Hệ thống làm mát động cơ ô tô là một phần quan trọng của động cơ, được thiết kế để kiểm soát và duy trì nhiệt độ hoạt động lý tưởng của động cơ trong quá trình vận hành. Hệ thống làm mát động cơ ô tô đóng vai trò không thể phủ nhận trong việc duy trì sự ổn định và hiệu suất của động cơ trong quá trình vận hành. Tầm quan trọng của hệ thống này không chỉ nằm trong việc ngăn chặn quá nhiệt độ, mà còn liên quan đến sự bền vững và hiệu quả năng lượng của ô tô.
Tổng quan hệ thống làm mát động cơ ô tô
Trong tổng số năng lượng nhiệt sinh ra do sự cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ xăng, khoảng 24-32% được chuyển thành năng lượng động năng để dẫn động xe. Khoảng 29-36% năng lượng thoát ra cùng với khí xả, 7% bị mất do bức xạ và 32-33% khác được hấp thụ bởi hệ thống làm mát. Nếu nhiệt truyền vào thành buồng đốt không được loại bỏ càng nhanh càng tốt, pít tông hay xy lanh sẽ bị biến dạng do nhiệt hoặc lớp màng dầu bôi trơn sẽ bị phá hủy.
Nếu lượng nhiệt này bị làm mát quá mức, quá nhiều năng lượng nhiệt sẽ được chuyển vào nước làm mát do đó làm giảm hiệu suất của động cơ. Vì vậy, hệ thống làm mát cần được kiểm soát để duy trì nhiệt độ thích hợp theo tình trạng hoạt động của xe. Một hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng nước làm mát – một chất lỏng có chứa hóa chất đặc biệt pha với nước. Nước làm mát chảy qua các rãnh trong động cơ, và thông qua bộ tản nhiệt. Nước làm mát được tuần hoàn bởi bơm nước, và van hằng nhiệt kiểm soát nhiệt độ.
Van hằng nhiệt được đóng lại khi động cơ lạnh, nước làm mát chỉ tuần hoàn trong khối động cơ, không đi qua van hằng nhiệt và két nước. Điều này cho phép động cơ ấm lên nhanh hơn và các “điểm nóng cục bộ” được loại bỏ. Khi nước làm mát nóng lên đạt tới nhiệt độ mở của van hằng nhiệt, nó sẽ bắt đầu mở và cho phép các chất làm mát đi qua để tới két nước. Nước làm mát càng nóng hơn, van hằng nhiệt mở càng nhiều, cho lượng nước lớn hơn tới két nước. Van hằng nhiệt cũng kiểm soát thời gian mà nước làm mát trong két nước để giải nhiệt hiệu quả.
Két nước nhận nước làm mát động cơ, và làm giảm nhiệt độ của động cơ. Không khí chảy xuyên quá các lá tản nhiệt, và lấy nhiệt của nước làm mát. Quạt làm mát được gắn vào két nước để đảm bảo rằng nhiệt độ nước giảm khi lái xe ở tốc độ thấp hoặc khi xe đứng yên.
Hệ thống làm lạnh cưỡng bức
Một hệ thống làm lạnh cưỡng bức có thể xử lý nhiệt độ cao hơn, và tạo ra một điểm sôi cao hơn. Áp suất của hệ thống đạt được bằng nắp két nước đặt biệt. Trên hệ thống có áp suất, nước làm mát chỉ được đổ thêm khi cần thiết, nó được bổ sung vào bình chứa phụ chứ không phải két nước.
Nước làm mát (có chất chống đông)
Nước hấp thụ nhiệt nhiều hơn bất kỳ chất lỏng khác, đó là một lý do tốt để sử dụng nước. Tuy nhiên, nước cũng có vấn đề. Bình thường các tạp chất trong nước có hại cho động cơ và phản ứng với các kim loại gây ra ăn mòn và rỉ sét. Nước cũng cho phép quá trình điện phân, một quá trình điện và hóa học ăn mòn kim loại. Trong các hệ thống làm mát hiện đại, một hóa chất gọi là chất “ức chế” được thêm vào nước để hạn chế hoặc “ức chế” ăn mòn. Chất phụ gia khác được sử dụng để làm cho nước khó sôi hơn. Một đặt điểm khác có hại của nước là giản nở khi nó đóng băng. Đây là vấn đề khi làm mát bằng chất lỏng cho động cơ khi nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ đóng băng. Khi động cơ lạnh và không hoạt động, nước trong hệ thống làm mát có thể đóng băng và giản nở và có thể tạo ra lực đủ lớn để phá vỡ khối động cơ và két nước. Một chất chống đông gọi là phụ gia làm giảm điểm đóng băng của nước. Điều này có thể ngăn ngừa nước làm mát đóng băng.
1. Van hằng nhiệt và bơm nước:
Van hằng nhiệt và bơm nước
Van hằng nhiệt
Van hằng nhiệt liên tục giám sát nhiệt độ của nước làm mát và điều chỉnh lưu lượng nước làm mát chạy qua két nước. Van hằng nhiệt hoạt động theo sự thay đổi của nhiệt độ, áp lực nước, nhiệt độ động cơ. Nó hoạt động bằng cách sử dụng một loại sáp với công thức đặc biệt chứa trong một cốc đồng kín lắp với một pít tông bên trong. Nhiệt làm cho các hạt sáp giản nở và đẩy pít tông ra ngoài và sau đó mở van.
Mô tơ nhiệt cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và di chuyển van để kiểm soát dòng chảy của nước làm mát, do đó kiểm soát nhiệt độ nước làm mát. Van hằng nhiệt thường được gắn phía trước ở trên của khối động cơ. Van hằng nhiệt được gắn ở nơi mà nó sẽ được tiếp xúc với nước làm mát lúc nóng. Phần trên của van hằng nhiệt được bao bọc bởi ống ngõ ra của đường nước. Có hai loại van hằng nhiệt, loại ống cân bằng và loại khuy bấm ngược.
Cả hai loại có cùng chức năng tương tự nhau, nhưng có sự khác biệt về kết cấu và hoạt động. Loại van hằng nhiệt khuy bấm ngược mở để ngăn dòng chảy của nước làm mát từ bơm nước. Nước làm mát đang chịu áp lực của bơm nước sẽ giữ cho van ở vị trí đóng khi nước còn nguội để tránh rò rỉ. Van hằng nhiệt loại khuy bấm ngược tự lựa thẳng hàng và tự làm sạch. Loại van hằng nhiệt ống cân bằng cho phép nước làm mát có áp suất tuần hoàn trên tất cả các bộ phận chuyển động.
Bơm nước
Bơm nước thường được đặt trên mặt trước lốc máy và nó thường được dẫn động bằng đai cam hoặc đai dẫn động quạt. Trong một số trường hợp, nó được dẫn động bằng trục cam. Chức năng của bơm nước là để cung cấp nước làm mát từ phía dưới của két nước vào áo nước của động cơ một cách hiệu quả. Nước làm mát sau khi hấp thu nhiệt từ động cơ, lưu thông trở lại phần trên của két nước. Các cánh của bơm là một đĩa quay mang các lá bơm, do lực li tâm mà nước được đưa tới các áo nước. Trục của bơm nước được gắn vào vỏ bơm và quay trơn trên vòng bi. Một gioăng ngăn nước làm mát thoát ra dọc theo trục cánh van.
Đầu cuối là một puli được dẫn động bởi đai. Khi động cơ lạnh, van hằng nhiệt được đóng lại và nước làm mát không đến được đầu của két nước. Để nước tuần hoàn trong động cơ trong quá trình làm ấm động cơ, một đường ống phụ đi vòng được cung cấp dưới van hằng nhiệt dẫn ngược lại bơm nước. Ống này cũng cho phép nước làm mát khi nóng đi qua van hằng nhiệt, làm van mở ra khi đến nhiệt độ cần thiết. Một lỗ nhỏ ở dưới bơm nước cho phép nước làm mát đi qua nếu có rò rỉ.
2. Két nước:
Két nước
Két nước
Chức năng của két nước tản nhiệt là hạ thấp nhiệt độ của nước làm mát từ động cơ bằng cách chuyển nhiệt vào không khí ngoài môi trường. Két nước tản nhiệt được làm từ các ống nhỏ theo kiểu “dòng”, được gọi là “lõi” và nó được bố trí theo một trong hai vị trí theo chiều dọc, hoặc thiết kế nằm ngang (gọi là một dòng chảy ngang). Cuối mỗi lõi là một “bể chứa”, một đầu là bể vào và một đầu là bể ra.
Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tản nhiệt bao gồm: các thiết kế cơ bản của két nước tản nhiệt (chiều dày lõi, số lượng các hàng, dung tích các bể), diện tích và độ dày của lõi tản nhiệt được tiếp xúc với luồng không khí làm mát, lượng khí làm mát, và sự khác biệt giữa nhiệt độ của nước làm mát và nhiệt độ của không khí làm mát ngoài môi trường.
Nắp két nước
Nắp két nước bao gồm nắp trên có hai tai để gắn vào cổ đổ nước của két nước, một màng đĩa lò xo (cùng với gioăng làm kín phía trên) để làm kín đầu của cổ đổ nước két nước và để tạo ra ma sát để giữ nắp trên cổ đổ nước, một lò xo bằng thép không rỉ làm van áp lực và van áp lực làm kín đế phía dưới của cổ đổ nước, và ở giữa van áp suất là van chân không (van thường đóng) .
Gioăng làm kín phía trên giúp cho màng lò xo nắp két nước ép chặt vào cổ đổ nước. Áp suất không khí được làm kín bởi gioăng làm kín phía trên của nắp két nước tại điểm này.
Vấu trên cổ ống đổ nước
Vấu trên cổ ống đổ nước có mục đích giữ nắp két nước ở đúng vị trí, nó còn có tác dụng tạo ra một áp lực ban đầu tỳ lên van áp suất của nắp két nước. Trên cổ ống đổ nước này cũng có một chốt an toàn để ngăn không cho nắp két nước bị lỏng ra do rung động hoặc mất áp suất của hệ thống.
Nó cũng hoạt động như là một chốt hạn chế an toàn để tránh bỏng nghiêm trọng trong quá trình tháo nắp két nước khi động cơ nóng hoặc ấm. Điều này nói lên tại sao bạn phải “ấn và xoay” để tháo nắp két nước từ vị trí đóng hoàn toàn. Có hai loại van chân không dùng trong nắp két nước. Loại thường đóng (lò xo ép), loại thường mở (loại có đối trọng).
Loại thiết kế thường đóng là loại nắp két nước áp suất không đổi. Chân không giữ cho van ở vị trí đóng bởi một lò xo bằng đồng rất nhẹ. Khi động cơ bắt đầu hoạt động và nóng lên, áp lực hệ thống bắt đầu tăng lên ngay lập tức vì sự giản nở của nước làm mát trong hệ thống. Khi động cơ ngừng lại và nước bắt đầu nguội dần, có xu hướng tạo ra chân không trong hệ thống, độ chân không này sẽ mở van chân không để ngăn chặn độ chân không quá lớn trong hệ thống. Loại thường mở hay còn gọi là loại van áp suất.
Van chân không được gắn tự do trên van áp suất và được gắn thêm một đối trọng hiệu chỉnh nhỏ. Trong điều kiện hoạt động với tải nhỏ, hệ thống làm mát hoạt động dưới áp lực không khí. Khi ở điều kiện tải lớn nhanh chóng làm nóng nước làm mát làm giản nở hoặc sôi nước, áp lực thoát hơi nước làm đóng van chân không. Lúc này nắp két nước hoạt động giống loại nắp két nước áp suất không đổi. Khi động cơ dừng và nguôi đi, van chân không trở lại vị trí mở.
Quạt tản nhiệt
Các loại quạt tản nhiệt cơ khí dẫn động bằng đai. Trong hầu hết các loại, quạt cơ khí được gắn liền với bơm nước và được dẫn động cùng bơm nước thông qua puli. Hiệu suất của quạt sẽ tốt hơn nếu quạt tản nhiệt có trang bị khớp ly hợp quạt. Khớp li hợp này được thiết kế để tránh quạt quay quá nhanh khi động cơ còn nguội.
Ly hợp quạt được điều khiển bởi nhiệt độ sẽ thay đổi độ xoắn của lò xo để điều chỉnh tốc độ quạt theo nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ động cơ và két nước giải nhiệt nóng lên, không khí nóng khi đi qua các quạt tản nhiệt sẽ làm nóng lò xo cuộn và chất lỏng silicon trong khớp li hợp làm tăng ma sát để dẫn động quạt. Khi nhiệt độ nước làm mát giảm, khớp ly hợp quạt cho phép nó trượt.
Trong loại khớp li hợp quạt “phi nhiệt” chất lỏng silicon với khả năng biến dạng rất cao được sử dụng để dẫn động quạt và làm mát động cơ khi tốc độ động cơ thấp. Khi tốc độ động cơ tăng lên, chất lỏng cho phép li hợp trượt, từ đó làm tăng hiệu suất động cơ vì giảm mất mát công suất dẫn động quạt. Nhiều xe đời mới hiện nay sử dụng quạt điện vì thế làm giảm đáng kể kích thước khoang động cơ và đáp ứng được yêu cầu giải nhiệt ở nhiều chế độ hoạt động của động cơ vì quạt này được điều khiển bởi công tắc nhiệt độ hoặc ECM và quay với nhiều tốc độ khác nhau.
Trong bối cảnh ngày càng nghiêm ngặt về tiêu chuẩn khí thải và áp lực để tối ưu hóa hiệu quả nhiên liệu, nghiên cứu và phát triển liên quan đến hệ thống làm mát trở thành yếu tố quyết định cho sự tiến bộ của công nghệ ô tô. Mục tiêu không chỉ là duy trì nhiệt độ ổn định mà còn làm tăng hiệu quả và giảm gánh nặng môi trường từ việc xử lý và tái chế chất làm mát. Trong bối cảnh này, hệ thống làm mát trên ô tô đang đối mặt với những thách thức và cơ hội quan trọng, đóng vai trò quyết định trong sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô trong tương lai.
