Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây sự phát triển vượt bật của ngành công nghệ ô tô và xe máy đã cho ra đời xe có hộp số tự động, để đáp ứng nhu cầu phát triển của con người ngày càng cao cần tính đến cái đẹp, thời trang, công suất động cơ lớn, tốc độ cao và đi lại dễ dàng không cần sang số thì xe máy có hợp số tự động gọi là xe tay ga như Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX… ra đời đáp ứng được nhu cầu đó. Để có những ưu điểm đó thì kết cấu hệ thống làm mát trên xe ga cũng có nhiều khác biệt so với xe số là hệ thống làm mát bằng dung dịch, có áo nước bao quanh thành xylanh để làm mát xylanh, toàn bộ thân bao kín, tốc độ lưu thông không khí thấp dù xe chuyển động ở tốc độ cao. Nhưng bên cạnh đó có một số loại xe khi đi vào sử dụng động cơ rất nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên, công suất làm việc động cơ giảm, nếu tiếp tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh. Vì lý do đó người thực hiện chọn đề tài “Tối ưu hóa quá trình giải nhiệt từ thành xylanh ra áo nước trên xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm” nhằm mục đích tăng hiệu suất làm mát động cơ, giúp động cơ tăng công suất làm việc, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ.2 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 1 Xuất phát từ quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, nấm xupap, thành xylanh) chiếm khoảng 25% 35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra.
Vì vậy các chi tiết thường bị đốt nóng mảnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600o C, nhiệt độ nấm xupap có thể lên tới 900oC.1 thể hiện sự phân bố năng lượng trên xe. Trong đó bao gồm 30% là tải nhiệt làm mát, 35% là tải nhiệt theo khí thải và 35% là năng lượng nhiệt có ích [1] Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe [1] Khot và Santosh [2] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và so sánh tính năng của hai áo nước làm mát khác nhau của động cơ Diesel 6 2 xylanh thẳng hàng. Từ phân tích cho thấy rằng model 2 có vận tốc ở đầu áo nước được cải thiện và tổn thất áp suất giảm đã được trình bày ở hình 1.2: Áo nước động cơ 6 xilanh thẳng hàng model 2. Qingzhao wang [3] đã trình bày và phân tích sự phân bố áp suất, vận tốc, hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cho áo nước ở đầu xylanh.
Kết quả phân tích cho thấy rằng nước làm mát trong đầu xylanh đã thực hiện phân phối lưu lượng dòng chảy tốt và sự phân phối áp suất tương đối chấp nhận được. Sự bố trí của các phần trong đầu xylanh đã cung cấp sự tác động cần thiết để tăng khả năng làm mát trong vùng nguy 3 hiểm, như là xupap thải, kim phun nhiên liệu. Vì vậy các chi tiết nóng sẽ không quá nóng để phá hủy. Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh của nghiên cứu thể hiện ở hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh Một phân tích trạng thái truyền nhiệt ổn trên phần đầu xylanh đã được thực hiện bởi Andrew powell [4] tải nhiệt của mặt độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh với phương thức truyền nhiệt đối lưu từ không khí phía trên cánh tản nhiệt đầu xylanh và màng dầu trên các bộ phận trục khuỷu.
Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh đã được thể hiện trong hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh Paul cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu việc dùng không khí để giải nhiệt cho xylanh động cơ bằng cách giả định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh được thể hiện ở hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt của các thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí khi độ dày của cánh tăng lên. Khoảng cách giữa các cánh giảm dần, ảnh hưởng đến quá trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt. Số lượng cánh lớn tương ứng độ dày cánh nhỏ để giải nhiệt cho xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết quả làm cho khả năng trao đổi nhiệt cao hơn.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe Pulkit cùng cộng sự [6] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số CFD. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe, hình dạng cánh tản nhiệt và nhiệt độ xung quanh.
Ở vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933.03W tương ứng được mô phỏng qua hình vẽ 1. 6 Masao cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng cánh, khoảng cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy. Kết quả cho thấy rằng nhiệt tỏa ra từ xylanh không được cải thiện khi thân xylanh có quá nhiều cánh và khoảng cách giữa các cánh quá hẹp tại những tốc độ gió quá thấp, do vậy mà nhiệt độ giữa chúng sẽ tăng lên. Ngoài ra kích thước cánh tối ưu khi xe đứng yên là 20mm và khi xe di chuyển là 8mm được thể hiện như hình 1.7: Khoảng cách giữa các cánh tản nhiệt Công cụ CFD cho phép tối ưu hóa hình dạng vỏ bộ tản nhiệt của xe tải TATA Mini đã được thực hiện bởi Chackol cùng cộng sự [8].
Kết quả cho thấy rằng từ việc giải quyết các thiết kế cơ bản đã loại bỏ được vùng tuần hoàn khép kín và tăng lưu lượng gió thông qua cánh tản nhiệt khoảng 34%. Laramee [9] đã áp dụng một loạt tính năng cao của sự trích đặc điểm công nghệ hiện đại và kỹ thuật hình ảnh để khảo sát dòng chảy của lưu chất xuyên qua áo nước làm mát. Phương pháp mô phỏng số CFD, nghiên cứu này đã đưa ra hình ảnh không gian hình dạng tia phun, dòng chảy, dòng bề mặt…để xác định chính xác sự phân bố nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy và áp suất. Một số nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm cũng được thực hiện bởi Dang cùng cộng sự [10-11].
Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng phần mềm COMSOL để mô phỏng đặt tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của một 7 số bộ trao đổi nhiệt kênh micro và mini. Bên cạnh đó, các tác giả cũng đã nghiên cứu thành công bộ tản nhiệt kênh mini thay cho két nước truyền thống. Hệ thống làm mát trên xe tay ga hiện nay chủ yếu dùng dung dịch ethylene, có áo nước bao quanh thành xylanh để làm mát xylanh. Tuy nhiên, hiện nay một số loại xe khi đưa vào sử dụng, động cơ rất nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên cao nếu tiếp tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh.
Từ những nghiên cứu liên quan trên, cũng có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc tăng cường giải nhiệt cho xylanh xe gắn máy. Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số về tăng cường giải nhiệt cho áo nước xylanh xe máy bằng cách xẻ rãnh là đề tài khá mới, đặc biệt trong trường hợp mô phỏng 3D cho toàn bộ xylanh. Vì vậy, việc nghiên cứu tăng cường làm mát cho xylanh bằng cách xẻ rãnh áo nước là hết sức cần thiết. Nghiên cứu này sẽ giúp động cơ tăng công suất, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ.
Do dung dịch ethylene ở nồng độ thấp có hiệu quả truyền nhiệt tương đồng với nước tinh khiết [10] nên trong nghiên cứu này, nước tinh khiết được sử dụng làm lưu chất làm việc. Thêm vào đó, nghiên cứu này chỉ tập trung vào nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt chứ không nghiên cứu về cơ tính của xylanh khi xẻ rãnh. Về tình hình nghiên cứu giải nhiệt két nước và áo nước trên xe ô tô cũng như xe máy ở Việt Nam, rất ít nhà nghiên cứu đã đề cập vấn đề này và công bố kết quả trên các nguồn dữ liệu chính thống.3 Mục đích của đề tài Đề tài này tập trung nghiên cứu đánh giá quá trình giải nhiệt giữa thành xylanh và áo nước trên xe tay ga. Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu đánh giá để làm tăng hiệu suất làm mát cho động cơ, giúp động cơ tăng công suất làm việc, hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài Tập trung nghiên cứu đánh giá quá trình trao đổi nhiệt áo nước và thành xylanh trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan.
8 Nghiên cứu tạo rãnh trên thành áo nước xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm. Nghiên cứu này thực hiện ở điều kiện truyền nhiệt ổn định, nắp máy không đổi. Đề tài này chỉ tập trung vào nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt chứ không nghiên cứu về cơ tính của xylanh khi xẻ rãnh. Do khả năng và thời gian có hạn nên tác giả chỉ tập trung vào phân tích quá trình trao đổi nhiệt giữa áo nước và thành xylanh trên xe tay ga, không có nghiên cứu về phần kết cấu.5 Phương pháp nghiên cứu Tổng quan các kết quả phân tích của các nghiên cứu liên quan.
Phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm. So sánh kết quả. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết truyền nhiệt Lý thuyết nền tảng Về cơ bản có ba phương thức sau: Dẫn nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật chất có nhiệt độ khác nhau khi tiếp xúc trực tiếp nhau. Trong quá trình này, nhiệt lượng truyền qua, còn vật chất đứng yên.
9 Trao đổi nhiệt đối lưu: xảy ra giữa lưu chất (khí) và bề mặt rắn mà ở đó có nhiệt độ khác nhau. Lúc này truyền nhiệt gắn liền với dòng chảy. Trao đổi nhiệt bức xạ: Chủ yếu là do trao đổi của năng lượng sóng điện từ. Trong trao đổi nhiệt bức xạ không cần tiếp xúc.
Nó là quá trình trao đổi nhiệt qua lại giữa năng lượng sóng điện từ và nhiệt năng. Các định luật cơ bản chi phối tất cả sự truyền nhiệt là định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, thường được gọi là nguyên tắc bảo toàn năng lượng [7, 8]. Tuy nhiên, nội năng U, là một đại lượng khá phức tạp để đo lường và sử dụng trong mô phỏng.
