Chương 3 nhiên liệu và môi chất trong động cơ đốt trong

3.2.2 Định nghĩa dầu mỏ: Dầu mỏ là một trong các chất hữu cơ hoá thạch than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên, là một hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon CnHm, có cấu trúc hoá học khác nhau và

Chương 3: NHIÊN LIỆU VÀ MÔI CHẤT CỦA

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Phần I: Nhiên liệu động cơ đốt trong.

3.1 Giới thiệu về nhiên liệu

3.1.1 Định nghĩa

Nhiên liệu là một dạng vật liệu được sử dụng nhằm cung cấp nhiệt năng cho con người sử dụng trong đời sống và sản xuất có hiệu quả

3.1.2 Mục đích sử dụng

- Sinh hoạt của con người

- Nhiên liệu cho sản xuất trong công, nông, lâm nghiệp…

- Nhiện liệu cho các phương tiện giao thông vận tải

3.1.3 Yêu cầu

- Khi cháy có khả năng tạo ra một lượng nhiệt đủ lớn, cho

nhiệt độ cao

- Dễ đốt cháy và cháy nhanh

- Có nguồn trữ lượng lớn và phân bố khá phổ biến trong thiên nhiên

- Có khả năng chế biến và giá thành tương đối rẻ

- Dễ bảo quản, bảo tồn được tính chất trong quá trình bảo

3.1.4 Phân loại

Tuỳ thuộc trạng thái có các dạng nhiên liệu chính:

Khí thiên nhiên (mỏ khí, khí dầu mỏ)

- Nhiên liệu khí: Khí công nghiệp

Khí nhân tạo (khí hoá từ than đá, than củi, khí sinh khối)

Các sản phẩm từ dầu mỏ (xăng, DO, FO )

- Nhiên liệu lỏng: Các loại dầu thực vật (bioDiesel)

Các loại cồn (methanol, ethanol)

- Nhiên liệu rắn: Than đá

Than bùn

+ NL rắn tự nhiên Củi gỗ (phế liệu ngành lâm nghiệp)

Trấu, vỏ dừa… (phụ phẩm nông nghiệp)

+ NL rắn nhân tạo: than cốc, than củi, than nghiền dạng bột

3.2 Dầu mỏ

3.2.1 Dầu khí

- Tên gọi tóm tắt của dầu mỏ (dầu thô) và hỗn hợp khí thiên nhiên

- Có nguồn gốc hữu cơ hoá thạch Hình thành do sự phân huỷ của xác động và thực vật trong các lớp trầm tích ở đáy biển hoặc trong

lòng đất, dưới tác dụng phá huỷ của các vi khuẩn hiếu khí

Dầu khí là là một nguồn khoáng sản lớn và quý của con người

Mỏ dầu (dầu mỏ) tồn tại ở những nơi có điều kiện địa chất thích

hợp, hình thành những vỉa dầu Các vỉa dầu thường ở sâu khoảng

2000m trở lên, vì vậy muốn khai thác phải khoan sâu xuống vỉa dầu (gọi là các giếng khoan)

Ở vỉa dầu do có áp suất cao, một lượng khí hoà tan trong dầu Khi khai thác áp suất giảm chúng sẽ chuyển thành thể khí đi kèm theo dầu gọi là khí đồng hành.

Các mỏ khí tồn tại riêng, không có dầu gọi là khí thiên nhiên

Dầu khí cung cấp:

60 ÷ 65% năng lượng tiêu thụ trên thế giới

90% các sản phẩm của ngành công nghiệp hoá dầu (hàng nghìn loại sản phẩm của công nghiệp hoá dầu)

Lý do: trữ lượng lớn và khai thác, vận chuyển và chế biến rẻ hơn

than đá

3.2.2 Định nghĩa dầu mỏ:

Dầu mỏ là một trong các chất hữu cơ hoá thạch (than

đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên), là một hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon (CnHm), có cấu trúc hoá học khác nhau

và có các tính chất dị biệt Ngoài ra trong dầu mỏ còn chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh, ôxy, nitơ…

-Độ nhớt thay đổi trong một khoảng rất rộng từ 5 đến 100 cSt

(centiStokes = 1mm²/s) và có thể hơn dầu có độ nhớt lớn hơn nước hàng trục, thậm chí hàng trăm lần nhưng lại có tỷ trọng thấp hơn

-Các hydrocacbon trong dầu mỏ có khối lượng phân tử khác nhau nên chúng có nhiệt độ sôi khác nhau

Khối lượng riêng trong khoảng  = 0,78  0,98 kg/lít Dầu mỏ

có màu càng sáng có khối lượng riêng càng nhỏ và càng loãng Nhiệt trị thấp trong khoảng Q H = 41000  46000 kJ/kg (giá trị nhỏ của FO (mazut), giá trị lớn của xăng nhẹ cao cấp thường dùng cho máy bay.

Dầu mỏ và các sản phẩm của dầu mỏ hòa tan trong rượu, tự hòa tan tốt trong mỡ, dầu và axit béo.

Dầu mỏ không chứa nước và sản phẩm của dầu là các chất

không dẫn điện (tính dẫn điện của dầu nhỏ hơn của kính, gốm,

sứ từ 3 đến 4 lần Parafin được dùng làm chất cách điện vì thế từ dầu mỏ chế tạo ra các loại dầu đặc biệt chuyên dùng cho máy

biến thế, tụ điện hoặc một số thiết bị khác của ngành điện

Ngoài ra trong dầu mỏ còn có:

- Lưu huỳnh (S): 0,1  6,3% khối lượng:

+ S chiếm từ 0,1 1,0% kl gọi là dầu mỏ ngọt, dầu càng ít S càng có giá trị

+ S: 1  3,0% kl là dầu nhiều lưu huỳnh + S > 3% là dầu chua, giá trị thấp

- Ôxy (O): 0,1  1%, tuy nhiên có loại dầu nhiều nhựa ôxy chiếm 2 ÷3%

- Nitơ (N) chiếm một phần nhỏ khoảng 0,001  0,3%

Và một số nguyên tố khác chủ yếu là các kim loại như: Vanadin (V), Niken (Ni), Sắt (Fe), Magiê (Mg), Crôm (Cr), Titan (Ti), Coban (Co), Kali (K), Canxi (Ca), Natri (Na), phosphor (P) và Silíc (Si) Các nguyên tố này có hàm lượng rất nhỏ, tuy nhiên cũng gây khó khăn cho dây chuyền công nghệ chế biến dầu ( VD: chất V, Ni là các chất đầu độc đa số các chủng loại xúc tác hoá dầu, chúng thường tồn tại dưới dạng hợp chất cơ kim và có cấu tạo phức tạp và tồn tại trong phần cặn dầu

3.2.2.3 Thành phần hoá học của dầu mỏ và khí tự nhiên

Thành phần chủ yếu là các hydrocacbon, là các hợp chất hữu cơ có cấu tạo bởi hai nguyên tố hoá học là: H và C, những phân tử các chất hydrocacbon này khác bởi số lượng nguyên tử cacbon và cách sắp xếp chúng tạo thành những nhóm hydrocacbon có cấu trúc hoá học khác và

có tính chất khác (dị biệt)

Thành phần chính của dầu mỏ gồm 4 nhóm chính:

- Nhóm hydrocacbon Parafin (alkan):

Công thức tổng quát: C n H 2n+2

+ Thể khí (C1  C4): Mêtan (CH4), Etan (C2H6), Propan (C3H8) và Butan (C4H10) chúng thuộc nhóm parafin thấp phân tử, chúng ít tan trong nước và chất lỏng phân cực (rượu thấp, xeton, andehyt) nhưng bị hấp thụ bởi các hydrocacbon khác và những chất hấp thụ rắn (than hoạt tính)

CnHmOr+N2 =1kmol (m3 tiêu chuẩn)

- Nhóm Olefin (Alken): là các hydrocacbon không no, C n H 2n + Diolefin (C n H 2n-2 ): Có 2 liên kết nối đôi, ít bão hoà hơn so

với olefin

- Nhóm hydrocacbon naphten (hydrocacbon vòng no): C n H 2n

Ở phần tử hydrocacbon naphten, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo nên một vòng cacbon kín bằng liên kết đơn bền vững

- Nhóm hydrocacbon thơm (aromat): C n H 2n-6

Có cấu trúc phân tử một vòng là nhân benzen (C6H6) gồm 06 nguyên tử cacbon liên kết vòng với 03 nối đơn và 03 nối đôi, sắp xếp xen kẽ với nhau

- Xăng: Là loại nhiên liệu lỏng được sử dụng phổ biến trong động cơ xăng (động cơ cháy cưỡng bức theo chu trình OTTO) Tỷ số nén  của các động cơ xăng thông thường hiện nay thường nhỏ hơn hoặc bằng 10 (chúng giới hạn bởi đặc tính cháy kích nổ của nhiên liệu xăng).

- Dầu hoả (dầu hôi): Là một chất dung môi thường dùng để tẩy rửa dầu mỡ nhờn Vì thế khi sử dụng dầu hoả làm nhiên liệu thường gây ra

sự tẩy rửa nhớt bôi trơn trong xy lanh nên xy lanh và các chi tiết nhóm piston nhanh mòn Dầu hoả còn được dùng làm nhiên liệu cho động cơ máy bay

- Dầu gasol (dầu Diesel - DO): Là nhiên liệu sử dụng cho loại động

cơ Diesel trung và cao tốc (quay nhanh) có n  500 vòng / phút (ô

tô, máy kéo)

- Dầu mazut (dầu cặn - FO): Dùng làm nguyên liệu cho động cơ Diesel tốc độ thấp (quay chậm) có Ne lớn

3.3 Những tính chất chính của nhiên liệu

Nhiệt trị của nhiên liệu là số nhiệt lượng tỏa ra khi đã đốt cháy

hoàn toàn một đơn vị (khối lượng, thể tích) nhiên liệu Nhiệt trị là đặc tính phổ biến chung của nhiên liệu, xác định giá trị nhiên liệu cho

động cơ nhiệt và các thiết bị động lực khác

Nhiệt trị ở áp suất không đổi Q p và nhiệt trị ở thể tích không đổi Q v

Nhiệt trị ở áp suất không đổi Q p là số nhiệt lượng được tỏa ra từ

sản vật cháy của một đơn vị số lượng nhiên liệu khi làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ của khí hỗn hợp trước lúc đốt cháy (thông

thường ở 200 C) trong điều kiện áp suất của sản vật cháy đã được làm lạnh bằng áp suất khí hỗn hợp trước lúc đốt cháy

Nhiệt trị ở thể tích không đổi Q v được xác định tương tự nhưng

ở thể tích giống nhau giữa sản vật cháy đã được làm lạnh với khí hỗn hợp trước lúc đốt cháy

Nhiệt trị ở áp suất không đổi có ý nghĩa thực tế, vì trong các thiết bị nhiệt và các thiết bị động lực về nhiệt khí thải (khí đã sinh công) thải ra thường có áp suất bằng áp suất khí trời, tức là giống

áp suất của nhiên liệu và không khí trước lúc đưa vào thiết bị Vì thế trong trường hợp nếu thí nghiệm cho ta số liệu về nhiệt trị ở thể tích khong đổi Qv thì ta phải đổi sang nhiệt trị ở áp suất không đổi Qp

Nhiệt trị cao Q o và nhiệt trị thấp Q H

Nhiệt trị cao Q o là nhiệt lượng thu được kể cả số nhiệt lượng tỏa ra do sự ngưng tụ của hơi nước chứa trong sản vật cháy khi ta làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ ban đầu Trên thực tế, đối với động cơ đốt trong khí thải được thải ra ở nhiệt độ khá cao, cao hơn điểm sương mù nên không có sự ngưng tụ của hơi nước Vì vậy, khi tính toán động cơ đốt trong người ta thường dùng nhiệt trị thấp QH , nhiệt trị này nhỏ hơn nhiệt trị cao một trị số bằng

nhiệt ẩn hóa hơi của nước chứa trong sản vật cháy

Trong những trường hợp mà thí nghiệm chỉ cho nhiệt trị cao thì cần phải tính đổi ra nhiệt trị thấp theo công thức sau:

- Đối với nhiên liệu lỏng

QH = Qo - 2,512.106 (9H+W) , J/kg

Trong đó: 2,512.106 J/kg là trị số nhiệt ẩn hóa hơi của 1kg nước 9H là lượng hơi nước được hình thành khi đốt cháy H

kg hydro có trong 1kg nhiên liệu

W là lượng hơi nước chứa trong 1kg nhiên liệu

3.3.1 Nhiên liệu xăng

Các yêu cầu đối với xăng:

Có độ bay hơi thích hợp để đảm bảo khởi động động cơ tốt trong điều kiện nhiệt độ môi trường và động cơ nguội

Không gây ăn mòn kim loại, nên trong xăng không được có lẫn các tạp chất cơ học, nước, kiềm hoặc axit… Đặc biệt hàm lượng lưu huỳnh trong xăng chỉ cho phép lớn nhất là S = 0.1 – 0.15%.

Không bị đông đặc khi nhiệt độ hạ thấp

Ít độc hại, ngày nay ở nhiều nước trên thế giới, kể cả Việt Nam cấm sử dụng xăng pha chì để chạy xe

Tính chống kích nổ xăng:

Trong quá trình đốt cháy hơi xăng trong buồng cháy động cơ

có thể xảy ra hiện tượng cháy kích nổ khi điều kiện cháy không phù hợp Chính vì điều này mà tỷ số nén động cơ xăng không vượt quá 12 (  12)

Cháy kích nổ là hiện tượng tự bốc cháy tại một điểm nào đó trong vùng hỗn hợp (xăng + không khí) chưa cháy đến, nằm ngoài màng lửa cháy lan từ vị trí đặt buji (nơi xuất hiện tia lửa điện trong buồng cháy), lúc này hỗn hợp khí cháy có hai tâm cháy đối ngược nhau

Tốc độ cháy lan truyền của màng lửa của tâm cháy sau này nhanh gấp trăn lần cháy bình thường, lên tới 1500 – 2500 m/sec, gây ra hiện tượng cộng hưởng làm tăng giảm áp suất của khí cháy một cách đột ngột (160 kG/cm2) và tạo ra các sóng xung động, va đập vào vách xylanh, kết quả làm cho động cơ nổ rung giật mạnh

Cháy kích nổ gây nóng máy nhiều hơn bình thường và giảm nhanh công suất của động cơ (Ne ) Ngoài ra các chi tiết máy do phải chịu tải trọng động lớn và ứng suất nhiệt cao nên bị biến dạng hoặc gây nứt rạn đỉnh piston, gãy séc măng, cong thanh truyền hoặc trục khuỷu, ảnh hưởng rất xấu tới độ bền và tuổi thọ của động cơ

Phương pháp hạn chế kích nổ:

Phía động cơ :

- Giải nhiệt tốt (đảm bảo điều kiện làm mát cho động cơ)

- Giảm tải động cơ, đóng nhỏ bướm ga sẽ làm giảm lượng hỗn hợp khí nạp mới vào xy lanh  giảm thời gian cháy của hỗn hợp

Phía nhiên liệu :

- Dùng loại xăng có tính chống kích nổ cao:

Xăng có nhiều thành phần cacbuahydro nhóm naphten (xyclo alkan), hydrocacbon thơm và parafin đồng vị vì chúng có kết cấu hoá học rất chặt, khó bị ôxy hoá nên chúng có tính chống kích nổ cao, các thành phần này có nhiều trong xăng tinh chế bằng phương pháp cracking xúc tác

- Dùng phụ gia tăng tính chống kích nổ là tetrra etyn chì (Pb + (C 2 H 5 ) -4 ) - TEC

TEC là chất khử peroxyd nhằm giảm cường độ phản ứng ôxy hoá tại phần hỗn hợp nhiên liệu chưa cháy đến, kết quả hạn chế được hiện tượng kích nổ

Tuy nhiên chì là chất rất độc đối với con người và môi trường sinh thái nên từ năm 1977 nhiều nước đã dần chấm dứt dùng xăng

có chì Việt Nam cũng đã chấm dứt dùng loại xăng này từ ngày 1/7/2001

Hàm lượng chì có trong xăng nhập vào VN hiện nay <

0,013g/lít.

- Trộn xăng thô với các hợp chất ngậm ôxy

Một loại xăng không chì khác được cấu thành từ hai thành phần chính là xăng thô (chế tạo bằng phương pháp chưng cất thẳng) và

các loại cồn, etse và một số chất hữu cơ ngậm oxy như

Metyl-Tetiary-Butanol-Este (MTBE).

Thành phần của một loại xăng trộn nêu trên gồm:

Iso-butanol (CH 3 )CHCH 2 OH 7% thể tích Metyl-Tertiary-Butyl-Este (MTBE) 7% thể tích Một vài chất hữu cơ ngậm oxy 7% thể tích

-100% thể tích

Xăng này có trị số octan RON = 91  95 ( MON = 82,5  85)

Những hợp chất pha vào xăng thô nói trên tham gia vào cơ chế ngăn cản sự tích tụ peoxyt, nên hạn chế hiện tượng cháy kích nổ

Hiện nay loại xăng pha các hợp chất ngậm ôxy như MTBE không con được khuyến cáo sử dụng ở Nhật và Mỹ cũng như tại một số

nước phát triển khác vì chất MTBE khi bị rò rỉ qua các bồn chữa xăng chôn dưới đất làm nhiễm độc nước sinh hoạt

Ở nước ta hiện nay chưa sử dụng các loại xăng có pha phụ gia này

3.3.2 Nhiên liệu Diesel

Các yêu cầu đối với Diesel:

Nhiên liệu phải có độ nhớt phù hợp , có tính chống đông đặc và lưu động tốt nhằm :

Lưu động một cách dễ dàng trong hệ thống nhiên liệu (đặc biệt

ở những địa phương có nhiệt độ môi trường thấp), khi động cơ

hoạt động nhiên liệu sẵn sàng cung cấp đầy đủ và liên tục

Độ nhớt phù hợp : đảm bảo tính chất bôi trơn và bao kín các bộ đôi bơm cao áp và kim phun Tuy nhiên nếu độ nhớt quá cao nhiên liệu khó phun tơi và bốc hơi hoàn toàn, gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng tạo hoà khí và cháy của nhiên liệu Độ nhớt động học của động cơ Diesel tối thiểu là V20c = 1,5  2,0 cSt

Có thành phần chưng cất ổn định đặc trưng bởi khoang nhiệt

độ bốc hơi của nhiên liệu Diesel là 155  3750C

Trong đó 50% nhiên liệu bốc hơi ở t0 = 270  2800C

96% nhiên liệu bốc hơi ở t0 = 340  3600C

Nhiên liệu Diesel có tính bốc hơi tốt thì động cơ càng dễ khởi động, thời gian chạy hâm nóng may giảm và nồng độ khói đen trong khí thải càng ít

Có mức độ phát ô nhiễm thấp (đánh giá bằng độ khói đen và nồng độ khí độc của sản vật cháy gồm HC và NOx) Nhiên liệu Diesel có tính bốc hơi tốt  cháy hoàn toàn  khí độc và khói giảm

Không ăn mòn gỉ, mài mòn và kết muội than trước và sau khi cháy Yêu cầu này phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh (S), tro và các tạp chất hữu cơ, vô cơ, nước,…trong nhiên liệu Diesel Vì vậy nhiên liệu trước khi sử dụng phải được lọc thật sạch và bảo quản tốt.

Tính tự cháy của nhiên liệu Diesel được đánh giá bằng thời gian ủ cháy thích hợp (còn gọi là thời gian cháy trễ của nhiên liệu I)

Đây là yêu cầu quan trọng nhất, có liên quan chặt chẽ đến diễn biến và chất lượng cháy của nhiên liệu Nhiên liệu có tính tự cháy

cao, có nghĩa là thời gian ủ cháy nhỏ, động cơ dễ khởi động, quá

trình cháy êm dịu, ổn định, nhiên liệu cháy hoàn toàn không có khói đen

3.3.3 Tính bốc hơi của nhiên liệu

Tính bốc hơi của nhiên liệu có ý nghĩa lớn đối với động cơ chạy

bằng nhiên liệu lỏng, đặc biệt là đối với động cơ chạy bằng nhiên liệu khí đã được hóa lỏng có tính bốc hơi cao Tính bốc hơi cao có ý nghĩa lớn đối với động cơ xăng (dùng bộ chế hòa khí), đối với động cơ

Diesel tính bốc hơi của nhiên liệu so với các lọai động cơ khác kém hơn nhưng cũng có ý nghĩa quan trọng, vì nhiên liệu sau khi phun vào xilanh nếu bốc hơi nhanh thì nhiên liệu trộn hòa với không khí sẽ tốt hơn và cháy nhanh hơn

3.3.4 Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu Nhiệt độ bén lửa: nhiệt độ thấp nhất mà khí hỗn hợp bén lửa

Nó nói lên số lượng chất chưng cất nhẹ trong nhiên liệu và dùng làm chỉ tiêu phóng hỏa cho nhiên liệu khi dùng trên tàu thủy, nhiệt

độ bén lửa thường không thấp hơn 65 oC