Hệ thống làm mát trên động cơ ô tô

Giới thiệu hệ thống làm mát trên động cơ ô tô

Hệ thống làm mát trên động cơ có nhiệm vụ giữ cho động cơ luôn làm việc ở chế độ nhiệt độ tối ưu khi tải trọng thay đổi. Điều này nhằm tránh cho các chi tiết bên trong của động cơ không bị nóng thái quá, dễ dẫn đến tình trạng bó kẹt, đồng thời làm mất mát công suất của động cơ.
Như vậy làm mát cho động cơ chính làm giảm bớt phần nhiệt lượng do hoà khí cháy truyền lại cho cụm piston, xylanh. Nếu cụm piston – xylanh không được làm mát thì dầu bôi trơn giữa piston và xylanh không còn tác dụng bôi trơn, dẫn đến bó kẹt piston, đồng thời nếu xylanh quá nóng thì khối hỗn hợp hoà khí hút vào bên trong buồng đốt bị giãn nở ra làm trọng lượng hút bị giảm, công suất của động cơ vì thế cũng giảm theo.
Nhưng khi động cơ quá nguội nhất là lúc máy mới khởi động thì nó sẽ làm cho hỗn hợp hoà khí khó bay hơi nên tốc độ bốc hơi và khuếch tán sẽ kém đi, dẫn đến hoà khí sẽ cháy không hết, khiến tăng tiêu hao nhiên liệu, giảm đi công suất động cơ.

Hệ thống làm mát bao gồm các bộ phận:

Áo nước (bao xung quanh xylanh và bên trong nắp qui lác), két nước (radiator), bơm nước (water pump), quạt làm mát (fan), van hằng nhiệt, các đường ống và các bộ phận khác. Nước nóng bên trong áo nước được bơm tới két nước, lượng gió thổi ra từ quạt gió sẽ lấy đi một phần nhiệt lượng của nước nóng, nhiệt độ nước được giảm xuống rồi bơm sẽ đẩy nước làm mát trở lại động cơ. Nhờ vậy, nhiệt độ động cơ sẽ giảm xuống. Ao nước là một hệ thống các rãnh xung quanh xylanh và bên trong nắp qui lác, nó được thiết kế bảo đảm đủ lưu lượng nước để giải nhiệt cho động cơ.
Hệ thống làm mát trên động cơ ôtô được chia làm 2 loại:
• Hệ thống làm mát bằng không khí.
• Hệ thống làm mát bằng nước.

* Hệ thống làm mát bằng không khí
Nguyên lý của hệ thống làm mát bằng không khí là tạo ra xung quanh xylanh một luồng không khí để thu nhiệt của động cơ. Muốn tản nhiệt tốt mặt ngoài của động cơ, người ta làm các phiến tản nhiệt để tăng bề mặt tiếp xúc truyền nhiệt và các bản hướng gió, quạt gió. Đối với động cơ nhỏ (xe gắn máy) thì lợi dụng tốc độ chuyển động của xe thay cho quạt gió. Đây là kiểu làm mát đơn giản được sử nhiều ở các động cơ nhỏ như xe gắn máy. Trong ôtô cũng có dùng nhưng ít.
* Hệ thống làm mát bằng nước
• Kiểu bốc hơi:
Loại đơn giản nhất không cần bơm nước và quạt gió.
Loại thu nhiệt và bốc hơi: nước sôi có tỷ trọng bé sẽ nổi lên mặt thùng chứa để bốc hơi. Nước nguội có tỷ trọng lớn sẽ chìm xuống, liền đẩy phần nước nóng nổi lên gọi là hiện tượng đối lưu tự nhiên.
• Kiểu đối lưu: hoạt động được nhờ sự chênh lệch nhiệt độ của 2 cột nước nóng và nước lạnh.
• Kiểu cưỡng bức: Để tăng tốc độ lưu động của nước, ta dùng sức đẩy của cột nước do bơm nước tạo ra (thường dùng trên ôtô).
• Kiểu kín: thường thấy trong ôtô. Nước tuần hoàn kín sau khi qua két làm mát trở về động cơ (không thải nước ra ngoài).
• Kiểu hở: nước làm mát thải ra ngoài. Nhược điểm của loại này là nhiệt độ nước làm mát phải giữ ở 50 ÷ 60oC. Do đó, sự làm mát không đều dẫn đến ứng suất ở các chi tiết tăng lên. Mặt khác, do ảnh hưởng của nhiệt độ nước ở ngoài mà nhiệt độ nước trong hệ thống hở cũng dao động lớn, vì vậy không có lợi cho chế độ làm mát.

Motor quạt làm mát

Két nước được làm mát bằng không khí. Nhưng nó làm mát không khí khi xe không chuyển động. Quạt làm mát được sử dụng để tạo sức hút không khí qua két nước.
Quạt làm mát được truyền động từ trục khuỷu qua dây đai, hoặc được dẫn động bằng động cơ điện.
Quạt làm mát qua dây đai được dẫn động từ trục khuỷu. Tốc độ quạt thay đổi theo tốc độ động cơ, nên tốc độ của quạt không đủ lớn khi động cơ chạy ở tốc độ thấp và, ở tốc độ cao, tốc độ quạt quá lớn làm gia tăng tổn thất công suất và tăng tiếng ồn. Để khắc phục, ngày nay người ta dùng một khớp silicon điều khiển bằng nhiệt độ bố trí giữa bơm nước và quạt.
Một cách khác là dùng một động cơ điện để kéo quạt. Cách này được sử dụng phổ biến trên các động cơ hiện đại.

Hình 8.1: Quạt két nước làm mát
ECU nhận được tín hiệu nhiệt độ động cơ từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát đặt ở nắp máy. Khi nhiệt độ nước làm mát gia tăng đến mức qui định, cảm biến sẽ điều khiển relay đóng và cấp dòng điện đến motor quạt để dẫn động cho quạt quay.
Quạt làm mát chỉ được dẫn động khi cần thiết, nhờ thế, nhiệt độ động cơ gia tăng đạt đến nhiệt độ tối ưu nhanh chóng, đồng thời giảm được suất tiêu hao nhiên liệu, cũng như giảm được tiếng ồn.

Điều khiển làm mát độc lập

Hệ thống điều khiển quạt két nước bằng công tắc nhiệt thường đóng (normally close)
Hệ thống điều khiển quạt làm mát động cơ lắp đặt trên xe TOYOTA dùng công nhiệt loại thường đóng. Cấu tạo của mạch điện bao gồm: accu, các cầu chì, công tắt máy, relay chính , relay điều khiển quạt mát, quạt gió, công tắt nhiệt độ nước (chỉ làm việc khi nhiệt lớn hơn 84oC).

Hình 8.3: Mạch điện quạt làm mát loại thường đóng trên xe TOYOTA
Nguyên lý hoạt động
Khi bật công tắc máy (IG/SW) sẽ có dòng điện qua cầu chì 7,5A cung cấp cho cuộn dây của relay quạt làm mát (cooling fan motor relay) qua công tắc nhiệt độ nước(water temprature switch) về mass hút công tắc ngắt dòng đến motor.
Đồng thời dòng điện cũng đến cung cấp cho cuộn dây của relay chính (main relay) đi xuống mass hút công tắc W sang vị trí C.
Khi động cơ làm việc ở nhiệt độ dưới 84oC, do công tắc nhiệt độ nước vẫn đóng nên quạt làm mát động cơ chưa làm việc. Khi nhiệt nước làm mát động cơ vượt quá 840C thì công tắc nhiệt độ nước sẽ ngắt dòng qua cuộn dây của relay quạt giải nhiệt két nước (cooling fan relay) làm cho công tắc trả về vị trí cũ nối dương cho motor làm quạt quay.
Hệ thống điều khiển quạt két nước bằng công tắc nhiệt thường mở (normally open)
Hệ thống điện điều khiển quạt nước làm mát động cơ loại này được lắp đặt trên xe HONDA ACCORD model 90-94, không dùng chung với mạch điện điều khiển hệ thống lạnh. Cấu tạo của hệ thống bao gồm: accu, cầu chì, công tắc máy, relay điều khiển quạt, quạt làm mát động cơ, công tắc nhiệt độ nước (làm việc khi nhiệt độ nước vượt quá 90oC ).

Nguyên lý hoạt động

Khi bật công tắc máy (IG/SW) điện thế dương qua cầu chì được cấp đến một đầu cuộn dây của relay quạt làm mát két nước và tiếp điểm của relay này.
Khi động cơ làm việc ở nhiệt độ dưới 90oC do cấu tạo của công tắc nhiệt độ nước (coolant temperature switch) vẫn chưa đóng nên motor quạt làm mát két nước chưa làm việc.
Khi nhiệt độ nước làm mát vượt quá 90oC, công tắc nhiệt độ nước sẽ đóng tiếp mass cho cuộn dây của relay quạt (radiator fan relay) để đóng công tắc cung cấp dương cho quạt làm việc.
Hệ thống điều khiển quạt làm mát kết hợp với hệ thống điều hòa nhiệt độ
Hệ thống điều khiển quạt làm mát dùng chung với mạch điện điều khiển hệ thống lạnh dưới đây được lắp trên xe TOYOTA COROLLA. Cấu tạo của hệ thống bao gồm các bộ phận: accu, các cầu chì, công tắc máy, relay điều khiển quạt làm mát và quạt giàn lạnh, công tắc nhiệt độ nước làm mát (làm việc khi nhiệt độ nước làm mát động cơ > 90oC).

Nguyên lý hoạt động
Khi bật công tắc máy sẽ có dòng điện từ:
(+) Accu  IG  cầu chì 15A  qua cuộn dây của relay chính  mát  qua cuộn dây của relay quạt két nước làm mát  công tắc nhiệt độ nước  mát  qua cuộn dây của relay quạt giàn nóng  công tắc nhiệt độ nước làm mát làm hút tiếp điểm các relay.
Khi bật công tắc máy lạnh, công tắc nhiệt độ nước làm mát đóng (nước làm mát còn thấp), có dòng điện như sau:
(+) Accu cuộn dây của relay ly hợp máy lạnh (A/C magnetic clutch relay)  mass làm đóng tiếp điểm relay ly hợp điện từ, các dòng cho cuộn dây relay quạt giàn nóng đóng tiếp điểm relay. Xuất hiện dòng đi từ relay chính  motor quạt giàn nóng  relay 4 chân của quạt giàn nóng relay 5 chân của quạt giàn nóng motor quạt két nước làm mát động cơ mát. Làm cả hai quạt đều quay, nhưng với tốc độ chậm do mắc nối tiếp với nhau.
Khi nhiệt độ nước làm mát động cơ > 90oC, công tắc nhiệt độ nước làm mát hở làm relay quạt giàn nóng và relay quạt két nước làm mát động cơ cũng hở theo, phát sinh một dòng điện mới đi từ: IG relay chính chân số 5 của relay quạt làm mát động cơ motor quạt mát. Quạt quay với tốc độ cao nhất. IG  relay chính motor quạt giàn nóng relay 4 chân của quạt giàn nóng chân 3 và chân 4 của relay 5 chân quạt giàn nóng mát. Quạt giàn nóng quay ở tốc độ cao nhất.

Điều khiển quạt làm mát qua hộp điều khiển

Hệ thống điều khiển quạt với hộp điều khiển độc lập
Mạch điện điều khiển quạt làm mát trên xe Lexus ES –300 được điều khiển từ hộp ECU, quạt làm mát két nước hoạt động nhờ áp suất dầu trợ lực lái. Mạch điện điều khiển quạt làm mát nước động cơ lắp trên xe Lexus –ES 300 gồm những bộ phận sau: accu, cầu chì, hộp điều khiển quạt (cooling fan ECU), cảm biến vị trí bướm ga (throttle position sensor), van solenoid, công tắt áp suất bơm (A/C singlepressure swith), cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ (engine coolant temperature sensor), cảm biến đánh lửa (ignition sensors), quạt làm mát két nước.

Nguyên lý hoạt động
Quạt làm mát động cơ trên xe Lexus ES 300 là loại dùng áp suất dầu để điều khiển tốc độ quạt. Khi bật công tắc máy sẽ có nguồn (+) qua cầu chì 15A cung cấp cho hộp điều khiển quạt ở chân 1 và hộp được nối mass ở chân 4. Các tín hiệu vị trí bướm ga về hộp chân số 5, cảm biến nhiệt độ nước báo về hộp chân 9 và chân 10, công tắc áp suất cao nối về hộp ở chân 8, cảm biến đánh lửa gởi về hộp ở chân 6.
Khi tổng hợp các tín hiệu trên, hộp sẽ điều khiển valve solenoid ở chân 2 và 3 để điều khiển áp suất dầu làm quạt quay ở tốc độ ứng với các tín hiệu gởi về hộp.

Hệ thống điều khiển quạt với ECU động cơ

Trên hình 7.7 trình bày mạch điện điều khiển quạt làm động cơ trên xe Nissan lắp động cơ GA 16DE & SR model cho xứ nóng, được điều khiển từ hộp ECU động cơ. Cấu tạo của hệ thống gồm những bộ phận sau: accu, cầu chì, công tắc máy, relay điều khiển quạt (radiator fan relay), cảm biến nhiệt độ (themo switch), hộp điều khiển (ECCS control unit), hai quạt làm mát nước (radiator fan).