và thấy độ nhớt tăng 40%. Das và cộng sự [6] cũng quan sát thấy điều này, khi gia tăng nồng độ thể tích hạt, độ nhớt của dung dịch nano tăng lên. Leong và các cộng sự [7] đã khảo sát các đặc tính tản nhiệt của một két làm mát ô tô bằng cách sử dụng chất lỏng Ethylenen glycol có bổ sung thêm nano Cu để làm mát.
Sự tác động của tỷ lệ thể tích các hạt Cu với chất lỏng cơ bản, không khí, số Reynolds đến hiệu suất nhiệt của két làm mát và công suất bơm cũng được nghiên cứu và họ kết luận rằng tốc độ tản nhiệt được cải thiện nhờ sự gia tăng nồng độ thể tích của các hạt nano Cu. Ngoài ra, hiệu suất nhiệt của két làm mát có sử dụng nanofluid đã được tăng cường bằng không khí và số Reynolds. Peyghambarzade và các cộng sự [8] đã nghiên cứu hiệu suất làm mát của két làm mát ô tô ở xe có hộp số tự động bằng cách sử dụng môi chất nano Al2O3/nước. Họ đã 4 Luan van chứng minh rằng việc ứng dụng nanofluid với nồng độ thấp có thể cải thiện hiệu quả tản nhiệt lên đến 45% so với nước thông thường.
Trong một nghiên cứu khác, họ cũng đã báo cáo các thí nghiệm với môi chất có chứa các hạt nano Al2O3 trong chất nền Ethylene glycol, kết quả cho thấy việc sử dụng nanofluid trong cả hai điều kiện trên có thể dẫn đến việc tăng sự tản nhiệt [9]. Jung và cộng sự [10] đã tiến hành thí nghiệm truyền nhiệt đối lưu cho chất lỏng nano Al2O3-nước trong một vi kênh hình chữ nhật trong điều kiện dòng chảy laminar. Hệ số truyền nhiệt đối lưu tăng hơn 32% đối với dung dịch có chứa các hạt nano Al2O3 ở nồng độ thể tích 1,8% trong nước.