Khái quát về động cơ đốt trongƯu nhược điểm và lĩnh vực sử dụng ĐCĐTPhân loại ĐCĐTĐại cương về nguyên lý hoạt động của ĐCĐTKhái quát về động cơ đốt trongƯu nhược điểm và lĩnh vực sử dụng ĐCĐTPhân loại ĐCĐTĐại cương về nguyên lý hoạt động của ĐCĐT
Trang 1Chương III
NHIÊN LIỆU VÀ MÔI CHẤT CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Trang 2Nhận xét chung
Nhiên liệu thể khí
Nhiên liệu thể lỏng
Những tính chất của nhiên liệu
Sự cháy của nhiên liệu trong ĐCĐT
Hòa khí mới và sản vật cháy
Tỷ nhiệt ( nhiệt dung riêng) của môi chất
Trang 3Nhận xột chung
- Mụi chất cụng tỏc gồm cú chất oxy - hoỏ, nhiờn liệu và sản vật chỏy của nhiờn liệu
- Mụi chất cụng tỏc luụn thay đổi về tớnh chất lý hoỏ khi thực hiện một chu trỡnh cụng tỏc của động cơ
- Ở hành trỡnh nạp, tuỳ thuộc vào loại động cơ mà người ta đưa vào xylanh khụng khớ hoặc hỗn hợp khớ mới (khớ nạp mới)
- Ở hành trỡnh nộn, mụi chất cụng tỏc gọi là khớ hỗn hợp cụng tỏc, đú là hỗn hợp giữa khụng khớ hoặc hỗn hợp khớ mới với khớ sút
- Ở hành trỡnh gión nở và thải, mụi chất cụng tỏc được gọi là sản phẩm chỏy của nhiờn liệu
- Nhiệt năng cần thiết để chuyển thành cụng cơ giới là do kết quả của cỏc phản ứng hoỏ học giữa nhiờn liệu đưa vào xylanh với oxy của khụng khớ
- Nhiên liệu là thành phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh
h ởng quyết định đến kết cấu cũng nh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của − −
động cơ Động cơ đốt trong thông th ờng sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí −
và nhiên liệu lỏng
Trang 4Nhiờn liệu khớ
Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên nh khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công − nghiệp nh khí do ch ng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên − − liệu rắn nh gỗ, than; khí sinh vật (biogas)−
Cấu trúc phân tử của mỗi khí cháy bao gồm các-bon, hy-drô và ô-xy là CmHnOr
Với một đơn vị nhiên liệu khí (1 kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn)
Phõn loại nhiờn liệu khớ theo nhiệt trị
• Nhiệt trị cao: Q = 23 - 28 (kJ/m3tc) nh khí thiên nhiên, khí phụ phẩm ch ng − − cất dầu mỏ
• Nhiệt trị trung bình: Q = 16 - 23 (kJ/m3tc) nh khí lò luyện than cốc −
• Nhiệt trị thấp: Q = 4 - 16 (kJ/m3tc) nh khí lò ga và khí sinh vật.−
Động cơ chạy các nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG hay khí hoá lỏng LPG có u −
điểm là ít ô nhiễm môi tr ờng và tiết kiệm vì giá khí đốt rẻ hơn so với xăng−
Trang 5Nhiờn liệu lỏng
• Thành phần của nhiờn liệu lỏng
+ Gốc hoá thạch: xăng, dầu hoả, diesel
+ Gốc thực vật: mê-tha-nôl, ê-tha-nôl, dầu thực vật nh dầu dừa, dầu hạt cảI− Nhiờn li u ệ đượ sử dụng phổ biến cho ĐCĐT hiện nay là xăng và dieselc
Xăng và diesel là sản phẩm chế biến từ dầu mỏ, thành phần chớnh là cỏc loại cacbuahydro:
+ Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin (an-kan) có công thức hoá học
CnH2n + 2; ô-lê-phin CnH2n và a-xê-ty-len CnH2n 2–
Pa-ra-phin là các-bua-hy-drô no có c u ấ trỳc mạch thẳng hở, tính ổn định hoá học ở nhiệt độ cao kém, dễ dàng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên quá trình tự cháy
An-kan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc phân tử khá bền vững, có tính
ổn định hoá học cao, khó tự cháy
+ Náp-ten: CnH2n (xy-clan) có kết cấu phân tử mạch vòng, rất bền vững nên có
tính chống kích nổ rất cao
+ Các-bua-hy-drô thơm: CnH2n - 6 có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân
ben-zen nên rất bền vững, chống kích nổ rất tốt, ví dụ mê-tyl-ben-zen
C6H5CH3Trong xăng và diesel có tới 80 đến 90% là an-kan và xy-clan
Trung bỡnh trong nhiờn liệu lỏng (chế biến từ dầu mỏ) cú chứa 84-85% cỏc bon, 1214% hydro, cũn lại là nitơ, oxy và lưu huỳnh
Trang 7• Đặc tính của nhiên liệu lỏng
+ Khối lượng riêng (ρ): ở nhiệt độ 20 C, KLR của xăng 0.65 – 0.8 g/cm3
diesel 0.8 – 0.95 g/cm3
+ Độ nhớt:
- Độ nhớt động học (ט): ở nhiệt độ 20 C, xăng có 2.5– 0.6 = ט cSt
diesel 8.5– 2.5= ט cSt
- Độ nhớt tương đối (Et): là tỷ số giữa thời gian chảy của 200 ml nhiên liệu và nước cất ở nhiệt độ 20 C qua lỗ tiêu chuẩn của thiết bị đo
+ Tính bay hơi
1 Xăng; 2 Dầu hỏa; 3 Diesel; 4 Dầu mỏ
Tính bay hơi phụ thuộc vào thành phần
chưng cất của nhiên liệu và được xác định
trong một thiết bị đặc biệt bằng cách đốt
nóng nhiên liệu và tách dần những chất
chưng cất sôi trong một nhiệt độ nhất định
và cho ngưng tụ lại
Những nhiệt độ ứng với 10%, 50%, 90%
thể tích nhiên liệu sôi và nhiệt độ sôi cuối
cùng của nhiên liệu là những đặc điểm đặc
trưng của mỗi một loại nhiên liệu
Trang 8+ Nhiệt độ bộn lửa
Nhiệt độ khiến cho hỗn hợp nhiờn liệu và khụng khớ bốc chỏy khi chõm lửa và tiếp tục chỏy Nú phản ỏnh số lượng chất chưng cất nhẹ trong nhiờn liệu và dựng làm chỉ tiờu phũng hoả Nhiệt độ bộn lửa thường khụng được thấp hơn 65oC
+ Nhiệt độ tự bốc chỏy
Nhiệt độ thấp mà hỗn hợp nhiờn liệu và khụng khớ tự chỏy mà khụng phải chõm lửa Nhiệt độ này thường giảm khi tăng trọng lượng phõn tử của nhiờn liệu
+ Nhiệt độ đụng đặc
Nhiệt độ đông đặc chỉ có ý nghĩa đối với nhiên liệu nặng nh nhiên liệu diesel −
Ng ời ta th ờng sử dụng phụ gia để giảm nhiệt độ đông đặc Đối với nhiên liệu − − diesel, nhiệt độ đông đặc nằm trong khoảng -60 đến +5OC
+ Thành phần nước
Là một loại tạp chất trong nhiên liệu, n ớc gây ăn mòn cơ học và hoá học đối với − các chi tiết của hệ thống nhiên liệu, trong quá trình cháy n ớc bay hơi thu nhiệt − làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Giới hạn n ớc trong nhiên liệu đ ợc qui định − − không quá 1% trọng l ợng đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp−
+ Tạp chất cơ học
Đối với nhiên liệu thông th ờng, tạp chất cơ học không đ ợc v ợt quá 1% trọng − − −
l ợng.−
Trang 9Tớnh chất húa học của nhiờn liệu lỏng
+ Nhiệt trị
Nhiệt trị là nhiệt l ợng thu đ ợc khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị nhiên liệu − − Cú hai loại nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp
- Nhiệt trị cao Qo là toàn bộ nhiệt l ợng thu đ ợc,− −
- Nhiệt trị thấp QH là nhiệt l ợng thu đ ợc Qo trừ phần nhiệt l ợng toả ra khi − − −
ng ng tụ hơi n ớc trong sản phẩm cháy − −
+ Tớnh kết cốc
Là khuynh h ớng kết muội than khi đốt cháy nhiên liệu Muội than có thể gây nên − mài mòn và bó kẹt xéc-măng- xy-lanh, xu-páp và đế hoặc làm kẹt tắc vòi phun
+ Thành phần lưu huỳnh và tạp chất
L u huỳnh có trong nhiên liệu ở dạng tạp chất còn lại khi ch ng cất dầu mỏ L u − − − huỳnh khi cháy tạo thành SO2 sẽ kết hợp với hơi n ớc (cũng tạo thành khi cháy − nhiên liệu) tạo thành a-xít yếu H2SO3 gây ăn mòn các chi tiết và m a a-xít−
+ Độ axit
ợc biểu thị bằng số mg hy-drô-xyt ka-li KOH cần thiết để trung hoà l ợng a-xít
Đ
có trong 1 g nhiên liệu
+ Thành phần tro
Là sản phẩm của quỏ trỡnh chỏy, gõy mài mũn chi tiết
Trang 10Tớnh tự chỏy của nhiờn liệu Diesel
+ Trị số xetan (Xe)
Là đơn vị đo quy ước đặc trưng cho tớnh tự chỏy của nhiờn liệu diesel, được đo bằng % thể tớch hàm lượng n – xờtan (C16H34) trong hỗn hợp của nú với α-etyl naptalin ở điều kiện chuẩn (theo quy ước α-metyl naptalin cú trị số Xe = 0 và n – Xờtan cú trị số Xe = 100) Nhiờn liệu diesel cú số Xe = 35 - 55
+ Chỉ số diesel
Là một đại l ợng qui ớc xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức− −
- γ là trọng l ợng riêng (g/cm3) của nhiên liệu ở 15oC −
- A là điểm a-ni-lin của nhiên liệu (nhiệt độ kết tủa của
h n h p nhỗ ợ iờn liệu và anilin)
Trang 11Tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng
+ Trị số octane: là một đơn vị do qui ước dùng để đặc trưng cho khả năng
chống cháy kích nổ của nhiên liệu và nó được đo bằng % thể tích của iso –Octane (C8H18) trong hỗn hợp của nó với n – Heptan (C7H16),
tương đương với khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thử nghiệm ở điều kiện chuẩn iso –Octane có số octane = 100, n – Heptan có số octane = 0, xăng thông dụng có số octane = 80 - 100
RON Tr s octane – ị ố xác nh đị bằng phương pháp nghiên cứu
MON Tr – ị số octane xác định bằng phương pháp động cơ
Hiệu số RON – MON được gọi là độ nhậy của xăng
RON – MON = 8-10 đơn vị
Trang 12Sự cháy của nhiên liệu trong ĐCĐT
Thành phần chính của nhiên liệu tham gia vào quá trình cháy gồm Cacbon, Hydro và Oxy, 1 kg nhiên liệu có thể biểu diễn: gC + g H + gO = 1
+ Phương trình cháy của 1 kg nhiên liệu
- Trương hợp cháy hoàn toàn
Cháy Cacbon
Trong 1 kg Nhiên liệu
Cháy Hydro
Như vậy lương Oxy cần thiết để đốt cháy hết gC và gH là 8gC/3 + 8gH
Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu (23% oxy, 77% nito)
Hoặc
Trang 13Hệ số dư lượng không khí
L – Lượng không khí thực tế đốt cháy 1kg nhiên liệu (kg)
Lo – Lượng không khí cần thiết lý thuyết đốt cháy hoàn toàn 1kg nl
Khi L = Lo, α = 1, hỗn hợp NL-KK tiêu chuẩn
Khi L > Lo, α > 1, hỗn hợp nghèo
Khi L > Lo, α < 1, hỗn hợp giàu
- Trường hợp cháy không hoàn toàn
Khi α > 1: lượng kk đưa vào xilanh lớn hơn yêu cầu, trong sản phẩm cháy có oxy thừa
Khi α < 1, lượng kk đưa vào xi lanh không đủ, nhiên liệu không được đốt cháy hết
Giả thiết Hydro của được oxy hóa hoàn toàn, kk thiếu chỉ ảnh hưởng đến Cacbon
+ Lượng khí nạp mới
- Động cơ xăng (trừ phun xăng) hỗn hợp tạo ra bên ngoài gồm nl và kk
- Động cơ diesel chỉ nạp kk M1 = M = αM0
Trang 14+ Sản phẩm chỏy
Sản vật cháy của quá trình cháy hoàn toàn nhiên liệu bao gồm các-bon-nic CO2, hơi n ớc H2O, ô-xy thừa O2 và ni-tơ N2−
Lượng s n ph m ả ẩ chỏy
Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn (α < 1) sản phẩm cháy sẽ gồm các thành phần gần đúng sau: các-bon-níc CO2, mô-nô-xit-cac-bon CO, hơi n ớc H2O, hy-− drô H2 và ni-tơ N2 Do cháy thiếu ô-xy, một phần các-bon cháy tạo thành CO2 và phần còn lại cháy tạo thành CO T ơng tự, một phần hy-drô cháy tạo thành hơi −
n ớc, phần còn lại ở dạng khí hy-drô H2 −
T ng s n ph m ổ ả ẩ chỏy:
Các phản ứng cháy đ ợc đơn giản hoá là các phản ứng ô-xy hoá thông th ờng − −
và chỉ xét đến sản phẩm cuối cùng, không qua các phản ứng trung gian, phản ứng của ni-tơ với ô-xy trong điều kiện nhiệt độ cao cũng không đ ợc xét đến.−
Các phản ứng ô-xy hoá chỉ xảy ra trong một giới hạn nhất định của hệ số d −
l ợng không khí gọi là giới hạn cháy − Cỏc giới hạn trên và dưới αmax, αmin là là giá trị mà ngoài giới hạn này hỗn hợp quá nhạt hoặc quỏ đậm không cháy đ ợc −
Trang 15Tỷ nhiệt của mụi chất cụng tỏc
+ Tỷ nhiệt đẳng tớch
là tỷ nhiệt đẳng tích của một kmol (kJ/kmol.K), Ti (K)
là nhiệt độ tuyệt đối của môi chất, av và b là các hằng
số thực nghiệm
+ Tỷ nhiệt trung bỡnh đẳng ỏp
+ Tỷ nhiệt khớ nạp mới
tỷ lệ nhiên liệu trong hỗn hợp rất nhỏ nên có thể bỏ qua khi tính toán tỷ nhiệt Vì vậy có thể coi tỷ nhiệt của khí nạp mới nói chung cho cả hai loại động cơ là tỷ nhiệt của không khí
+ Tỷ nhiệt sản phẩm chỏy
+ Tỷ nhiệt hỗn hợp cụng tỏc
Tỷ nhiệt đẳng tớch trung bỡnh:
Tỷ nhiệt đẳng ỏp trung bỡnh:
Với