2.4.1 Thành phần hoỏ học và phõn đoạn dầu mỏ
Dầu mỏ muốn sử dụng được thỡ phải tiến hành phõn chia thành từng phõn đoạn nhỏ. Quỏ trỡnh phõn chia dựa vào phương phỏp chưng cất để thu được cỏc khoảng nhiệt độ sụi khỏc nhau. Dựa vào giới hạn nhiệt độ sụi mà người ta thu được cỏc phõn đoạn [2]:
Phõn đoạn xăng: nhiệt độ sụi nhỏ hơn 1800C bao gồm cỏc thành phần từ C5- C10, C11;
Phõn đoạn Kerosen: nhiệt độ sụi từ 1800C đến 2500C chứa cỏc Hydrocacbon từ C11- C15, C16;
Phõn đoạn gasoil nhẹ: nhiệt độ sụi từ 2500C đến 3500C chứa cỏc thành phần C16- C20, C21;
Phõn đoạn gasoil nặng (cũn gọi là phõn đoạn dầu nhờn): nhiệt độ sụi từ 3500C đến 5000C bao gồm C21- C25 thậm chớ đến cao hơn;
Phõn đoạn cặn Gudron với nhiệt độ sụi trờn 5000C, gồm cỏc thành phần cú số nguyờn tử cỏc bon từ C41 trở lờn, giới hạn cuối cựng cú thể lờn đến C80.
2.4.2 Thành phần của dầu bụi trơn
Thành phần của dầu bụi trơn thụng thường gồm hai phần chớnh:
- Dầu gốc: Chiếm hàm lượng chủ yếu;
- Chất phụ gia: Dao động trong khoảng vài phần triệu đến 10%, cú khi lờn tới 20% trong trường hợp đặc biệt.
Do kỹ thuật phỏt triển nờn điều kiện làm việc của dầu bụi trơn ngày càng đa dạng vỡ vậy những chức năng mà chỳng phải đảm nhiệm cũng tăng lờn.
Những chức năng chớnh của dầu bụi trơn gồm [8]:
- Giảm lực ma sỏt;
- Giảm hao mũn;
- Làm mỏt chi tiết mỏy;
- Bảo vệ chi tiết khỏi bị han gỉ;
- Bảo đảm tớnh kớn khớt của bộ phận ma sỏt;
- Liờn tục làm sạch chi tiết.
Ngoài ra dầu cũn phải thoả món một số yờu cầu khỏc:
- Bảo toàn khả năng làm việc trong một khoảng nhiệt độ, ỏp suất và tốc độ trượt rộng;
- Dễ điền đầy cỏc hừm và mấp mụ tế vi trờn bề mặt;
- Tạo sức cản trượt lớn theo phương vuụng gúc với bề mặt ma sỏt và nhỏ nhất theo phương tiếp tuyến;
- Khụng gõy ảnh hưởng cú hại đến vật liệu chi tiết (kể cả đối với vật liệu phi kim loại);
- Đảm bảo bụi trơn với lượng dầu ít nhất;
- Khụng thay đổi tớnh chất khi vận chuyển, bảo quản, cung cấp;
- Khụng tạo cỏc cấu cặn nguy hiểm và cú hại;
- Ổn định dưới tỏc dụng của bức xạ và cỏc mụi trường xõm thực hoỏ học;
- Khụng tạo bọt;
- Khụng tạo nhũ.
Tất nhiờn khụng một loại dầu nào trong thiờn nhiờn cú thể thoả món được tất cả cỏc yờu cầu kể trờn. Do vậy trong từng trường hợp, tuỳ theo điều kiện cụ thể cần chọn loại dầu bụi trơn thớch hợp với cỏc thụng số nhất định.
2.4.3 Biến chất dầu bụi trơn động cơ Điezen
Chiếm khoảng 40% tổng cỏc loại dầu bụi trơn trờn thế giới, dầu bụi trơn động cơ được xếp là nhúm dầu quan trọng nhất. Để phục vụ tối ưu sự đa dạng về kớch cỡ động cơ cũng nh- dạng sử dụng, dầu bụi trơn động cơ cần cú cỏc yờu cầu bụi trơn khỏc nhau. Trong thực tế dầu bụi trơn động cơ là nhúm dầu đa dạng nhất về chủng loại và cũng cú yờu cầu ngặt nghốo nhất về chất lượng. Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng, dầu bụi trơn động cơ cú thể chứa 5- 20% phụ gia. Một số yếu tố ảnh hưởng tới việc bụi trơn là chung cho mọi động cơ. Cỏc yếu tố đú làm cỏc chức năng sau:
Bụi trơn;
Làm mỏt;
Làm kớn;
Làm sạch bờn trong.
Mức độ đạt được cỏc chức năng này tới đõu tuỳ thuộc vào loại dầu được lựa chọn phự hợp với đặc tớnh thiết kế ban đầu của động cơ, nhiờn liệu sử dụng, điều kiện vận hành. Chất lượng bảo dưỡng động cơ cũng rất quan trọng, nú liờn quan tới cả tuổi thọ động cơ lẫn chu kỳ thay dầu.
Sử dụng phổ biến trong cụng nghiệp, xe tải, đầu mỏy tàu hoả, tàu thuỷ, mỏy nụng nghiệp... động cơ điezen là thiết bị đũi hỏi phải cú chế độ bụi trơn gần
nh- lý tưởng. Tuỳ thuộc vào lĩnh vực sử dụng, động cơ điezen được chia thành 3 cấp:
Động cơ tốc độ cao (trờn 2000 vũng/phỳt): động cơ ụ tụ...
Động cơ tốc độ trung bỡnh (400- 1500 vũng/phỳt);
Động cơ tốc độ thấp (khoảng trờn dưới 100 vũng/phỳt): động cơ tàu thuỷ cỡ lớn...
Cỏc loại động cơ điezen hoạt động với tốc độ gần nh- khụng thay đổi và cú tải trọng cao hơn so với động cơ xăng. Do cỏc điều kiện chỏy nổ gần lý tưởng, hiện tượng ngưng tụ nước lẫn nhiờn liệu khụng phải là vấn đề nghiờm trọng. Điều quan tõm nhất đối với động cơ điezen là hàm lượng lưu huỳnh trong nhiờn liệu. Khi bốc chỏy chỳng tạo thành đioxyt, một phần đioxyt trong đú tiếp tục oxy hoỏ tạo thành lưu huỳnh trioxyt. Lưu huỳnh trioxyt này khi tiếp xỳc với nước sẽ tạo thành cỏc axit mạnh. Cỏc axit này khụng chỉ gõy ăn mũn mà cũn cú tỏc dụng xỳc tỏc gõy ảnh hưởng mạnh đến sự biến chất của dầu.
Với đặc thự của quỏ trỡnh chỏy nổ nhiệt độ Pittụng của động cơ điezen rất cao tạo nờn lớp cặn vộc ni rất dày trờn Pittụng và cỏc rónh xecmăng (thụng thường người ta gọi là cặn lắc). Trong động cơ xăng, cặn bựn và cặn vộc ni chủ yếu do nhiờn liệu bị chuyển hoỏ thỡ trong động cơ điezen, lớp cặn lắc hỡnh thành chủ yếu do biến chất dầu động cơ. Trong điều kiện khắc nghiệt, lớp cặn lắc đúng trong cỏc rónh xộc măng dày tới mức xộc măng khụng thể thực hiện tốt chức năng của mỡnh, dẫn tới hiện tượng lọt khớ, độ mài mũn tăng lờn, cuối cựng làm tổn hao cụng suất động cơ.
Hỡnh 2. 8: Sơ đồ đơn giản của quỏ trỡnh biến chất dầu động cơ
Khí thải
Sản phẩm cháy
Động cơ Điezen
- Axit hữu cơ. - Những sản phẩm chứa oxy khác Bồ hóng và cốc Axit
Tạo cặn lắng Tăng độ nhớt Giảm tính kiềm ăn mòn
Nhiên liệu
Không khí
Công suất hữu ích
Nhiờn liệu chỏy khụng hết sẽ sinh ra nhiều khúi xả, bồ húng lẫn vào dầu động cơ làm dầu bị đen. Thụng thường, cỏc loại dầu hiện đại cú khả năng phõn tỏn cao sẽ làm phõn tỏn lớp muội và kộo hết chỳng đi khụng để lại hậu quả. Tuy nhiờn trong nhiều trường hơp muội này cú hại, nhất là theo quan điểm mài mũn động cơ. Lớp cặn bồ húng này đặc biệt đỏng lưu tõm đối với xe chở khỏch. Do vậy khi động cơ điezen lắp trờn xe khỏch người ta thường khuyến cỏo cần phải thay dầu bụi trơn thường xuyờn hơn so với cỏc trang bị động lực khỏc.
Cặn lắc trong động cơ điezen hỡnh thành từ cỏc sản phẩm biến chất của dầu bụi trơn động cơ do bị oxy hoỏ, chỳng đúng vai trũ như chất kết dớnh cao phõn tử đối với bồ húng tạo ra từ quỏ trỡnh chỏy nhiờn liệu. Việc tạo thành chất gắn kết này càng nhiều khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiờn liệu càng cao. Cỏc chất phõn tỏn, tẩy rửa cú thể ngăn ngừa việc tạo cặn lắc.
Với những động cơ điezen khi dựng nhiờn liệu cú hàm lượng lưu huỳnh cao đến 1% thời gian thay dầu cú thể giảm đi một nửa để đảm bảo an toàn cho cỏc chi tiết động cơ hoặc giỏ trị kiềm tổng trong dầu phải tăng lờn (sẽ được núi rừ hơn ở những phần tiếp theo).
Cỏc động cơ điezen cỡ lớn được dựng rất phổ biến trong cụng nghiệp và mỏy tàu thuỷ sử dụng nhiờn liệu cặn với hàm lượng lưu huỳnh 2- 4%. Cỏc axit mạnh tạo ra khi nhiờn liệu loại này chỏy sẽ ăn mũn mónh liệt xecmăng và thành xi lanh, kết quả là kim loại bị bong ra nhanh và độ mài mũn rất lớn.
2.5 CÁC TÍNH CHẤT Lí- HOÁ DẦU BễI TRƠN ĐỘNG CƠ DÙNG CHẨN
ĐOÁN
Ngoài cỏc tớnh chất điển hỡnh cho mọi loại chất bụi trơn dạng lỏng, chẳng hạn như độ nhớt, độ bền oxy hoỏ, trị số kiềm tổng( TBN), lượng tro sulfat, hàm lượng nước, hàm lượng kim loại… cũn cú một số điểm đặc trưng của dầu động cơ, nhất là dầu bốn mựa (bảng 2.1).
Bảng 2. 1: Những chỉ tiờu đỏnh giỏ dầu bụi trơn động cơ
Tớnh chất Ký hiệu theo tiờu chuẩn ASTM Mục tiờu thử nghiệm Trị số axit và kiềm: - Trị số axit tổng (TAN). - Trị số kiềm tổng (TBN). D664 D2896
- Xỏc định độ axit của dầu mới và dầu đó dựng bằng cỏch chuẩn độ bằng KOH.
- Xỏc định TBN chủ yếu với dầu mới thụng qua chuẩn độ bằng HClO4. Phương phỏp này cho cả bazơ mạnh và bazơ yếu do đú cú thể cho cỏc giỏ trị cao hơn TBN theo D664, tuỳ thuộc vào tớnh chất hoỏ học của phụ gia.
Hàm lượng tro D482 - Xỏc định cặn khụng chỏy được trong dầu đó dựng.
Nhiệt độ chớp chỏy
D92 - Xỏc định độ an toàn của dầu trong sử dụng và phỏt hiện một lượng nhỏ cỏc chất dễ bay hơi lẫn trong dầu.
Sự lẫn nhiờn liệu - Xăng. - Điezen D322 D3525 D3524
- Đỏnh giỏ lượng xăng lẫn trong dầu đó dựng bằng cỏch chưng cất.
- Đỏnh giỏ lượng xăng lẫn trong dầu đó dựng bằng sắc ký khớ.
- Đỏnh giỏ lượng nhiờn liệu điezen lẫn trong dầu đó dựng bằng sắc ký khớ.
Hàm lượng
Glycol
D2982 - Đỏnh gớa nước làm mỏt cú lọt vào trong dầu động cơ hay khụng và nhờ đú đỏnh giỏ tỡnh trạng mỏy. Cỏc chất khụng hoà tan: - Trong Pentan - Trong Toluen
D893A - Xỏc định lượng tạp chất khụng hoà tan cú trong dầu đó dựng.
Nhiệt độ đụng đặc D97 - Xỏc định tớnh dễ khởi động của động cơ. Hàm lượng kim loại
D4628 - Xỏc định lượng Ba, Si, Zn, Al, Ca, Mg, Fe, Cu, Pb trong dầu mới và dầu đó dựng.
Sự oxy hoỏ D4742 - Đỏnh giỏ độ ổn định oxy hoỏ của dầu
động cơ xăng bằng cỏch đo thời gian cảm ứng oxy hoỏ.
Lượng tro
sunphat
D874 - Xỏc định lượng cặn khụng chỏy được sinh ra từ cỏc kim loại của phụ gia trong dầu chưa dựng.
Độ nhớt:
- Biểu kiến
- Động học
D445 - Xỏc định ở nhiệt độ thấp, dựng nhớt kế quay mụ phỏng tương tự điều kiện khởi động mỏy nguội.
- Xỏc định độ nhớt ở 400Cvà ở 1000
C, liờn quan đến điều kiện làm việc bỡnh thường của động cơ.
Chỉ số độ nhớt D2270 - Đỏnh giỏ đặc tớnh nhiệt nhớt của dầu. Độ bay hơi D1160 - Đỏnh gớa khả năng tiờu hao dầu do
bay hơi.
Hàm lượng nước D95 - Đỏnh giỏ lượng nước cú trong dầu mới và dầu đó sử dụng.
Độ nhớt dầu bụi trơn động cơ là một tớnh chất quan trọng và cơ bản, nú là một yếu tố tạo thành màng dầu bụi trơn ở điều kiện bụi trơn thuỷ động cũng nh-
bụi trơn thuỷ động đàn hồi. Ngoài ra, độ nhớt xỏc định điều kiện của động cơ cú thể khởi động dễ dàng khi trời lạnh, chịu được sự sinh nhiệt trong ổ bi, bỏnh răng, xi lanh, độ nhớt đỏnh giỏ khả năng làm kớn của dầu, mức độ tiờu hao và thất thoỏt. Độ nhớt là một trong những chỉ tiờu quan trọng trong việc theo dừi và đỏnh giỏ chất lượng của dầu cũng như chất lượng của thiết bị trong qua trỡnh sử dụng. Thực tế khi sử dụng cỏc phương tiện tải trọng nặng, tốc độ thấp thỡ thường dựng cỏc loại dầu bụi trơn cú độ nhớt cao ngược lại những phương tiện vận tải nhẹ, tốc độ cao dựng dầu cú độ nhớt thấp.
Độ nhớt của dầu động cơ đặc biệt quan trọng ở nhiều khớa cạnh. Nú cú ảnh hưởng đến độ kớn khớt, tổn hao cụng ma sỏt, khả năng chống mài mũn, khả năng tạo cặn. Do vậy, trong cỏc động cơ chuyển động khứ hồi, độ nhớt của dầu cú tỏc động chớnh đến lượng tiờu hao nhiờn liệu, khả năng tiết kiệm dầu và hoạt động chung của cả động cơ.
Đối với một số loại động cơ, đặc biệt là động cơ ụ tụ độ nhớt cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sự dễ dàng khởi động và tốc độ trục khuỷu. Độ nhớt quỏ cao sẽ gõy ra sức cản nhớt lớn khi nhiệt độ xung quanh thấp, làm giảm tốc độ trục khuỷu và do đú làm tăng lượng tiờu hao nhiờn liệu lỳc khởi động cũng nh- khi động cơ hoạt động bỡnh thường. Độ nhớt quỏ thấp sẽ làm chúng mài mũn cỏc chi tiết và tăng lượng tiờu hao dầu. Nh- vậy đối với mỗi chi tiết mỏy đặc biệt là động cơ ụ tụ điều cơ bản đầu tiờn là phải dựng dầu cú độ nhớt thớch hợp đối với từng điều kiện vận hành cụ thể.
Nếu độ nhớt dầu tăng, đú là biểu hiện dầu bị ụxi hoỏ, nếu độ nhớt của dầu giảm cú thể do nhiờn liệu hay tạp chất khỏc lẫn vào dầu ngoài ra cú thể do sự phõn huỷ cơ học của cỏc chất polyme tăng chỉ số độ nhớt trong dầu bốn mựa. Tuy nhiờn, quỏ trỡnh ụxy hoỏ cú khả năng làm cả giảm lẫn tăng độ nhớt nhưng chủ yếu là tăng, do đú làm tăng khả năng làm đặc của chỳng nhất là ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao cũng cú thể gõy ra sự tổn thất do bay hơi cỏc cấu tử nhẹ, làm dầu đặc thờm do nồng độ cỏc thành phần nhớt hơn trong dầu tăng lờn.
Trong thực tế cú hai dạng thay đổi độ nhớt, liờn quan đến sự mất độ nhớt của cỏc loại dầu chứa phụ gia polyme. Dạng thứ nhất là sự mất độ nhớt tạm thời, do tớnh chất của dũng chảy khụng Newton. Dạng thứ hai là sự mất độ nhớt vĩnh viễn do cỏc phõn tử polyme trong phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt bị bẻ góy thành cỏc phần tử nhỏ hơn. Cũng cú hai quỏ trỡnh bẻ góy polyme: bẻ góy do oxy hoỏ và bẻ góy do nhiệt. Cỏc quỏ trỡnh này cũng dẫn đến sự thay đổi độ nhớt vĩnh viễn vỡ chỳng khụng cú tớnh thuận nghịch.
Dầu động cơ nào cũng phải chịu những thay đổi về độ nhớt gõy ra do cỏc yếu tố hoạt động của động cơ (bảng 2.2).
Bảng 2. 2: Cỏc nguyờn nhõn chủ yếu làm thay đổi độ nhớt
Nguyờn nhõn của sự thay đổi độ nhớt Ảnh hưởng tới độ nhớt
Ứng suất trượt của cỏc loại dầu khụng Newton Giảm
Phõn huỷ cỏc phụ gia polyme Giảm
Bay hơi Tăng
Lẫn nhiờn liệu Giảm
Quỏ trỡnh oxy hoỏ cỏc thành phần dầu gốc Tăng
Lẫn nước hoặc nước làm mỏt Tăng
Chứa bồ húng Tăng
Thụng thường đối với động cơ tốc độ cao và tốc độ thường độ nhớt được đo ở hai giỏ trị nhiệt độ 400
C và 1000C, giới hạn cho phộp để tiếp tục sử dụng là ở 1000C độ nhớt khụng tăng quỏ 30% và khụng giảm quỏ 25% [44].
Phương phỏp xỏc định: (Để đo độ nhớt dựa vào tiờu chuẩn ASTM D445) Người ta dựng nhớt kế chảy ngược để đo độ nhớt của dầu đó sử dụng (dầu đen).
275+_ 7 75+_ 0.1 25+_2 110 135+_ 5 15 30+_2 21-23 0 o 1-1.5 W 14-15 0 o 1-1.5 W 25 6 0 o MIN Hỡnh 2. 9: Nhớt kế chảy ngược 2.5.2 Nhiệt độ chớp chỏy cốc hở
Điểm chớp chỏy của dầu là nhiệt độ thấp nhất mà tại ỏp suất khớ quyển là 101.3 kPa, mẫu được nung núng đến bốc hơi và bắt lửa trong những điều kiện đặc biệt của phương phỏp thử. Mẫu sẽ chớp chỏy khi cú một ngọn lửa và lan truyền tức thỡ khắp bề mặt của mẫu. Do vậy điểm chớp chỏy của dầu là nhiệt độ mà tại đú lượng hơi thoỏt ra từ bề mặt của dầu sẽ bốc chỏy khi cú ngọn lửa đưa vào.
Nhiệt độ thấp nhất mà ở đú mẫu tiếp tục chỏy được trong 5 giõy được gọi là điểm bắt lửa. Phương phỏp thử này sử dụng để phỏt hiện sự nhiễm bẩn của dầu bụi trơn bởi những lượng nhỏ của hợp chất dễ bay hơi. Trong trường hợp dầu động cơ điezen cú sự giảm đỏng kể của điểm chớp chỏy thấp hơn giỏ trị mà nú cần phải cú thỡ đú là dấu hiệu của sự cú mặt loại dầu cú độ nhớt thấp, cú phõn