6.1. PHÂN LOẠI VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT

Trong khi động cơ hoạt động, nhiệt độ ở trong các xi lanh rất cao, ở kỳ nổ có thể đạt tới hàng ngàn độ, do vậy động cơ cần phải có hệ thống làm mát để thoát nhiệt kịp thời cho các chi tiết bị nóng quá và có như vậy thì mới có thể đảm bảo cho nó hoạt động được bình thường.

Các loại động cơ đốt trong ngày nay có hiệu suất nhiệt rất thấp, chẳng hạn các động cơ xăng có hiệu suất nằm trong khoảng 23 ¸ 28 %. Nghĩa là, bình quân chỉ có khoảng 25 % năng lượng do nhiên liệu bị đốt cháy là được chuyển hoá thành cơ năng hữu ích phục vụ cho các hoạt động của động cơ. Còn lại, khoảng 34 % năng lượng đi theo khí xả thải ra ngoài không khí, 6 % mất mát do ma sát, 3 % chi phí cho kéo tải bơm nước và khoảng 32 % được thải vào không khí qua hệ thống làm mát.

Ví dụ trên đây cho thấy sự tồn tại của hệ thống làm mát là tất yếu để đảm bảo cho động cơ có thể hoạt động được bình thường. Hiện nay có hai phương pháp làm mát động cơ: làm mát bằng chất lỏng và làm mát bằng không khí. Phần lớn các động cơ đốt trong đặt trên ôtô sử phương pháp làm mát bằng nước và chỉ một số rất ít được làm mát bằng không khí.

Dù là làm mát bằng phương pháp nào thì khu vực cần tập trung làm mát cũng chính là thành xi lanh và nắp máy, vì đây là khu vực tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ rất cao. Nếu làm mát bằng không khí thì các nắp máy và vỏ ngoài của xi lanh phải có gắn các cánh tản nhiệt, còn nếu làm mát bằng nước thì bao quanh các xi lanh và các nắp máy phải có các khoang chứa nước làm mát (các áo nước).

Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát bằng không khí được thể hiện trên hình 6.1.

Các động cơ làm mát bằng không khí thường được bao bọc bởi các tấm bao để tạo thành khoang làm mát, khoang này đảm bảo cho hiệu quả của luồng không khí làm mát được cao hơn. Hệ thống này hoạt động như sau. Quạt gió 7 thổi không khí đi qua hệ thống các cánh dẫn hướng 8 và đi vào khoang làm mát, tại đây không khí lạnh đi qua các chi tiết nóng (xi lanh và nắp máy) lấy bớt nhiệt của chúng rồi đi ra ngoài. Như vậy cũng chính các tấm bao làm nhiệm vụ hướng dòng khí đi tới những nơi cần làm mát và sau đó dẫn khí nóng ra ngoài. Các tấm này được chế tạo rời, có gân tạo độ cứng vững và được lắp lại với nhau tạo thành khoang. Quạt gió thường được dẫn động bằng dây đai từ pu li trên đầu trục khuỷu hoặc dẫn động bằng bánh răng. Đôi khi cũng có thể gặp hệ dẫn động quạt gió bằng thuỷ lực (hình 6.2).

Các động cơ làm mát bằng không khí có xi lanh cùng với nắp máy được chế tạo rời từng chiếc một. Bao quanh xi lanh và nắp máy là các cánh tản nhiệt, các cánh này có nhiệm vụ tăng bề mặt tiếp xúc với không khí làm mát.

Trên thực tế, các động cơ ôtô rất ít khi sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí mà sử dụng chủ yếu hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Chất lỏng làm mát thường là nước có pha thêm các chất phụ gia hoặc chất lỏng chuyên dùng. Trước đây các động cơ chủ yếu sử dụng nước để làm mát, bởi vậy hệ thống làm mát bằng chất lỏng thường được gọi một cách đơn giản là hệ thống "làm mát bằng nước".

Hệ thống làm mát bằng chất lỏng có thể được phân biệt theo phương pháp truyền nhiệt: hệ thống làm mát bằng đối lưu và hệ thống làm mát cưỡng bức. Trong hệ thống làm mát theo nguyên tắc đối lưu, chất lỏng luân chuyển được là nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữ các vùng của hệ thống. Phương pháp làm mát này có hiệu quả thấp do dòng đối lưu rất yếu nên được sử dụng rất hạn chế, chủ yếu trên một số động cơ có công suất nhỏ.

Hệ thống làm mát cưỡng bức được sử dụng rộng rãi hơn nhờ có khả năng chuyển tải lượng nhiệt rất lớn và hiệu quả làm mát cao. Hệ thống có thể là kín (không thông với khí quyển) hoặc hở (luôn thông với khí quyển).

Các động cơ ôtô đều sử dụng hệ thống làm mát cưỡng bức loại kín, trong đó chất lỏng được luân chuyển nhờ một bơm chuyên dùng (thường là bơm ly tâm). Do hệ thống luôn luôn kín nên khi động cơ hoạt động nước nóng lên và nở ra làm tăng áp suất trong hệ thống và như vậy nhiệt độ sôi của nước trong hệ thống làm mát cũng được tăng lên. Trong một hệ thống như vậy, thường phải có một van điều áp (xem hình 6.6) để xả bớt chất lỏng ra ngoài tránh cho áp suất trong hệ thống tăng cao quá gây nguy hiểm. Nhiệt độ sôi của nước trong các hệ thống làm mát kín có thể đạt tới 120° C.

Chế độ nhiệt tối ưu của động cơ là khi nhiệt độ nước ở trong áo nước của xi lanh vào khoảng 80 ¸ 100° C. Điều đó có nghĩa là hệ thống làm mát phải được tính toán thiết kế sao cho trong quá trình động cơ làm việc nó phải luôn luôn duy trì được chế độ nhiệt nói trên cho động cơ trong mọi điều kiện.

Trên hình 6.3 là sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống làm mát bằng chất lỏng lưu thông cưỡng bức và kín.

Khi động cơ hoạt động, chất lỏng được lưu thông nhờ bơm ly tâm 9. Bơm này cùng với quạt gió được dẫn động bằng dây đai từ một pu li trên đầu trục khuỷu. Bơm đẩy nước đi vào các khoang làm mát trên thân máy và trong nắp máy, sau đó nước được dẫn ra qua van hằng nhiệt 5 rồi trở lại bơm nước tạo thành một vòng tuần hoàn kín. Nhờ có van hằng nhiệt nước có thể được lưu thông theo một trong hai vòng tuần hoàn lớn hoặc nhỏ tuỳ theo chế độ nhiệt của động cơ.

Khi động cơ nguội (mới nổ máy), nhiệt độ nước còn thấp hơn 70° C thì van nhiệt đóng, nước lưu thông theo vòng tuần hoàn nhỏ: từ van hằng nhiệt theo ống nối 4 tới bơm rồi lại đi vào thân máy để làm mát, nghĩa là nước không đi qua két làm mát, do vậy nó nóng lên nhanh chóng. Nhờ vậy mà động cơ nhanh chóng đạt được chế độ nhiệt định mức (80 ¸ 100° C).

Khi động cơ đã nóng, nhiệt độ nước vượt quá 70° C thì van nhiệt tự động mở ra và lúc này nước làm mát lưu thông theo vòng tuần hoàn lớn, lần lượt đi qua các bộ phận sau: bơm - các khoang làm mát trong thân và nắp máy - van hằng nhiệt - đường ống 3 - két nước - đường ống 10 - bơm. Lúc này nước được làm mát tại két nước nhờ có luồng không khí thổi qua két nước. Nhiệt độ nước làm mát ở khu vực vừa ra khỏi động cơ được đo bằng một cảm biến nhiệt và báo lên đồng hồ 6 đặt trên bảng tablô của xe.

Hiện nay, trên các động cơ ôtô thường áp dụng các biện pháp kỹ thuật nhằm tự động duy trì chế độ nhiệt của động cơ. Việc này có thể được thực hiện bằng cách thay đổi góc nghiêng của quạt gió; thay đổi lượng không khí thổi qua két nước; sử dụng quạt gió dẫn động bằng điện hoặc thuỷ lực để có thể điều khiển tắt quạt khi động cơ quá nguội và bật lại khi nó đã đủ nóng, ... Tất cả các phương pháp kể trên đều phải dựa vào tín hiệu điều khiển từ một cảm biến đo nhiệt độ nước.

6.2- CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT.

Két nước là bộ phận trao đổi nhiệt trong hệ thống làm mát, ở đây nước nóng bị luồng khí đi qua lấy bớt nhiệt và nguội đi. Cấu tạo của két nước được mô tả trên hình 6.4. Ta có thể nhận thấy rằng về nguyên lý cấu tạo thì két nước hoàn toàn giống như két dầu đã mô tả ở chương V (hình 5.7). Tuy nhiên, do có nhiệm vụ làm mát cho toàn bộ động cơ cho nên nó có kích thước và số lượng các ống lớn hơn nhiều so với két dầu.

Két nước bao gồm khoang dưới 3 và khoang trên 6 (hình 6.4), hai khoang này được nối với nhau bằng các ống dọc được bao quanh bằng các cánh tản nhiệt. Nước được dẫn vào theo ống 9 vào khoang trên của két nước, sau đó đi theo các ống dọc xuống khoang dưới. Trong khi đi theo các ống dọc nước nóng truyền nhiệt cho các cánh tản nhiệt và lượng nhiệt này bị luồng không khí thổi qua lấy đi. Từ khoang dưới nước đã được làm mát được dẫn ra ngoài và theo ống 9 để đi tiếp tới những nơi cần làm mát. Cấu tạo của các ống dẫn và các cánh ở phần thân két nước được mô tả trên hình 6.5.

Trên các động cơ ôtô két nước thường được đặt ở phía đầu xe, phía trước động cơ. Nó được bắt lên khung thông qua các ụ cao su.

Nắp két nước (hình 6.6) có nhiệm vụ đậy kín két nước không cho hệ thống thông với khí quyển. Tuy nhiên, trong khi động cơ làm việc có thể có lúc nhiệt độ nước lên quá cao làm tăng áp suất trong hệ thống tới mức nguy hiểm. Để tránh hiện tượng này và điều tiết lượng nước trong hệ thống người ta lắp trong nắp két nước một bộ van như thể hiện trên hình 6.6.

Trên hình 6.6 có thể hiện 2 van: van to gọi là van hơi, còn van nhỏ gọi là van chân không. Bình thường, van hơi luôn luôn đóng, nó được tỳ chặt vào miệng lỗ đổ nước 8 của két nước (hình 6.4) nhờ một lò xo. Khi nước quá nóng thì áp suất trong hệ thống tăng cao. Nếu áp suất dư vượt quá 0,045 ¸ 0,055 MPa thì hơi nước đẩy van hơi mở ra cho hơi thoát ra và đi vào bầu chứa phụ, tại đây hơi nước gập nhiệt độ thấp ngưng tụ lại thành nước (hình 6.6- b). Ngược lại khi nước nguội đi thì áp suất trong hệ thống giảm xuống, nước trong két co lại tạo nên độ chân không trong két nước, lúc này van chân không mở ra và nước từ bầu chứa phụ bị hút vào trong két (hình 6.6- a). Nếu động cơ không có bầu chứa phụ thì hơi nước được xả ra ngoài không khí.

Bơm nước sử dụng trong hệ thống làm mát là bơm ly tâm (hình 6.7), nó cho phép tạo được lưu lượng lớn với áp suất vừa phải. Cấu tạo của bơm nước được thể hiện trên hình 6.7, nó bao gồm các bộ phận chính như sau. Thân bơm gồm 2 phần: phần 4 bằng gang đúc, trong đó có lắp các ổ bi đõ trục và phần 5 chứa các cánh bơm. Trục 10 được lắp trên 2 ổ bi 8 và 9 có trang bị các phớt làm kín. Đầu phía trong của trục có lắp bánh bơm và phớt 7, phớt này cùng với một tấm phíp có nhiệm vụ ngăn không cho nước chảy sang khoang chứa các ổ bi và chảy ra ngoài. Đầu trục còn lại là nơi lắp cánh quạt 6 cùng với pu li 3. Bơm và quạt gió được dẫn động chung bằng dây đai hình thang. Khi động cơ hoạt động, trục bơm và quạt gió quay, lúc này nước được hút vào khoang giữa các cánh bơm rồi bị đẩy về phía vỏ bơm do lực ly tâm, sau đó nước được dẫn theo khoang xoắn ốc trên vỏ bơm và đẩy ra ngoài. Tốc độ quay của bơm phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ. Các ổ bi của bộ phận bơm nước - quạt gió được bôi trơn bằng mỡ. Trong quá trình sử dụng cần phải thường xuyên kiểm tra độ căng của dây đai, nếu dây đai bị chùng thì sẽ có hiện tượng trượt và bơm không phát huy được hết công suất.

Van hằng nhiệt làm nhiệm vụ đóng mở các đường nước thích hợp để cho nước làm mát lưu thông theo một trong 2 vòng tuần hoàn (lớn hoặc nhỏ) tuỳ theo chế độ nhiệt của động cơ.

Van hằng nhiệt được bố trí ở đầu ống 8, ngay trên đường đi ra của nước sau khi đã đi qua các khoang làm mát trong thân máy. Ở đây tạo thành ngã ba: phía dưới là đường nước từ thân máy đi ra, phía trên là đường dẫn tới két nước và bên trái là đường dẫn tới két nước. Van hoạt động nhờ một bộ phận cảm nhiệt đặt trong bầu 1. Bầu có chứa hoạt chất 2 rất nhạy cảm với nhiệt độ và có độ giãn nở theo nhiệt lớn (sáp nến, bột đồng, ...). Bầu 1 được đậy kín bởi màng 3, trên đó có gắn đoạn nối 11 và cần đẩy 5 đặt trong ống dẫn hướng 4. Đầu trên của cần đẩyđược nối với đòn mở 9 của van 7.

Khi động cơ còn lạnh thì van 7 đóng, ngăn không cho nước từ thân máy ra đi tới két nước, lúc này nước được dẫn thẳng tới bơm để tiếp tục được đẩy đi làm mát, đây chính là vòng tuần hoàn nhỏ. Khi động cơ nóng lên thì hoạt chất cảm nhiệt nóng chảy và tăng thể tích vì vậy mà màng 3 bị nâng lên đẩy cần 5 lên theo, lò xo 6 dãn ra và van 7 hé mở. Một phần nước bắt đầu được dẫn qua két làm mát. Mức độ mở cua van 7 tuỳ thuộc vào nhiệt độ nước, nhiệt độ càng cao thì thể tích của hoạt chất càng lớn và van mở càng nhiều. Nói chung, van hằng nhiệt được thiết kế để bắt đầu mở ở nhiệt độ 70 ± 2° C và mở hoàn toàn ở nhiệt độ 83 ± 2° C.

Ngoài dạng van như mô tả trên đây, trên các loại động cơ đốt trong còn có thể gặp loại van sử dụng chất dãn nở ở thể lỏng (rượu ê-ti-líc). Nguyên lý hoạt động của loại van này cũng hoàn toàn tương tự như trên. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng, không phải bất kỳ động cơ nào cũng có lắp van hằng nhiệt.

Cánh quạt (số 2 hình 6.7) có nhiệm vụ tạo luồng khí có tốc độ cao đi qua két nước để làm mát. Thông thường nó được đặt ngay sau két nước, lượng gió đi qua két nước phu thuộc vào sải cánh, số cánh, góc nghiêng của cánh và tốc độ quay của quạt. Đối với các động cơ ôtô thì các cánh quạt thường được dập từ thép, góc nghiêng của cánh khoảng 35 ¸ 40° . Thông thường để tăng hiệu quả của quạt gió, người ta bố trí thêm một tấm dẫn hướng hình phễu ở phía sau két nước và bao quanh quạt (số 11 hình 6.4).

Tấm chắn dùng để điều chỉnh lượng gió đi qua két nước, nó được cấu tạo từ những cánh lắp với nhau như cửa chớp lật (xem số 5 trên hình 6.4). Việc đóng mở tấm chắn này thường được thực hiện từ trong ca bin thông qua hệ dẫn động bằng dây cáp.

6.3- YÊU CẦU ĐỐI VỚI CHẤT LỎNG LÀM MÁT

Chất lỏng làm mát phải đáp ứng được các yêu cầu sau.

Có khả năng trao đổi nhiệt tốt và như vậy chỉ cần một lượng nhỏ chất lỏng cũng đủ làm mát cho động cơ.

Có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ tối đa cho phép trong hệ thống làm mát khoảng 25 ¸ 30° C, để giảm sự bay hơi và lượng tiêu hao trong quá trình sử dụng.

Có nhiệt độ đông cứng (đóng băng) thấp hơn nhiệt độ của môi trường không khí để tránh bị đông cứng lại. Bởi vì vào mùa đông nhiệt độ môi trường không khí ở các nước xứ lạnh rất thấp nên có thể làm chất lỏng bị đông cứng lại. Khi nước bị đóng băng thì thể tích của nó tăng lên do vậy có thể làm vỡ két làm mát.

Có độ nhớt thích hợp để giảm độ rò rỉ, nhưng cũng không đòi hỏi công suất quá lớn để luân chuyển nó.

Một trong những yêu cầu rất quan trọng đối với chất lỏng làm mát là không được tạo các chất cặn bám lên các bề mặt cần làm mát vì nếu như vậy lớp cặn sẽ tích tụ dần theo thời gian và làm giảm đáng kể khả năng thoát nhiệt, giảm tiết diện đường dẫn nước và làm gỉ các chi tiết trong hệ thống làm mát.

Chất lỏng công tác không được ăn mòn các chi tiết trong hệ thống làm mát và các đường ống dẫn và đặc biệt nó phải có khả năng chống xâm thực.

Chất lỏng làm mát phải không độc và giá thành không quá cao.

Trước đây, nước là loại chất lỏng làm mát được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các loại động cơ đốt trong. Tuy nhiên, nó không thể có đủ các tính chất để đáp ứng các yêu cầu nêu trên. Vì vậy người ta thường thêm vào nước các chất phụ gia đặc biệt để nâng cao chất lượng của nó. Ngày nay, đã có nhiều loại chất lỏng làm mát chuyên dùng được sản suất, đặc biệt là phục vụ cho các động cơ đốt trong đặt trên các ôtô. Mặc dù vậy nước vẫn là một loại chất lỏng làm mát được sử dụng rộng rãi nhờ có khả năng dẫn nhiệt tương đối tốt (nhiệt dung riêng của nước là 4,186 kJ/kg.° C). Nhiệt độ sôi của nước ở điều kiện bình thường là 100° C, nhưng trong hệ thống kín thì nhiệt độ sôi có thể nâng lên tới 120° C và như vậy là đạt yêu cầu đối với hệ thống làm mát.

Nhiệt độ tối đa cho phép trong hệ thống làm mát phụ thuộc vào lượng các chất muối khoáng hoà tan trong nó. Nếu sử dụng nước cứng (có chứa nhiều muối khoáng) thì nhiệt độ cho phép là rất thấp để tránh hiện tượng đóng cặn trên các thành vách và các đường ống dẫn nước.

Một trong những nhược điểm của nước là nhiệt độ đóng băng tương đối cao (0° C). Điều này gây nhiều khó khăn cho việc sử dụng nó ở các nước xứ lạnh, bởi vì ở đó vào mùa đông, nhiệt độ không khí thường thấp hơn 0° C rất nhiều. Để có thể sử dụng nước trong hệ thống làm mát động cơ trong những điều kiện khí hậu như vậy, người ta phải pha thêm các chất phụ gia vào nước, một mặt để tăng nhiệt độ sôi, mặt khác giảm nhiệt độ đóng băng (tới - 40 ¸ - 60° C ).