Diesel và động cơ diesel

Lời giới thiệu Dầu mỏ loài người tìm thấy hàng ngàn năm trước Công Nguyên Mãi đến kỷ 19 người ta bắt đầu khai thác dầu theo mô hình công nghiệp khoan dầu toàn giới biết đến Edwin L Drake vào năm 1859 Oil Creek, Pennsylvania Sản phẩm tinh chế từ dầu thô dầu đèn (dầu hỏa) Ngày dầu mỏ nhiên liệu quan trọng xã hội đại dùng để sản xuất nhiên liệu cho phương tiện giao thông, nguyên liệu cho ngành tổng hợp hữu hoá dầu.Dầu thô khai thác lên phải trải qua trình làm tạp chất sau đưa vào trình chưng cất phân đoạn với khoảng nhiệt độ khác để thu sản phẩm định, pha thêm phụ gia để sản phẩm có giá trị thương mại Mỗi phân đoạn sản phẩm thu có thành phần tính chất khác Và sản phẩm dầu mỏ ứng dụng nhiểu động xăng, động diesel động phản lực Trong báo cáo này, đề cập đến nhiên liệu diesel từ dầu mỏ và đời động diesel Hình 1: Động diesel cổ mercedes- benz Diesel động diesel Hình 2: Động diesel Page 1 DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG DIESEl 1.1 Nhiên liệu diesel 1.1.1      Thu sản phẩm diesel từ dầu mỏ Thông thường trình chưng cất dâu mỏ chia thành giai đoạn sau: Phân đoạn xăng với khoảng nhiệt độ sôi 1800C, bao gồm thành phần từ C5 đến C10, C11 Phân đoạn kerosen với nhiệt độ sôi từ 1800C đến 2500C, chứa hydrocacbon từ C11 đến C16 Phân đoạn Gas nhẹ( Diesel) với nhiệt độ sôi 2500C đến 3500C, chứa thành phần C16 đến C21 Phân đoạn gas soil nặng ( phân đoạn dầu nhơn) với nhiệt độ sôi 3500C đến 5000C, bao gôm từ C21 đến C25, chí đến C40 Phân đoạn Gudron với nhiệt đội sôi 5000C, gồm thành phần có sô nguyên tử cacbon từ C41 trở lên, giới hạn lên đến C80 Diesel động diesel Page 1.1.2 Thành phần nhiên liệu diesel Thành phần nhiên liệu diesel định loại động diesel, đ:ược chia thành nhóm nhiên liệu khác tính chất:  Nhóm động diesel cao tốc có số vòng quay > 1000 vòng/1 phút dùng cho loại ô tô buýt, ô tô tải,máy nông nghiệp … Các loại động đòi hỏi có phạm vi nhiệt độ sôi thấp chất lượng cao  Nhóm động có số vòng quay trung bình từ 500-100 vòng/1 phút dùng cho tàu hỏa, xe lu,xe ũi ,xe làm đường… Nhiên liệu dùng cho động có phạm vi nhiệt độ sôi cao độ nhớt lớn  Nhóm động có số vòng quay thấp 500 vòng/1 phút dung cho tàu thủy nhà máy phát điện… Nhiên liệu dung cho loại đồng nặng bao gồm phần nhiên liệu đốt lò Dầu diesel cho xe ô tô có loại: • Loại super có số xetan 50 có nhiệt độ sôi khoảng 180-320 độ C dung cho động tốc độ cao xe bus,xe hang, xe tải Loại sản xuất từ phân đọa diesel chưng cất dầu thô • Loại thường có số xetan 52 có nhiệt độ sôi từ 175-345 độ C> Loại sản xuất cách pha trộn napta, kerozen phân đoạn diesel trình chế biến sâu(quá trình cracking,hydro cracking) • Loại diesel cho động diesel tốc độ chậm : yêu cầu số cetane ko cao, từ 40-45 độ bốc thấp,nhiệt độ sôi cuối cao, từ 360-3700C thường có nhiều loại, phân biệt theo độ nhớt Diesel động diesel Page Thành phần chủ yếu nhiên liệu diesel chủ yếu phân đoạn n-parafin hydrocacbon thơm chiếm không nhiều.Nhưng n-paraffin mạch dài có nhiệt độ kết tinh cao, chúng làm ổn định phân đoạn nhiệt độ thấp Ở phân đoạn diesel naphten thơm hai vòng chủ yếu, hợp chất ba vòng bắt đầu tăng lên Đã bắt đầu xuất hợp chất có cấu trúc hỗn hợp naphten thơm Hàm lượng hợp chất chứa S,N O bắt đầu tăng nhanh Các hợp chất lưu huỳnh chủ yếu dạng dị vòng disulfur Những hợp chất chứa oxy dạng axit naphtenic có nhiều đạt cực đại phân đoạn Ngoài có chất dạng phenol dimetylphenol Cũng xuất nhựa trọng lượng phân tử thấp, vào khoảng 300 – 400 đ.v.C Ngoài phân đoạn gasoil chưng cất trực tiếp dung phân đoạn gasoil trình chế biến thứ cấp khác cracking, hydrocracking nhiệt phân cốc hóa Thành phần tốt cho nhiên liệu hydrocacbon, n-parafin, dạng hydrocacbon naphten mạch nhánh, có chất lượn hydrocacbon thơm Diesel động diesel Page Ngoài nguyên liệu diesel có chưa số phụ gia nhằm nâng cao chất lượng nhiên liệu phụ gia cải thiện số xetan, phụ gia chống đông… Diesel động diesel Page 1.1.3 So sánh tính chât nhiên liệu biodiesel diesel Một số ưu điểm: Biodiesel có ưu điểm lớn vượt trội so với diesel khoáng sau: – An toàn cháy nổ: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy 1100C cao so với diesel khoáng nên an toàn trình tồn chứa bảo quản – Hàm lượng lưu huỳnh: Biodiesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp, khoảng 0,001%, nên cháy thải SO2 Với đặc tính quý biodiesel đựoc coi nhiên liệu thân thiện với môi trường – Giảm lượng khí thải độc hại: Theo nghiên cứu Bộ Năng lượng Mỹ thực trường đại học bang Califonia việc sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng làm giảm 93,6% nguy mắc bệnh ung thư từ khí thải diesel biodiesel chứa hợp chất thơm lưu huỳnh nên trình cháy triệt để giảm nhiều hydrocacbon khí thải – Có khả bôi trơn giảm mài mòn: Biodiesel có khả bôi trơn tốt diesel khoáng Ta biết khả bôi trơn nhiên liệu đặc trưng giá trị gọi HFRR (high frequency receiprocating rig) Giá trị thấp khả bôi trơn nhiên liệu tốt Diesel khoáng xử lý lưu huỳnh có HFRR ≥ 500 phụ gia giới hạn đặc trưng diesel 450 Vì diesel khoáng cần phải bổ sung phụ gia để tăng bôi trơn Trong HFRR biodiesel khoảng 200 biodiesel phụ gia tốt cho diesel khoáng Khi thêm biodiesel vào với tỉ lệ định mài mòn động giảm đáng kể, chí sau 15 000 làm việc không phát mài mòn đáng kể Diesel động diesel Page – Khả thích hợp cho mùa đông: Nhiên liệu cho động diesel nói chung phải giữ tính lưu biến tốt vào mùa đông nhiệt độ hạ đến – 200C Cả nhiên liệu pha thêm phụ gia Sự kết tinh tạo parafin xảy khối nhiên liệu diesel gây trở ngại cho đường ống dẫn trình phun nhiên liệu Khi cần thiết phải làm hệ thống Còn biodiesel, bị đông đặc nhiệt độ tăng nên không cần thiết phải làm hệ thống nhiên liệu – Khả phân huỷ sinh học: Biodiesel có khả phân huỷ thiên nhiên nhanh gấp bốn lần so với diesel khoáng Do tính chất an toàn mà biodiesel thích hợp làm nhiên liệu cho máy móc khu vực nhạy cảm khu đông dân cư gần nguồn nước – Quá trình cháy sạch: Do biodiesel chứa 11% oxy nên trình cháy diễn hoàn toàn tạo muội động – Dễ dàng sản xuất: Do nguyên liệu cho sản xuất biodiesel dầu thực vật, mỡ động vật nguyên liệu có khả tái sinh không làm ảnh hưởng đến nguồn lượng tự nhiên.Nguồn nguyên liệu lại cung cấp chủ động dễ dàng – Trị số xetan cao: Thông thường, diesel khoáng có trị số xetan 50 – 52 động thường 35 – 54 động cao tốc Trong biodiesel có trị số xetan 56 – 58 Với giá trị biodiesel hoàn toàn đáp ứng yêu cầu khắt khe động diesel cao tốc cần nhiên liệu chất lượng cao với khả tự bắt cháy nhanh mà không cần phụ gia 1.1.4 Các tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel 1.1.4.1 Chỉ số xetan a.Chỉ số xetan đặc trưng cho khả tự bốc cháy nhiên liệu Chỉ số xetan đơn vị đo quy ước đặc trưng cho khả tự bốc cháy nhiên liệu diesel, số nguyên có giá trị giá trị hỗn hợp chuẩn khả tự bốc cháy Hỗn hợp chuẫn gồm Diesel động diesel Page hydrocacbon n-xetan(C16H34) công thức cấu tạo mạch thẳng dễ tự cháy số xetan 100 methylnaphtalen (C11H10) chất khó tự cháy số xetan Chỉ số xetan số % thể tích n-xetan hỗn hợp Chỉ số xetan nhiên liệu cao chất lượng nhiên liệu diesel tốt, ko nên cao từ 45 tới 55 cao dễ bốc cháy tạo cốc nhanh mũi vòi phun 1.1.4.1.1 Cơ sở phương pháp xác định trị số xetan nhiên liệu Cho nhiên liệu nghiệm cần đo số xetan vào thiết bị xác định Ghi nhận trạng thái tự cháy nhiên liệu đem thử Cho nhiên liệu chuẩn có trị số xetan khác vào thiết bị xác định ghi lại trạng thái tự cháy nhiên liệu để tìm trạng thái giống trạng thái tự cháy nhiên liệu cần xác định nhiên liệu chuẩn từ xác định trị số xetan nhiên liệu 1.1.4.1.2 Trị số xetan hydrocacbon Các hydrocacbon khác có trị số xetan khác , tóm tắt sau: • Khi có số nguyên tử Cacbon mạch hydrocacbon n-parafin có trị số xetan cao nhất, tới hydrocacbon naphten, hydrocacbon dạng izo có trị số xetan thấp hơn, hydrocacbon thơm có trị số xetan thấp Trong dãy đồng đẳng hydrocacbon mạch hydrocacbon dài trị số xetan cao Phân đoạn gasoil chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ có trị số xetan cao VD: Trị số xetan gasoil từ dầu mỏ Bacu 60, mỏ Grosny 75-80 Nếu trị số xetan cao không cần thiết gây lãng phí nhiên liệu, số thành phần nhiên liệu trước cháy nhiệt độ cao xilanh thiếu oxi nên phân hủy thành Cacbon tự Nếu trị số xetan thấp xảy trình kích nổ nhiên liệu có nhiều thành phần khó bị oxi hóa, lượng nhiên liệu phun vào xi-lanh nhiều xảy trình Diesel động diesel Page tự cháy dẫn đến cháy lúc , gây tỏa nhiệt mạnh, áp suất tăng mạnh, động rung giật gọi cháy kích nỗ 1.1.4.2 Tính bay nhiên liệu diesel Ảnh hưởng lớn đến tạo thành hỗn hợp nhên liệu không khí Khi trình tạo hỗn hợp cháy thực đặng, động hoạt động bình thường ổn định Khi trình tạo hỗn hợp cháy xảy thất thường làm cho hoạt động động bị trục trặc 1.1.4.3 Tính lưu chuyển nhiên liệu diesel Là tiêu đánh giá chất lượng quan trọng nhiên liệu diesel nói lên lưu chuyển dễ dàng hệ thống cung cấp nạp nhiên liệu vào buồng đốt động Tính chất đặc biệt quan trọng động diesel làm việc khu vực có nhiệt độ môi trường thấp vùng lạnh ,có tuyết… Chật lượng đánh giá qua tiêu độ nhớt nhiệt độ đông đặc Ngoài số tiêu khác : ăn mòn nhiên liệu, ăn mòn kim loại, tính an toàn chảy nổ Diesel động diesel Page 1.1.5 Các phương pháp nâng cao chất lượng nhiên liệu diesel Có nhiều cách để làm diesel tập trung lại phương pháp sau: – Phương pháp pha trộn : Thực chất pha trộn nhiên liệu diesel diesel bẩn để thu nhiên liệu diesel có chất lượng chấp nhận Phương pháp có hiệu kinh tế không cao pha trộn giới hạn định Thế thực tế có dầu mỏ lưu huỳnh hydrocacbon mà chủ yếu dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh cao khí hydrocacbon nhiều nên phương pháp không phổ biến rộng rãi – Phương pháp hydro hóa : Cho hiệu cao , hợp chất khí hydrocacbon giảm xuống thấp nên nhiên liệu diesel Tùy phương pháp có đầu tư cao đến 60 – 80 triệu USD cho dây chuyền hydro hóa nên hiệu kinh tế không cao – Phương pháp nhũ hóa diesel : Đưa nước vào diesel để tạo nhũ tương Loại nhũ tương có hàm lượng oxy cao nên trình cháy khả thi giảm ô nhiễm mà có giá trị kinh tế cao Tuy nhiên phương pháp nghiên cứu phòng thí nghiệm – Phương pháp thay thế: Đưa hợp chất chứa oxy vào nhiên liệu diesel sản phẩm thu gọi nhiên liệu diesel sinh học Dạng nhiên liệu có nồng độ oxy cao, tạp chất nên trình cháy hoàn toàn tạo cặn Trong phương pháp phương pháp phương pháp thứ tư quan tâm tập trung quan tâm nghiên cứu nhiều phương pháp xuất phát từ nguyên liệu sinh học nguồn nhiên liệu vô tận Hơn thế, cháy lại tạo khí độc hại CO, SOx, H2S, Hydrocacbon thơm…chính chất gây ô nhiễm môi trường Diesel động diesel Page 10 1.2.3 Cấu tạo Xét mặt cấu tạo động đốt kỳ sử dụng nhiên liệu xăng diesel giống nhau, khác hệ thống cung cấp nhiên liệu chế đốt cháy nhiên liệu biên; P-Trục A-Con đội, lò xo xupap nạp; B-Nắp giàn cò; C-Cổ góp nạp; DMặt máy; ENước làm mát; F-Thân máy; G-Đáy te; H-Dầu động cơ; I-Trục cam; J-Con đội, lò xo xupap xả; K-Bugi đánh lửa; L-Cổ góp xả; M-Piston; N-Tay biên (thanh truyền); O-Cổ khuỷu (trục cơ, cốt máy) Hình 3: Cấu tạo động kì theo mặt cắt ngang Diesel động diesel Page 14 1.2.3.1 Phần tĩnh a Nắp máy Nắp máy chi tiết lắp phía động cơ, có tác dụng với thân máy (xylanh) đỉnh piston tạo thành buồng đốt động cơ, đồng thời giá đỡ nhiều chi tiết lắp ghép liên quan trục cam, xupap, cò mổ…Nắp máy thường chế tạo hợp kim nhôm đúc gia công Trên nắp máy có bố trí ổ đỡ trục cam, cổ góp nạp cổ góp hút… Hình 4: Nắp máy động xylanh thẳng hang b Thân máy Thân máy chi tiết chính, cấu trúc lên hình dạng động cơ, nơi Diesel động diesel Page 15 gá lắp hầu hết chi tiết động như: cấu trục khuỷu truyền, xylanh, bơm nước, bơm dầu bôi trơn…Thân máy thường chế tạo gang đúc, hợp kim hợp kim nhôm đúc, bên thân máy có gia công khoang rãnh chứa nước làm mát bao quanh xylanh động (gọi áo nước), rãnh dẫn dầu bôi trơn hệ thống bôi trơn động cơ…Việc chế tạo thân máy phức tạp Hình 5: Thân máy động V8 c Đáy te Đáy te chi tiết nằm phía động cơ, te với thân máy tạo hộp trục khuỷu có tác dụng chứa dầu bôi trơn động nơi gom khí xạ (khí bon) phát sinh làm việc động Diesel động diesel Page 16 từ theo hệ thống thoát vào buồng đốt động Đáy te thường làm tôn dập hợp kim đúc Hình 6: Đáy te động Diesel động diesel Page 17 1.2.3.2 Phần động a Cơ cấu trục khuỷu truyền Hình 7: Cơ cấu trục khuỷu truyền động I4 Cơ cấu trục khuỷu truyền có chức biến chuyển động tịnh tiến piston (do tác dụng lực khí thể sinh kỳ nổ sinh công) thành chuyển động quay trục khuỷu đưa động để vận hành hệ thống, thiết bị khác cho xe ô tô hoạt động b Hệ thống phối khí Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ điều khiển phối hợp đồng Diesel động diesel Page 18 hành trình hoạt động piston với việc nạp khí (hoặc hỗn hợp không khí – nhiên liệu) vào bên động để thực việc nén, nổ máy thải khí đốt bên xylanh động cách phù hợp thời điểm Hình 8:Hệ thống phân phối khí động V8 Trục cam xả; Trục cam nạp; Xupap nạp; Xích dẫn động; Trục khuỷu động c Hệ thống nhiên liệu Hệ thống cung cấp nhiên liệu có chức cung cấp nhiên liệu (xăng dầu diesel) từ thùng chứa vào bên buồng đốt động Diesel động diesel Page 19 hòa trộn với không khí trước vào xylanh động thực việc chuyển hóa lượng từ hóa sang động hoạt động Hình 9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu Diesel Hình 10: Hệ thống cung cấp nhiên liệu động diesel d Hệ thống làm mát Hệ thống làm mát động có chức giải nhiệt giữ cho nhiệt độ làm việc động nằm khoảng phù hợp, tránh thất thoát tổn Diesel động diesel Page 20 hao công nhiệt kích nổ nhiệt cao, mang lại hiệu hoạt động, công suất làm việc tốt cho động Hình 11: Hệ thống làm mát động e Hệ thống bôi trơn Hệ thống bôi có chức cung cấp dầu bôi trơn đến vị trí, bề mặt cấu chi tiết có tính chuyển động tương nhằm hạn chế tối đa Diesel động diesel Page 21 lực ma sát đồng thời bảo vệ bề mặt chi tiết khỏi ăn mòn hóa học không đáng có Hình 11: Hệ thống bôi trơn động 1.2.4 Nguyên lý làm việc động diesel Hầu hết động ô tô sử dụng động đốt kỳ Diesel động diesel Page 22 Kỳ – Kỳ hút (kỳ nạp): Ở kỳ hút: xupap hút mở, xupap nạp đóng, piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, không khí (hoặc hỗn hợp không khí – nhiên liệu) nạp từ bên vào bên xylanh động Kỳ hút kết thúc piston xuống đến ĐCD xupap nạp xả đóng kín Kỳ – Kỳ nén: Ở kỳ nén: xupap nạp xả đóng, piston di chuyển từ ĐCD lên ĐCT Hành trình lên piston nén không khí (hoặc hỗn hợp hòa khí) bên lại, piston lên đến gần ĐCT hỗn hợp hòa khí nén lại có nhiệt độ áp suất cao, dễ dàng cho cháy diễn kỳ nổ Kỳ – Kỳ nổ (sinh công): Tiếp nối kỳ nén piston lên đến ĐCT ,háy hỗn hợp hòa khí có nhiệt độ áp suất cao tự cháy tạo lực khỉ thể tác động lên đỉnh piston, đẩy piston di chuyển từ ĐCT xuống ĐCD truyền lực bên động Ở kỳ nổ xupap nạp xả đóng kín Đối với động diesel bugi phát tia lửa điện mà thay vào vòi phun nhiên liệu thực việc phun nhiên liệu tơi sương vào buồng đốt để hình thành hòa khí tự đốt cháy sinh công Kỳ – Kỳ xả (thải): Kỳ nổ sinh công kết thúc piston di chuyển xuống ĐCT Theo quán tính piston tiếp tục chuyển động từ ĐCD lên ĐCT, lúc xupap nạp đóng, xupap xả mở, khí cháy bên xylanh động có áp suất cao đẩy bên theo đường ống xả môi trường 1.2.5 Quá trình cháy động diesel Trong trình vận hành động diesel quan sát thấy điều kiện cụ thể khác nhau, hai tượng cháy hoàn toàn trái ngược:hiện tượng cháy bình thường cháy không bình thường động Một nguyên nhân dẫn tới tượng cháy không bình thường việc sử dụng nhiên liệu không quy định không đảm bảo chất lượng Trước hết cần tìm hiểu hai tượng cháy nhiên liệu động Diesel động diesel Page 23 1.2.5.1 Hiện tượng cháy bình thường không bình thường động diesel Trong xylanh động diesel, piston nén hỗn hợp không khí nhiên liệu động xăng mà nén không khí đến đạt tới nhiệt độ cần thiết Lúc nhiên liệu phun sương trực tiếp vào buồng đốt Gặp không khí nóng nhiên liệu bốc hơi, nóng dần lên đạt tới nhiệt độ tự cháy Thực tế cho thấy nhiên liệu sau phun vào xylanh không tự cháy ngay, mà phải có thời gian để oxy hóa sâu hydrocarbon nhiên liệu, tạo hợp chất chứa oxy trung gian, có khả tự bốc cháy Khoảng thời gian gọi thời gian cảm ứng hay thời gian cháy trễ Kết thúc thời gian này, cháy buồng đốt bắt đầu Thời gian cảm ứng ngắn tốt, lúc nhiên liệu cháy điều hòa 1.2.5.1.1 Hiện tượng cháy bình thường: Nếu nhiên liệu có nhiệt độ tự cháy thích hợp, dễ tự bén cháy, thời gian cháy trễ đủ ngắn bắt đầu cháy nhiên liệu tích tụ buồng cháy không nhiều, tượng cháy xảy bình thường, áp suất, nhiệt độ buồng cháy tăng đặn Trường hợp cháy bình thường 1.2.5.1.2 Hiện tượng cháy không bình thường Nếu nhiên liệu khó tự cháy, thời gian cảm ứng kéo dài, làm cho nhiên liệu tích lũy nhiều buồng đốt, làm cho bắt đầu tự cháy, nhiên liệu cháy cách mãnh liệt, làm áp suất, nhiệt độ buồng cháy tăng đột ngột, gây sóng chấn động đập vào vách xylanh, tạo tiếng động lách cách Hơi nhiên liệu cháy không hết, xả khói đen hyrocarbon dư…giống tượng cháy kích nổ động xăng gây tác hại tới tuổi thọ động cơ, lãng phí nhiên liệu, ô nhiễm môi trường Như để có thời gian cháy trễ ngắn nhiên liệu phải có nhiều chất n-parafin, cấu tử dễ bị oxy hóa, tức dễ tự bốc cháy Còn izo-parafin hợp chất hydrocarbon thơm khó bị oxy hóa nên thời gian cháy trễ dài, khả tự bốc cháy Có thể xếp thứ tự theo chiều giảm khả oxy hóa ( tức tăng thời gian cảm ứng ) hydrocarbon sau: nDiesel động diesel Page 24 parafin< naphten < n-olefin < izo-naphten < izo-parafin