Chương 3 môi chất công tác

Tỉ nhiệt của môi chất công tác Mục đích • Nghiên cứu các loại nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong và phản ứng cháy của nhiên liệu đối với không khí, đồng thời qua đó tính lượng môi

CHƯƠNG 3 MÔI CHẤT CÔNG TÁC

3.1 Định nghĩa môi chất công tác

3.2 Nhiên liệu dùng cho động

cơ đốt trong

3.3 Phản ứng cháy và sản vật cháy của nhiên liệu

3.4 Tỉ nhiệt của môi chất công tác

Mục đích

• Nghiên cứu các loại nhiên liệu dùng

cho động cơ đốt trong và phản ứng

cháy của nhiên liệu đối với không khí,

đồng thời qua đó tính lượng môi chất

có trong xilanh động cơ.

• Nghiên cứu về tỉ nhiệt môi chất công

tác qua đó ta hiểu ảnh hưởng của tỉ

nhiệt đến công suất và hiệu suất của

động cơ.

3.1 Định nghĩa:

Môi chất công tác là chất môi giới dùng

để thực hiện chu trình công tác thực tế của

động cơ nhằm biến nhiệt năng thành cơ

năng.

Bao gồm:

- Chất oxy hoá thường là không khí

- Hơi nhiên liệu và sản vật cháy của nhiên

liệu.

Trong quá trình làm việc môi chất luôn luôn

thay đổi về tính chất lý hoá của nó.

Quá trình nạp, gồm:

- Khí sót còn lại trong xylanh ở chu trình

trước

- Không khí mới (động cơ Diesel) hoặc

hỗn hợp khí mới (không khí+hơi xăng).

3.2 Nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong.

Yêu cầu:

 Dễ hoà trộn với không khí.

 Phải cháy kiệt, sau khi cháy không để lại bụi, tro vì

tro sẽ bám vào vách xylanh làm secmăng, piston,

lót xylanh mòn rất nhanh.

 Nhiệt trị cao.

Nhiên liệu chủ yếu:

- Thể lỏng: Tinh khiết, không chứa bụi tro.

- Thể khí: Tinh khiết.

- Thể rắn: Chỉ dùng nó sau khi đã biến nó thành

nhiên liệu thể khí hoặc lỏng.

3.2.1 Nhiên liệu thể khí:

Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên: Sản vật của các mỏ khí, khí

mỏ dầu hoả hoặc mỏ ga khí khác.

Khí công nghiệp

Khí công nghiệp: Lấy từ tinh luyện dầu mỏ

được C n H 2n họ oxit cacbon và carbuahydro

chưa cháy, khí lò cao.

Khí lò ga

Khí lò ga: Khí lấy từ việc khí hoá các nhiên

liệu thể rắn trong các thiết bị đặc biệt như lò

ga

2C + O 2 = 2CO

3.2.1.1 Cấu tạo nhiên liệu khí:

• Tuỳ theo trạng thái lý hoá và phương pháp

chế tạo nhiên liệu, thể khí chia ra làm: Khí

nén thành nước, khí nén và khí lò ga.

• Bất cứ nhiên liệu thể khí nào cũng là hỗn

hợp cơ học của nhiều thứ khí cháy và khí

trơ khác nhau

• Thành phần chủ yếu: Oxit carbon (CO),

Mêtan (CH 4 ), các loại Carbon hydro (C n H m ),

khí Carbonic (CO 2 ), Oxy (O 2 ), Hydro (H 2 ),

Sunfur Hydro (H 2 S) và các thứ khí trơ mà

chủ yếu là N 2

Công thức hoá học chung của bất cứ

một chất thành phần nào có trong nhiên

liệu thể khí là:

C n H m O r (n= 0  5, m = 012, r = 0 2)

Nếu hàm lượng của từng chất thành

phần trong 1 kmol nhiên liệu khí biểu thị

theo % của thể tích thì thành phần của

nhiên liệu khí được xác định:

1 Kmol = C n H m O r + N 2 (1 m 3 tiêu chuẩn)

Gồm các khí thiên nhiên và khí thu được khi tinh

luyện dầu mỏ, thành phần chủ yếu là Mêtan (CH 4 )

(30  99%)

3.2.1.3 Ứng dụng:

Dùng trong động cơ đốt trong tĩnh

tại và động cơ vận tải

3.2.2 Nhiên liệu lỏng:

3.2.2.1 Nguồn gốc:

• Nhiên liệu thể lỏng thường là sản phẩm

chưng cất dầu mỏ

• Là hỗn hợp của nhiều carbon hydro có kết

cấu phân tử khác nhau, quyết định tính chất

hoá học cơ bản của nhiên liệu và ảnh

hưởng rất nhiều đến quá trình bốc hơi tạo

hoá khí và cháy của nhiên liệu động cơ.

3.2.2.2 Cấu tạo: Thành phần chủ yếu

của dầu mỏ bao gồm:

3.2.2.2.1 Paraphin (Anken) CnH2n+2

Là một hợp chất hữu cơ mạch hở,

phân tử liên kết theo mạch thẳng hay

nhánh.

Theo số liên kết giữa các nguyên tử C,

chia ankan làm 3 loại:

• Paraphin no: là một carbua no, nguyên

tử carbua liên kết đơn, mạch thẳng

Công thức cấu tạo: C n H 2n+2

Ngoài ra có những carbua đồng vị với

Chưa bão hoà, không no là một carbua

mạch hở có liên kết kép giữa các nguyên

• Acetylen

Là carbua hydro mạch hở, không no liên kết

giữa các nguyên tử cacbon

Công thức là: C n H 2n-2

• Olêphin và axetylen thường không chứa

trong dầu mỏ nhưng hình thành khi tinh

luyện dầu mỏ

• Trong xăng, tốt nhất là thành phần của nó

có các đồng vị của ankan bởi vì chúng rất

khó kích nổ

• Trong Diesel, thành phần tốt nhất là ankan

mạch thẳng vì nó có nhiệt độ tự cháy thấp

hơn các chất izoankan, tính ổn định hoá học

ở nhiệt độ cao rất kém do đó thời gian cháy

trễ rất ngắn

3.2.2.2.2 Xicơlen:

Có kết cấu phân tử theo mạch vòng gồm

5 hoặc 6 cacbon liên kết đơn, công thức

chung C n H 2n

Cấu trúc phân tử vòng đảm bảo tính khó

bốc cháy lớn, tính ổn định hoá học cao,

khó phân giải, do đó thời gian cháy trễ dài

Trong xăng có chứa Xicơlen sẽ tăng được

3.2.2.2.3 Carbua thơm:

 Có cấu trúc vòng với nhân benzen, công

thức CnH2n-6

 Nhân benzen làm cho carbua thơm rất ổn

định, khó oxy hoá và phân giải vì thế làm

cho nhiên liệu Diesel rất khó cháy

 Trong xăng có chứa carbua thơm sẽ nâng

hợp, phương pháp điểm lửa, )

•  có những yêu cầu khác nhau đối với

nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong

Theo những chỉ tiêu chính chia ra:

 Nhiên liệu dùng cho động cơ carbuaratơ

 Nhiên liệu dùng cho động cơ Diesel

Tất cả nhiên liệu lỏng lấy từ dầu mỏ chủ yếu

gồm các nguyên tố cacbon, hydro, oxi, đôi khi

có thêm một lượng ít Lưu huỳnh, Nitơ

Thành phần nguyên tố theo trọng lượng của

nhiên liệu lỏng có thể viết:

C+H+O=1

(C,H,O là số phần trăm tính theo trọng lượng

của cacbon, hydro, oxi chứa trong 1kg nhiên

liệu lỏng)

3.3.Tính chất của nhiên liệu:

3.3.1 Tính chất lý hoá:

3.3.1.1 Khối lượng riêng  (g/cm3): Khối lượng

của một đơn vị thể tích nhiên liệu lỏng ở nhiệt

độ 200C

• Nhiên liệu nhẹ có khối lượng riêng từ 0,65 

0,8 g/cm3, dễ bay hơi, khó xé tơi

• Nhiên liệu có khối lượng riêng từ 0,8  0,95

g/cm3, khó bay hơi, khó xé tơi

Tuy không tiêu biểu cho lượng nhiên liệu

nhưng nhờ đó có thể phân biệt nhiên liệu loại

nhẹ hay nặng, cho ta biết khả năng bay hơi

để phán đoán bốc cháy của nhiên liệu

3.3.1.2 Độ nhớt:

• Là tính năng quyết định khả năng lưu động và

chất lượng hoá sương của nhiên liệu, do đó

cũng quyết định đặc tính cháy của nhiên liệu

• Nói rõ tốc độ sấy nóng và tốc độ hoà trộn với

không khí

Phân loại:

• Độ nhớt động cơ, đơn vị: (cm2/g)

• Độ nhớt tương đối: là tỷ số giữa thời gian 200

ml nhiên liệu chảy qua lỗ đo của thiết bị đo độ

nhớt so với thời gian của cùng một thể tích

nước cất chảy qua lỗ đó ở 200C Độ nhớt

tương đối thường dùng là độ nhớt Engơle 0E

Khi nhiệt độ giảm thì  tăng lên, độ nhớt tăng

lên nhanh

3.3.1.3 Tính bốc hơi:

• Tính bốc hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào

thành phần chưng cất của nhiên liệu. Thành

phần chưng cất là tỷ lệ phần trăm của các chất

chưng cất có nhiệt độ sôi khác nhau trong

nhiên liệu

• Thành phần chưng cất được xác định khi

chưng cất nhiên liệu và thường được biểu diễn

bằng đường đặc tính chưng cất

• Loại nhiên liệu tốt thường có phạm vi chưng

cất hẹp, đồng thời không có quá nhiều chưng

cất có trọng lượng riêng quá chênh lệch

1: Xăng (35-55) đến 200 0 C 3: Diesel (185-200) đến

350 0 C 4: Dầu thô 350 0 C chỉ có 70%

dầu mỏ sôi 2: Dầu hỏa  cưỡng bức

• Chưng cất nhẹ thường làm động cơ chạy không

êm, còn nặng thì khó bay hơi, bốc cháy nên động

cơ thường phụt khói đen

• Thành phần chưng cất có ảnh hưởng lớn tới

công suất và tính kinh tế của động cơ, tới việc

khởi động động cơ, trạng thái vận hành của động

cơ

3.3.1.4 Nhiệt độ bén lửa:

Là nhiệt độ thấp nhất mà khí hỗn hợp

bén lửa, nó phản ánh số lượng chất

chưng cất nhẹ trong nhiên liệu và dùng

làm chỉ tiêu phòng hoả nhiên liệu

3.3.1.5 Nhiệt độ tự cháy:

Là nhiệt độ mà nhiên liệu có thể tự bốc

cháy và tiếp tục cháy, không cần nguồn

lửa châm ngoài

Nhiệt độ tự cháy phụ thuộc vào loại nhiên

liệu và thông thường giảm khi tăng trọng

lượng phân tử (trọng lượng riêng) của

nhiên liệu

Loại nhiên liệu càng nhẹ càng dễ bén lửa,

càng khó tự cháy

3.3.1.6 Nhiệt độ kết tủa:

Là nhiệt độ bắt đầu kết tủa trong nhiên

liệu lỏng vì nhiệt độ kết tủa cao cần phải

làm nóng nhiên liệu trước trong thùng

chứa và cách nhiệt cho ống dẫn Kết quả

gây tắt lỗ phun, ống dẫn, vòi phun

3.3.1.7 Tạp chất cơ học:

Trong nhiên liệu dùng cho động cơ đốt

trong, trọng lượng tạp chất không nên quá

1%, với động cơ cao tốc thì yêu cầu hoàn

Xác định bằng phương pháp phân tích hóa học:

• Nhiên liệu Diesel (tính theo % trọng lượng):

C=8488%, O2 = 0,005%3%, H2=1014%,

S=0,015%, khi tính toán lấy thành phần trung bình:

3.3.2.2 Nhiệt trị của nhiên liệu:

 Nhiệt trị là số nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn

toàn một đơn vị khối lượng (kg) hoặc thể tích (m 3 )

nhiên liệu.

Các loại nhiệt trị:

• Nhiệt trị ở áp suất không đổi Q plà số nhiệt lượng

toả ra từ sản vật cháy của một đơn vị số lượng nhiên

liệu khi làm lạnh nước đến nhiệt độ bằng nhiệt độ của

khí hỗn hợp trước lúc đốt cháy trong điều kiện áp suất

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 cũng được

xác định tương tự ở thể tích giống nhau giữa

sản vật cháy đã làm lạnh với khí hỗn hợp trước

lúc đốt cháy

QP = Qv + Pt(Vt - Vs) J/kg

Pt: Áp suất khí trước lúc đốt cháy

Vt, Vz: Thể tích hỗn hợp trước lúc đốt cháy và

thể tích của sản vật cháy đã được làm lạnh ở

áp suất Pt đối với số lượng nhiên liệu

• Nhiệt trị cao: Qc là nhiệt lượng thu được có kể

cả số nhiệt lượng toả ra do sự ngưng tụ của

hơi nước chứa trong sản vật cháy khi làm lạnh

nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ ban đầu

• Nhiệt trị thấp (QH nhỏ hơn nhiệt trị cao một trị

số bằng nhiệt ẩn hoá hơi của nước chứa trong

sản vật cháy)

Khi tính toán động cơ đốt trong nên dùng nhiệt trị

thấp QH vì nhiệt độ hơi nước chưa kịp ngưng tụ lại

thì đã bị thải đi mất ở nhiệt độ khá cao, có nghĩa là

số nhiệt ẩn chứa trong nước đó không được sử

dụng trong máy

Q H = Q c - 2,512,10 6 (9 H + W) J/kg 2,512.10 6 J/kg : Trị số nhiệt ẩn hoá hơi của 1kg

nước

- 9H: Lượng hơi nước được hình thành khi đốt cháy

H kg hydro có trong 1kg nhiên liệu.

- W: Lượng hơi nước của nhiên liệu có thể đo bằng

thí nghiệm hoặc tính toán theo công thức phụ thuộc

vào thành phần nhiên liệu hoặc tính toán theo công

thức kinh nghiệm.

3.3.2.3 Hiện tượng kết cốc:

• Hiện tượng phản ánh khuynh hướng kết muội

than của nhiên liệu

• Độ kết cốc cao sẽ gây ra hiện tượng kết muội

than quá nhiều, làm bó secmăng, tắt lỗ phun

dầu của vòi phun

• Hàm lượng than cốc trong nhiên liệu dùng cho

động cơ cao tốc không nên quá 0,030,1%,

trong nhiên liệu dùng cho động cơ tốc độ thấp

không quá 34%

3.3.2.4 Lưu huỳnh và hợp chất lưu huỳnh

Khi cháy lưu huỳnh thành SO2 và SO3

Nếu có nước các hợp chất này sẽ hình thành

axit ăn mòn xilanh, piston

Hàm lượng của lưu huỳnh:

không quá 0,50,2% ở động cơ cao tốc,

< 0,5% ở động cơ tốc độ thấp.

3.3.2.5 Độ axit:

• Biểu thị bằng trị số milligram KOH cần

dùng để trung hoà axit trong một gam

nhiên liệu

• Độ axit cao sẽ làm muội than nhiều và làm

mòn động cơ

3.3.2.6 Độ tro:

• Khi cháy thành phần tro tạo nên phải rất ít

vì gây mòn xilanh, secmăng

3.4 Đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu:

Nhiên liệu được phun vào buồng cháy

cuối kì nén, nó sẽ không bốc cháy ngay

mà phải qua một thời gian chuẩn bị làm

tăng các tính chất vật lý và hoá học (xé tơi

nhiên liệu, sấy nóng, bay hơi và hoà trộn

với không khí tạo nên hoà khí ) sau đó

bốc cháy  i , i

Như vậy i hoặc i ngắn, dài sẽ thể hiện rõ

tính tự cháy dễ hay khó của nhiên liệu Diesel

trong buồng cháy động cơ

3.4.1 Theo tỉ số nén tới hạn:

Tỉ số nén tới hạn của nhiên liệu là tỉ số nén

nhỏ nhất, với tỉ số nén này khi động cơ (với

một kết cấu nhất định) làm việc ở một chế

độ nhất định sẽ làm cho nhiên liệu tự cháy ở

ĐCT

Xác định eth đối với nhiên liệu thí nghiệm tiến

hành trong một động cơ đặc biệt có e có thể

thay đổi

eth càng nhỏ thì nhiên liệu dùng cho động cơ

Diesel càng tốt

3.4.2 Số xêtan:

• Số xêtan của nhiên liệu là số phần trăm tính

theo thể tích của chất xêtan có trong hỗn hợp

với chất anphamêtin naptalin, hỗn hợp này có tỉ

số nén tới hạn eth giống như của nhiên liệu thí

nghiệm

• Xêtan C 16 H 34 là một carbua hydro dễ cháy

thuộc loại parafin thường số xêtan coi như là

100

• Anpha mêtin naptalin -C 10 H 7 CH 3 là một

carbua hydro thơm 2 vòng nhân benzen khó tự

• Chọn hỗn hợp mẫu được tiến hành trong

cùng một động cơ đã dùng để xác định tỉ số

nén tới hạn eth đối với nhiên liệu tự cháy

• Có thể xác định số xêtan bằng phương pháp

xác định thời kỳ cháy trễ i

 Số % của chất xêtan chứa trong hỗn hợp chất

đó được coi là số xêtan của nhiên liệu đã cho

nếu như chạy trên động cơ thí nghiệm mà thời

kỳ cháy trễ của nhiên liệu và thời kỳ cháy trễ của

hỗn hợp như nhau.

Diesel tốc độ thấp: 30-40

Diesel tốc độ cao: 40-60

3.4.3 Số xêten:

Được xác định giống như cách xác định xêtan,

chỉ thay đổi xêtan bằng xêten

Xêten là chất đồng vị của gêchxađexen C16H32

Hiện nay không thể sử dụng

3.4.4 Chỉ số Diesel D

Là một đại lượng quy ước dùng để đánh giá tính tự

cháy của nhiên liệu Ưu điểm là đơn giản vì có thể xác

định D trong phòng thí nghiệm mà không cần dùng

động cơ, tuy vậy thiếu chính xác.

Trong đó:

d: Trọng lượng riêng của nhiên liệu ở 15 0 C

A: Điểm anilin, là nhiệt động kết qủa của dung dịch

(nhiên liệu thí nghiệm pha trong anilin C8H5NH2 theo tỉ

lệ thể tích 1:1) D càng tăng tính tự cháy của nhiên liệu

càng cao

) 32 8

, 1 )(

5 , 131 5 , 141 ( 100

3.4.5 Hằng số độ nhớt - trọng lượng W

Cũng là một thông số đành giá tính tự

cháy của nhiên liệu thi được bằng phương

pháp gián tiếp trong phòng thí nghiệm

3.5 Đánh giá tính chất chống kích nổ của nhiên

liệu dùng cho các động cơ đốt cháy cưỡng bức:

• Kích nổ là hiện tượng cháy không bình thường trong

động cơ đốt cháy cưỡng bức

• Khi có kích nổ trong xilanh xuất hiện sóng áp suất,

công suất động cơ giảm đột ngột, động cơ rất nóng,

có nguy cơ hư hỏng nặng

• Nhiên liệu dùng cho động cơ này yêu cầu phải có tính

chống kích nổ cao, đảm bảo hạn chế đến mức cao

nhất hiện tượng trên

• Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên

liệu khỏi tự cháy trước khi màng lửa lan tới

Tính chống kích nổ của nhiên liệu được đánh

giá bằng phương pháp:

• Tỉ số nén có lợi nhất ecl: là tỉ số nén lớn nhất

cho phép về mặt kích nổ Xác định tỉ số nén có

lợi nhất được tiến hành trong một động cơ thí

nghiệm đặc biệt có thể thay đổi tỉ số nén một

cách tuỳ ý Khi thực hiện tăng tỉ số nén dần dần

cho đến khi xãy ra kích nổ

• Trị số Ôctan: Số ôctan của nhiên liệu là số %

chất izô ôctan C8H18 tính theo thể tích có trong

hỗn hợp với heptan C7H16, tương đương về

mặt kích nổ với nhiên liệu thí nghiệm

Việc so sánh đó được tiến hành ở tỉ số nén

có lợi nhất trong một động cơ đặc biệt đối với

nhiên liệu thí nghiệm.

• Chất Izô ôctan là carbua hydro no, cấu trúc

mạch nhánh, hở, bền vững dùng trong hỗn

hợp có trị số ôctan là 100 còn chất Heptan

C7H16 số ôctan được coi là 0

Để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu

người ta cho thêm Tétơratétin chì Pb(C2H5),

dung dịch êtin

• Số ôctan của xăng may bay: 70 đến 100 hoặc

hơn.

• Số ôctan của xăng ôtô: 56 đến 95 hoặc hơn.

• Đối với nhiên liệu nặng số ôctan của nó nhỏ,

số xêtan lớn.

 Khi động cơ Diesel chạy bằng nhiên liệu có

số ôctan cao thì động cơ làm việc không êm,

 Nếu động cơ xăng chạy bằng nhiên liệu có

3.6 Phản ứng cháy và sản vật cháy của

nhiên liệu

3.6.1 Nhiên liệu cháy hoàn toàn

3.6.1.1 Phản ứng và lượng không khí cần thiết

để đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị nhiên liệu:

a Đối với nhiên liệu lỏng:

• Phản ứng cháy của carbon và hydro

C + O2 = CO22H2 + O2 = 2H2O

Nếu tính cho một đơn vị khối lượng riêng của

Nghĩa là 1kg C đốt cháy hoàn toàn 8/3kg oxy, như vậy

trong 1kg nhiên liệu chứa C kg carbon thì:

C kg C + C kg O2= kg CO3 (1)

Nếu tính theo kmol ta sẽ được:

1 kmol + 1 kmol O2 = 1 kmol CO2

hay 12 kg C + 1 kmol O2 = 1 kmol CO2

3

8

3 11

3

8

3 11