Đồ án nghiên cứu hệ thống làm mát động cơ D-243 - ĐH Bách Khoa Hà Nội

Tổng hợp đồ án hệ thống làm mát động cơ chi tiết với cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính toán thiết kế chuẩn xác dành cho sinh viên ngành ô tô.

• Tác giả: Nguyễn Văn Chính
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Khổng Vũ Quảng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu hệ thống làm mát động cơ D-243 và đề xuất quy trình bảo dưỡng sửa chữa hệ thống làm mát
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án hệ thống làm mát động cơ

Đồ án hệ thống làm mát động cơ nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động và quy trình bảo dưỡng hệ thống này trên động cơ đốt trong. Hệ thống làm mát đảm bảo nhiệt độ động cơ hoạt động trong ngưỡng an toàn bằng cách loại bỏ nhiệt dư thừa từ buồng đốt. Có hai loại chính: làm mát bằng nước (tuần hoàn cưỡng bức) và làm mát bằng không khí (tự nhiên/cưỡng bức). Đồ án phân tích ưu nhược điểm từng loại, cấu tạo chi tiết như két nước, bơm nước, van hằng nhiệt và đề xuất quy trình bảo dưỡng tối ưu. Nội dung bao gồm đánh giá hiệu suất làm mát, phương pháp kiểm tra hư hỏng và giải pháp nâng cao tuổi thọ hệ thống.

1.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của hệ thống làm mát

Hệ thống làm mát có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ động cơ trong khoảng 85-95°C bằng cách truyền nhiệt từ buồng đốt ra môi trường. Yêu cầu quan trọng gồm: khả năng tản nhiệt cao, độ bền cơ học, chống ăn mòn, dễ bảo dưỡng và hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt. Động cơ D-243 sử dụng hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức với két nước, bơm nước và van hằng nhiệt. Van hằng nhiệt điều chỉnh lưu lượng nước dựa trên nhiệt độ động cơ, đảm bảo nhiệt độ hoạt động ổn định.

1.2. Phân loại hệ thống làm mát động cơ

Hệ thống làm mát động cơ chia thành hai nhóm chính: bằng nước (chiếm 80% động cơ hiện đại) và bằng không khí. Hệ thống bằng nước gồm kiểu đối lưu tự nhiên (ít hiệu quả) và tuần hoàn cưỡng bức (dùng bơm). Hệ thống bằng không khí gồm kiểu tự nhiên (tản nhiệt trực tiếp) và cưỡng bức (dùng quạt gió). Động cơ D-243 sử dụng hệ thống bằng nước tuần hoàn cưỡng bức với ưu điểm tản nhiệt đồng đều, hiệu suất cao nhưng yêu cầu bảo dưỡng định kỳ để tránh đóng cặn.

II. Phân tích vấn đề hệ thống làm mát động cơ D 243

Động cơ D-243 gặp phải nhiều vấn đề liên quan đến hệ thống làm mát do thiết kế cũ và điều kiện vận hành khắc nghiệt. Các vấn đề phổ biến gồm rò rỉ nước, đóng cặn trong két nước, hỏng van hằng nhiệt và cánh quạt bơm nước. Rò rỉ thường xảy ra tại các mối nối, gioăng cao su hoặc ống dẫn, gây mất nước và giảm hiệu suất làm mát. Đóng cặn xảy ra do sử dụng nước không tinh khiết, làm giảm lưu lượng nước tuần hoàn. Van hằng nhiệt kém nhạy có thể gây quá nhiệt hoặc làm mát quá mức động cơ.

2.1. Nguyên nhân hư hỏng hệ thống làm mát

Hư hỏng hệ thống làm mát động cơ D-243 chủ yếu do tuổi thọ thiết bị, điều kiện vận hành và chất lượng nước. Nước cứng gây đóng cặn trong két nước và đường ống, làm giảm lưu lượng tuần hoàn. Áp suất nước không đủ do bơm nước yếu hoặc rò rỉ khiến nhiệt không được tản đi. Van hằng nhiệt kém nhạy không điều chỉnh được lưu lượng nước theo nhiệt độ động cơ, dẫn đến quá nhiệt hoặc làm mát không đủ. Ngoài ra, cánh quạt bơm nước bị mòn hoặc biến dạng cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm mát.

2.2. Ảnh hưởng của hư hỏng đến động cơ

Hư hỏng hệ thống làm mát gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho động cơ D-243. Quá nhiệt động cơ làm tăng áp suất bên trong, gây cong vênh nắp máy, piston bị kẹt hoặc nổ vòng găng. Làm mát không đủ khiến động cơ hoạt động kém hiệu quả, tiêu hao nhiên liệu tăng và giảm công suất. Rò rỉ nước vào các-te pha loãng dầu bôi trơn, gây mài mòn chi tiết nhanh chóng. Trong điều kiện lạnh, nước đóng băng gây vỡ đường ống hoặc két nước, dẫn đến hỏng động cơ hoàn toàn.

III. Giải pháp cải tiến hệ thống làm mát động cơ

Để nâng cao hiệu suất hệ thống làm mát động cơ D-243, đồ án đề xuất nhiều giải pháp kỹ thuật và quy trình bảo dưỡng. Thay thế vật liệu két nước bằng hợp kim nhôm chống ăn mòn, sử dụng nước tinh khiết hoặc dung dịch chống đông. Nâng cấp bơm nước với lưu lượng lớn hơn và van hằng nhiệt có độ nhạy cao. Áp dụng phương pháp sục rửa hệ thống định kỳ bằng dung dịch chuyên dụng để loại bỏ cặn bẩn. Thiết lập quy trình kiểm tra định kỳ các chi tiết như phớt chắn nước, cánh quạt bơm và đường ống dẫn.

3.1. Quy trình bảo dưỡng hệ thống làm mát

Quy trình bảo dưỡng hệ thống làm mát động cơ D-243 gồm các bước: kiểm tra rò rỉ nước bằng dung dịch xà phòng, vệ sinh két nước và đường ống bằng dung dịch tẩy cặn, kiểm tra van hằng nhiệt bằng nhiệt kế hồng ngoại. Đo lưu lượng bơm nước bằng đồng hồ đo lưu lượng, kiểm tra cánh quạt bơm bằng thước kẹp. Thay thế gioăng, phớt chắn nước định kỳ theo khuyến cáo nhà sản xuất. Sử dụng dung dịch chống đông phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương.

3.2. Phương pháp nâng cao hiệu suất làm mát

Hiệu suất làm mát được cải thiện bằng cách tối ưu hóa lưu lượng nước tuần hoàn, tăng diện tích tản nhiệt két nước và sử dụng quạt gió có công suất phù hợp. Lắp đặt cảm biến nhiệt độ chính xác để điều khiển van hằng nhiệt tự động. Sử dụng vật liệu cách nhiệt cho nắp máy và thân động cơ để giảm thiểu nhiệt thất thoát. Áp dụng công nghệ quạt gió biến tần điều chỉnh tốc độ theo tải trọng động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm tiếng ồn.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn đồ án

Đồ án hệ thống làm mát động cơ D-243 cung cấp cái nhìn toàn diện về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và quy trình bảo dưỡng hệ thống này. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc áp dụng các giải pháp cải tiến như thay thế vật liệu, nâng cấp thiết bị và quy trình bảo dưỡng định kỳ có thể kéo dài tuổi thọ động cơ lên 20-30%. Đồ án cũng đề xuất phương pháp kiểm tra hư hỏng hiệu quả, giúp giảm thời gian sửa chữa và chi phí bảo trì. Các kết quả này có thể ứng dụng rộng rãi cho các động cơ diesel cùng loại, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống làm mát.

4.1. Đánh giá hiệu quả giải pháp đề xuất

Các giải pháp cải tiến hệ thống làm mát động cơ D-243 mang lại hiệu quả rõ rệt về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc thay thế két nước bằng hợp kim nhôm chống ăn mòn giúp tăng tuổi thọ lên 50%, giảm chi phí sửa chữa. Nâng cấp bơm nước và van hằng nhiệt cải thiện 15% hiệu suất làm mát, giảm tiêu hao nhiên liệu. Quy trình bảo dưỡng định kỳ giúp phát hiện sớm hư hỏng, giảm thời gian ngừng máy xuống 40%. Tổng chi phí đầu tư ban đầu ước tính 15-20 triệu đồng, nhưng tiết kiệm được 30-40 triệu đồng/năm nhờ giảm chi phí nhiên liệu và bảo trì.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai cho hệ thống làm mát động cơ D-243 bao gồm ứng dụng công nghệ IoT để giám sát nhiệt độ và lưu lượng nước từ xa. Tích hợp hệ thống làm mát hybrid kết hợp giữa nước và không khí để tối ưu hóa hiệu suất trong mọi điều kiện vận hành. Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano trong chế tạo két nước nhằm tăng cường khả năng tản nhiệt. Phát triển phần mềm chẩn đoán hư hỏng tự động dựa trên dữ liệu cảm biến, giúp người vận hành phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Mục đích, yêu cầu và nhiệm vụ của hệ thống làm mát động cơ đốt trong.1 Mục đích Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy như: Piston, xéc măng, xupap, nắp xi lanh, thành xi lanh chiếm khoảng 25  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra. Nhiệt độ đỉnh piston có thể lên đến 600℃ , còn nhiệt độ xupap thải có thể lên đến 900℃. Nhiệt độ của các chi tiết máy cao gây ra những hậu quả xấu như: làm giảm sức bền, tuổi thọ của các chi tiết máy, giảm độ nhớt của dầu bôi trơn nên làm tăng tổn thất ma sát, bó kẹt các cặp chi tiết truyền động, giảm hệ số nạp, kích nổ trong động cơ xăng… Vì vậy cần thiết phải làm mát động cơ. Hệ thống làm mát động cơ có nhiệm vụ thực hiện quá trình truyền nhiệt từ khí cháy qua thành buồng cháy rồi đến môi chất làm mát để đảm bảo cho nhiệt độ của các chi tiết không quá nóng nhưng cũng không quá nguội.

Động cơ quá nóng sẽ gây ra các hiện tượng như đã nói, còn quá nguội tức là động cơ được làm mát quá nhiều vì vậy tổn thất nhiệt cho dung dịch làm mát nhiều, nhiệt lượng dùng để sinh công ít do đó hiệu suất nhiệt của động cơ thấp, ngoài ra do nhiệt độ động cơ thấp ảnh hưởng đến chất lượng dầu bôi trơn, độ nhớt của dầu bôi trơn tăng, dầu bôi trơn khó lưu động vì vậy làm tăng tổn thất cơ giới và tổn thất ma sát, ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất động cơ Hệ thống làm mát của động cơ D-243 làm mát bằng chất lỏng, tuần hoàn cưỡng bức từ một máy bơm ly tâm dẫn động bởi trục khuỷu. Điều khiển nhiệt độ được thực hiện từ xa, sử dụng một cảm biến gắn trong đầu xi lanh.2 Yêu cầu của hệ thống làm mát Đối với động cơ D-243 cũng như các động cơ khác thì hệ thống làm mát phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Làm việc êm dịu, tiêu hao công suất cho làm mát bé - Bảo đảm nhiệt độ của môi chất làm mát tại cửa ra van hằng nhiệt ở khoảng 8595℃ và nhiệt độ của dầu bôi trơn trong động cơ khoảng 95÷115℃. - Bảo đảm động cơ làm việc tốt ở mọi chế độ và mọi điều kiện khí hậu cũng như điều kiện đường sá, kết cấu nhỏ gọn, dễ bố trí.3 Nhiệm vụ của hệ thống làm mát Làm mát động cơ: hệ thống làm mát có nhiệm vụ chính là làm mát động cơ, tản nhiệt khỏi các chi tiết, giữ cho nhiệt độ của các chi tiết không vượt quá giá trị cho phép do đó đảm bảo điều kiện hoạt động bình thường của động cơ. Ngoài ra hệ thống cũng có nhiệm vụ rút ngắn thời gian chạy ấm máy, nhanh chóng đưa động cơ đến nhiệt độ làm việc.

Làm mát dầu bôi trơn: trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt độ của dầu bôi trơn tăng lên không ngừng do các nguyên nhân cơ bản sau: - Dầu bôi trơn phải làm mát các trục, tỏa nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát các ổ trục ra ngoài. - Dầu bôi trơn tiếp xúc trực tiếp với các chi tiết máy có nhiệt độ cao như cò mổ, đuôi xupap, piston. Để đảm bảo nhiệt độ làm việc của dầu ổn định, giữ độ nhớt dầu ít thay đổi và đảm bảo khả năng bôi trơn, vì vậy cần phải làm mát dầu bôi trơn. Đường dầu bôi trơn được khoan song song với đường nước làm mát động cơ.

Khi nước làm mát động cơ đồng thời làm mát luôn cho dầu bôi trơn, nhằm hạ nhiệt độ cho dầu bôi trơn.2 Các phương pháp và đặc điểm kết cấu của hệ thống làm mát ĐCĐT Căn cứ vào môi chất làm mát, ta phân biệt hai loạt hệ thống làm mát: hệ thống làm mát bằng nước và hệ thống làm mát bằng không khí. Hầu hết các động cơ đốt trong trên ô tô sử dụng phương pháp làm mát bằng nước. Làm mát bằng không khí được sử dụng phổ biến cho các động cơ xe mô tô, xe máy và một số loại xe chuyên dụng.1 Hệ thống làm mát bằng nước Trong hệ thống này nước được dùng làm môi chất trung gian truyền tải nhiệt khỏi các chi tiết. Tùy thuộc vào tính chất lưu động của nước trong hệ thống làm mát người ta chia thành các kiểu: làm mát kiểu bốc hơi, làm mát kiểu đối lưu tự nhiên, kiểu tuần hoàn cưỡng bức.

Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi Hệ thống làm mát kiểu bốc hơi là loại đơn giản nhất. Hệ thống này không cần bơm, quạt. Bộ phận chứa nước có hai phần: khoang nước bao quanh thành xilanh, khoang nắp xilanh và thùng chứa nước bay hơi ở phía trên. Khi động cơ làm việc, 4 nước nhận nhiệt của thành buồng cháy sẽ sôi tạo thành bọt nước, nổi lên mặt thoáng của thùng chứa để bốc hơi ra ngoài khí trời.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống như sau Hình 1.1: Hệ thống làm mát bằng nước kiểu bốc hơi 1- Thùng chứa nước; 2- Khoang chứa nước bốc hơi; 3- Nắp xi lanh; 4- Thân máy; 5- Xi lanh; 6- Piston; 7- Các-te chứa dầu; Khi động cơ làm việc, nước bao xung quanh buồng cháy sẽ sôi. Nước sôi có tỉ trọng bé hơn nên nổi lên bên trên mặt thoáng của thùng chứa để bốc hơi ra ngoài khí trời. Nước nguội trong thùng chứa có tỉ trọng lớn chìm xuống thế vào phần nước nóng nổi lên tạo thành lưu động đối lưu tự nhiên. Căn cứ vào nhiệt lượng của động cơ và cách bố trí động cơ đứng hay nằm để thiết kế.

Do dùng phương pháp bốc hơi, lượng nước trong thùng chứa sẽ giảm nhanh, do đó cần bổ sung nước thường xuyên và kịp thời. Do vậy kiểu làm mát này không thích hợp để bố trí trên các phương tiện vận tải mà thường được dùng cho các động cơ đốt trong kiểu xilanh nằm ngang trên các máy công nghiệp cỡ nhỏ. Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên Trong hệ thống làm mát kiểu đối lưu tự nhiên, nước lưu động tuần hoàn nhờ sự chênh lệch áp lực giữa 2 cột nước nóng và lạnh mà không cần bơm. Cột nước nóng trong động cơ và cột nước lạnh trong thùng chứa hoặc két nước 5 Hình 1.2: Hệ thống làm mát bằng nước kiểu đối lưu tự nhiên 1- Đường nước làm mát vào động cơ; 2- Không khí làm mát; 3- Đường dẫn nước vào két làm mát; 4- Nắp đậy két làm mát; 5- Đường nước ra két; 6- Quạt gió; 7- Nấp xilanh; 8- Xi lanh; 9-Thân máy Nước nhận nhiệt của xilanh trong thân máy, làm cho khối lượng riêng nước giảm nên nổi lên trên.

Trong khoang của nắp xilanh, nước tiếp tục nhận nhiệt của các chi tiết bên trong buồng cháy khiến nhiệt độ của nước tiếp tục tăng lên và khối lượng riêng của nước tiếp tục giảm nên nước nổi lên trên theo đường dẫn ra khoang phía trên của két làm mát. Quạt gió được dẫn động bởi puly từ trục khuỷu hút không khí qua két. Do đó nước trong két được làm mát được chìm xuống khoang dưới. 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.

Độ chênh áp lực phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ của hai cột nước, do đó cường độ làm mát có thể tự động điều chỉnh theo phụ tải. Khi mới khởi động do sự chênh lệch nhiệt độ hai cột nước nóng và nguội là bé nên chênh lệch áp lực hai cột nước không nhiều. Vì vậy, nước lưu động chậm, động cơ nhanh đạt nhiệt độ ở chế độ làm việc. Sau đó phụ tải tăng thì độ chênh lệch nhiệt độ của hai cột nước cũng tăng theo, tốc độ lưu động của nước tăng theo.

Đô chênh áp lực cũng còn phụ thuộc vào hiệu độ chênh chiều cao trung bình của hai cột nước, do đó phải luôn đảm bảo mức nước của thùng chứa luôn phải cao hơn mức nước ra của động cơ. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức khắc phục nhược điểm của hệ thống làm mát kiểu đối lưu. Trong hệ thống này, nước lưu động do sức đẩy của cột nước của máy bơm nước tạo ra. Tùy theo số vòng tuần hoàn và kiểu tuần hoàn ta có các loại hệ thống tuần hoàn cưỡng bức như: 6 Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng kín Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức một vòng hở Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức hai vòng tuần hoàn Mỗi kiểu làm mát có những nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng khác nhau.

Hệ thống làm mát cưỡng bức tuần hoàn một vòng kín Hình 1.3: Hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng tuần hoàn kín 1- Thân máy; 2- Nắp máy; 3- Đường nước nóng vào két; 4- Nhiệt kế; 5- Van hàng nhiệt; 6- Két nước làm mát; 7- Quạt gió; 8- Puly bơm; 9- Đường nước nối tắt vào bơm; 10- Đường nước làm mát động cơ; 11- Bơm; 12- Đường nước làm mát dầu bôi trơn; Trên hình 1.3 là hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức. Nước tuần hoàn nhờ một bơm ly tâm (11) qua các đường ống các khoang chứa xilanh. Để phân phối nước làm mát đồng đều cho mỗi xilanh, nước sau khi bơm vào thân máy (1) chảy qua các ống phân phối đúc sẵn trong động cơ. Sau khi làm mát xilanh, nước lên làm mát nắp máy rồi theo đường (2) ra khỏi động cơ mang theo nhiệt độ cao đến van hằng nhiệt (5).

Khi van mở, một phần nước chảy qua đường ống (9) về đường ống hút của bơm nước. Một phần nước qua van hằng nhiệt vào ngăn chứa phía trên của két nước. Tiếp theo, nước từ ngăn phía trên của két đi qua các ống mỏng có gắn cánh tản nhiệt. Tại đây, nước được làm mát bởi dòng không khí đi qua két do quạt (7) tạo ra.

Quạt được dẫn động bằng dây đai từ trục khuỷu của động cơ. Tại ngăn 7 chứa phía dưới, nước có nhiệt độ thấp hơn lại được bơm (11) đẩy vào động cơ thực hiện một chu trình làm mát tuần hoàn mới. Ưu điểm của hệ thống làm mát cưỡng bức một vòng kín là nước sau khi qua két làm mát lại trở về động cơ. Do đó ít phải bổ sung nước, tận dụng việc trở lại nguồn nước để tiếp tục làm mát động cơ.

Vì vậy, hệ thống này rất thuận lợi đối với các loại xe đường dài, nhất là ở những vùng thiếu nguồn nước.