4. đối tượng và phạm vi nghiên cứụ
2.1.1.Tắnh chất nhiên liệu diesel (Do)
Dầu Diesel ựược ựặt tên theo nhà sáng chế Rudolf Diesel, và có thể ựược dùng trong loại ựộng cơ ựốt trong mang cùng tên, ựộng cơ Diesel. Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel ựược phân tắch trên bảng 2.1
Bảng: 2.1. Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel (TCVN 5689:2005)
TT Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử
1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max. 500 2500
TCVN 6701:2002 (ASTM D 2622)/ ASTM D 5453
2 Chỉ số Cetane, min. 46 ASTM D4737
3 Nhiệt ựộ cất, OC, 90% thể tắch, max. 360 TCVN 2698:2002/
(ASTM D 86)
4 điểm chớp cháy cốc kắn, OC, min. 55
TCVN 6608:2002 (ASTM D 3828)/ ASTM D 93 5 độ nhớt ựộng học ở 400C, mm2/s. 2-4,5 TCVN 3171:2003 (ASTM D445) 6
Cặn các bon của 10% cặn chưng cất, %
khối lượng, max. 0,3
TCVN 6324:1997 (ASTM D 189)/ ASTM D 4530
7 điểm ựông ựặc, OC, max. +6 TCVN 3753:1995/
ASTM D 97
8 Hàm lượng tro, % khối lượng, max. 0,01 TCVN 2690:1995/
ASTM D 482
9 Hàm lượng nước, mg/kg, max. 200 ASTM E203
10 Tạp chất dạng hạt, mg/l, max. 10 ASTM D2276
11 Ăn mòn mảnh ựồng ở 50oC, 3 giờ, max. Loại 1 TCVN 2694:2000/
(ASTM D130-88)
12 Khối lượng riêng ở 15oC, kg/m3 820-860
TCVN 6594:2000 (ASTM D 1298)/ ASTM 4052
13 độ bôi trơn, ộm, max. 460 ASTM D6079
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 25
Hàm lượng lưu huỳnh.
Lưu huỳnh là một trong những thành phần quan trọng ựáng lưu ý trong dầu mỏ nói chung và xăng nói riêng. Nếu hàm lượng S vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ra quá trình ăn mòn cho thiết bị và ựặc biệt với sự có mặt của H2S khi không cháy hết thải ra không khắ sẽ gây ô nhiễm môi trường. Như chúng ta ựã biết lưu huỳnh trong dầu thô cũng như trong các sản phẩm của nó tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như: Lưu huỳnh dạng nguyên tố, H2S, mercapthane, sulfur, disulfur, dị vòng,vvẦ tuỳ theo dạng tồn tại của nó mà nó có thể gây ăn mòn trực tiếp hay gián tiếp. Nếu như trong nhiên liệu xăng lưu huỳnh tồn tại chủ yếu dưới dạng mercapthane gây ăn mòn trực tiếp thì trong nhiên liệu Diesel dạng tồn tại này hầu như không còn nữa, mà chủ yếu dưới dạng sulfur, disulfur hay dị vòng không có khả năng ăn mòn trực tiếp mà chúng chỉ gây ăn mòn khi bị cháy trong ựộng cơ ựể tạo ra SO2, sau ựó nó có thể chuyển một phần thành SO3. Phần lớn lượng khắ này thoát ra ngoài cùng khắ cháy, nhưng có thể một phần nhỏ lọt qua các xecmăng ựể vào trong carter chứa dầu và khi nhiệt ựộ trong carter này xuống thấp thì chúng kết hợp với hơi nước ựể tạo ra các axit tương ứng gây ăn mòn các bề mặt chi tiết khi dầu ựược bơm trở lại các bề mặt bôi trơn. Chỉ tiêu này cho phép ta theo dõi ựược hàm lượng lưu huỳnh của các sản phẩm dầu mỏ khác nhau và các phụ gia có lưu huỳnh, từ ựó có thể dự ựoán các tắnh chất sử dụng, bảo quản. Hàm lượng lưu huỳnh tổng (Total Sulfur Content) có thể ựược xác ựịnh bằng nhiều phương pháp, trong ựó ASTM D4294 ựược xem là một phương pháp khá thông dụng, dựa trên nguyên lý hấp thụ của phổ huỳnh quang tia X ( Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Spectrometry).
Trị số Cetanẹ
Là một ựơn vị ựo quy ước ựặc trưng cho tắnh tự bốc cháy của nhiên liệu Diesel và ựược ựo bằng % thể tắch hàm lượng n-cetane (C16H34) trong hỗn hợp
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 26
của nó với methyl naphthalene ở ựiều kiện tiêu chuẩn. ( Theo quy ước, methyl naphthalene có trị số cetane = 0 và n-cetane có trị số cetane = 100). Trị số cetane ựược xác ựịnh theo phương pháp thử ASTM D.976 hoặc D.4737 Trị số cetane, ngoài ý nghĩa là thước ựo chất lượng cháy của nhiên liệu còn ảnh hưởng ựến sự cháy kắch nổ. Yêu cầu của trị số cetane phụ thuộc vào thiết kế, kắch thước, ựặc ựiểm của sự thay ựổi tốc ựộ và tải trọng của ựộng cơ, phụ thuộc vào thời ựiểm khởi ựộng, ựiều kiện khắ quyển. Sự gia tăng trị số Cetan khi vượt quá giá trị thực tế yêu cầu sẽ không cải thiện ựược tắnh năng của ựộng cơ về mặt vật chất. Người ta dùng một ựộng cơ CFR ựã ựược tiêu chuẩn hoá ựể tiến hành phép thử dưới những ựiều kiện chuẩn về nhiệt ựộ không khắ, tốc ựộ, tốc ựộ nhiên liệu và nhiệt ựộ làm lạnh. Tỉ lệ nén có thể thay ựổi ựược và ựược ựo so với một thời gian trễ chuẩn. Bởi vậy ý nghĩa chung của chất lượng cháy là nhiên liệu có thời gian trễ cháy thắch hợp trong ựộng cơ. Một chỉ số cetane cao, vượt quá 48 là cần thiết cho ựộng cơ tốc ựộ cao nhưng một ựộng cơ tốc ựộ thấp không ựòi hỏi như vậy bởi vì nó ựòi hỏi nhiều thời gian cho sự cháỵ Ở nhiệt ựộ không khắ cao hơn hay sự trộn không khắ vào nhiên liệu kĩ càng hơn sẽ cần nhiên liệu với chỉ số cetane thấp hơn ở cùng một tốc ựộ. Thật vậy, mối quan hệ giữa tốc ựộ ựộng cơ và chỉ số Cetane là gần ựúng ựược chỉ ra trên bảng 2.2.
Bảng 2.2 Mối quan hệ giữa tốc ựộ ựộng cơ và chỉ số Cetanẹ
Tốc ựộ ựộng cơ (v/ph) Chỉ số cetane thắch hợp > 1500 60 ọ 50 1500 ọ 800 55 ọ 45 800 ọ 400 50 ọ 35 400 ọ 100 40 ọ 30 < 100 30 ọ 15
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 27
Hình 2.1 Thiết bị ựo Flash Point PMCC theo ASTM D93
Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu có chỉ số Cetane quá thấp là tập trung quá nhiều nhiên liệu trong xilanh trước khi sự cháy xảy ra, như thế một áp lực cao sẽ ựược hình thành và trở nên nghe thấy Ộtiếng gõ DieselỢ. để làm tăng chỉ số Cetane của dầu người ta thường dùng phụ gia ethyl nitrate, C2H5ONO2, iso- amyl nitrate hay acetoperoxidẹ Khi thêm các lượng nhỏ từ 1 ọ 1,5% các chất trên sẽ làm tăng chỉ số Cetan lên 23 ọ 29%. Một ựiều bất tiện là khi thêm các chất làm tăng chỉ số cetane sẽ làm cho ựộng cơ khó khởi ựộng ở ựiều kiện lạnh, vì thế việc sử dụng các phụ gia loại này không ựược phổ biến.
điểm chớp cháy cốc kắn.
Nhiệt ựộ bắt cháy cốc kắn hay còn gọi là Flash point PMCC (Pensky-Martens Closed Cup) là nhiệt ựộ thấp nhất ở ựiều
kiện áp suất không khắ, mẫu nhiên liệu thử nghiệm hầu như bắt cháy khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền một cách nhanh chóng trên bề mặt của mẫụ Nhiệt ựộ bắt cháy ựược xác ựịnh theo tiêu chuẩn ASTM D.93, sử dụng thiết bị chớp cháy cốc kắn Pensky-Martens hình 2.1
Nếu thiết bị ựo ựộ chớp cháy dùng cốc hở thì sẽ ựược gọi là điểm chớp cháy cốc hở Flash Point COC (Cleveland Open Cup). Nhiệt ựộ chớp cháy cốc kắn sẽ thấp hơn nhiệt ựộ chớp cháy cốc hở và
sự chênh lệch giữa hai nhiệt ựộ này càng lớn nếu nhiệt ựộ chớp cháy nói chung của phân ựoạn càng caọ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 28
Nhiệt ựộ bắt cháy xác ựịnh xu hướng hình thành hỗn hợp có thể cháy với không khắ dưới ựiều kiện thắ nghiệm, nó là một trong các chỉ tiêu ựể ựánh giá mức ựộ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như Ộthời gian cảm ứngỢ trong ựộng cơ. Nhiệt ựộ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng ựối với quá trình vận chuyển và tồn chứa nhiên liệụ Nhiệt ựộ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ. Nó cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu ựã bị lẫn với các loại khác có ựộ bay hơi cao hơn. Nhiệt ựộ chớp cháy hầu như không có ý nghĩa ựối với chất lượng của nhiên liệu khi ựánh giá trên góc ựộ tắnh năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó. đối với các sản phẩm dầu mỏ thì nhiệt ựộ chớp cháy khác nhaụ Xăng có nhiệt ựộ chớp cháy khoảng -40oC, nhiên liệu cho ựộng cơ phản lực có nhiệt ựộ chớp cháy trong khoảng 28-60oC (trung bình là 40oC), Diesel có nhiệt ựộ chớp cháy trong khoảng 35 - 80oC (trung bình là 60oC) phân ựoạn dầu nhờn có nhiệt ựộ chớp cháy 120- 325oC.
độ nhớt.
độ nhớt là một ựại lượng vật lý ựặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển ựộng trượt lên nhaụ Vì vậy, ựộ nhớt có liên quan ựến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng trong các hệ ựường ống, khả năng thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong buồng cháy, ựồng thời nó liên quan ựến khả năng bôi trơn của các phân ựoạn khi sử dụng làm dầu nhờn. độ nhớt có thể ựược biểu diễn theo nhiều cách khác nhau: độ nhớt tuyệt ựối (hay ựộ nhớt ựộng lực), ựộ nhớt ựộng học (Kinematics Viscosity).
Ngoài hai loại trên thì người ta còn sử dụng ựộ nhớt quy ước. đối với loại ựộ nhớt này thì tuỳ thuộc vào thiết bị sử dụng ựể ựo mà ta có các tên gọi và các kết quả khác nhau như ựộ nhơt Engler (oE), ựộ nhớt Saybolt (SSU), ựộ nhớt Redwood.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 29
độ nhớt ựộng học.
Là tỉ số giữa ựộ nhớt ựộng lực và trọng lượng riêng của nó. Trong hệ thống GCS thì ựơn vị của ựộ nhớt ựộng học ựược tắnh bằng Stoke (St), thông thường thì người ta sử dụng ước của nó là centistokes(cSt). Dưới ảnh hưởng của nhiệt ựộ, ựộ nhớt của các phân ựoạn dầu mỏ cũng thay ựổi rất nhiềụ
Một tắnh chất quan trọng ựáng chú ý của ựộ nhớt của một hỗn hợp nhiều thành phần, là tắnh chất không cộng tắnh. đây là một tắnh chất cần quan tâm khi tiến hành pha trộn nhiều phân ựoạn có ựộ nhớt khác nhau, vì khi pha trộn ựộ nhớt của hỗn hợp thực tế bao giờ cũng thấp hơn ựộ nhớt nếu tắnh toán bằng cách theo trung bình thể tắch của các thành phần hỗn hợp.
độ nhớt ựược ựo bằng cách ghi lại thời gian cần thiết ựể một lượng chất lỏng nhất ựịnh chảy qua một ống mao quản có kắch thước nhất ựịnh ở một nhiệt ựộ nhất ựịnh. độ nhớt ựộng học có thể ựược xác ựịnh theo phương pháp thử ASTM D.445
độ nhớt của nhiên liệu rất quan trọng vì nó ảnh hưởng ựến khả năng bơm và phun nhiên liệu vào buồng ựốt. độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng lớn ựến kắch thước và hình dạng của kim phun. Nhiên liệu có ựộ nhớt quá cao rất khó nguyên tử hóa, các tia nhiên liệu không mịn và khó phân tán ựều trong buồng ựốt. Kết quả là làm giảm hiệu suất và công suất ựộng cơ. đối với các ựộng cơ nhỏ, các tia nhiên liệu có thể chạm vào thành xy lanh, cuốn ựi lớp dầu bôi trơn và làm tăng ựộ lẫn nhiên liệu trong dầu nhờn. Hiện tượng các chi tiết bị ăn mòn nhanh chắnh là do nguyên nhân nàỵ
Nhiên liệu có ựộ nhớt quá thấp khi ựược phun vào xylanh sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới ựược các vùng xa kim phun và do ựó hỗn hợp nhiên liệu Ờ không khắ tạo thành trong xylanh không ựồng nhất, nhiên liệu cháy không ựều, công suất giảm. Nhiên liệu có ựộ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tượng rò rỉ tại
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 30
bơm, làm sai lệch kết quả ựong ựếm dẫn ựến thay ựổi tỷ lệ pha trộn không khắ- nhiên liệụ Mức ựộ mài mòn của các chi tiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu tăng khi ựộ nhớt của nhiên liệu giảm. độ nhớt của Diesel dùng cho các ựộng cơ cao tốc nằm trong khoảng 1.8-5.0 cSt ở 37.8oC. Thường thì người ta hay hạn chế chặn dưới của ựộ nhớt ựể tránh hiện tượng như ựã nêu ở trên. Các loại diesel có ựộ nhớt cao hơn 5.8 cSt thường ựược sử dụng cho các ựộng cơ tốc ựộ thấp hơn. Diesel có ựộ nhớt ựặc biệt cao ựược sử dụng cho máy tàu thủy và thường phải có thêm hệ thống gia nhiệt. đối với một số ựộng cơ, ựộ nhớt quy ựịnh theo giá trị min sẽ có một lợi thế vì hiện tượng mất công suất do bị rò nhiên liệu của bơm và vòi phun. Mặt khác, ựộ nhớt cũng ựược giới hạn bởi giá trị max nhằm phù hợp với giới hạn của các thông số ựã ựược xem xét trong thiết kế, kắch thước của ựộng cơ và các ựặc ựiểm của hệ thống bơm phun.
Cặn carbon Ờ Carbon Conradson Residuẹ
Cặn carbon là lượng cặn còn lại sau khi cho bay hơi và nhiệt phân nhiên liệụ Cặn carbon gây nên sự chênh lệch nhiệt ựộ giữa những ựiểm có cặn và những ựiểm không có cặn làm tăng ứng xuất nội của vật liệu làm buồng ựốt, dẫn tới biến dạng và có khi phá hủy buồng ựốt. Nếu các mẫu cặn carbon bám trên thành buồng ựốt bong ra và theo hỗn hợp khắ ựi tới buồng giãn nở thì chúng có thể vao và làm kênh xupap gây hở buồng ựốt. Cặn carbon cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng khắ xả có màu ựen và làm giảm hệ số tỏa nhiệt. để ựánh giá khả năng tạo cặn, người ta thường sử dụng tiêu chuẩn ựặc trưng là ựộ cốc hoá, tùy theo phương pháp tiến hành xác ựịnh cặn mà cặn thu ựược gọi là cặn Carbon Conradson hoặc cặn Carbon Rabostton. Cặn carbon ựược xác ựịnh theo phương pháp ASTM D189 và ựược sử dụng rộng rãi ựối với các loại nhiên liệụ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 31
điểm ựục Ờ Cloud point.
Cloud point là một chỉ tiêu quan trọng, nó xác ựịnh nhiệt ựộ tại ựó các tinh thể sáp xuất hiện trong nhiên liệu ở ựiều kiện thử nghiệm xác ựịnh, tại nhiệt ựộ ựó tinh thể sáp bắt ựầu kết tủa khỏi dầu diesel khi sử dụng. Cloud point có thể ựược gọi là ựiểm mây mù hay ựiểm vẫn ựục. Cloud point có thể ựược xác ựịnh theo phương pháp thử ASTM D.2500. Các thiết bị máy móc, xe ựều có thể phải làm việc ở ựiều kiện nhiệt ựộ thấp. Nếu Cloud point không thắch hợp thì thành phần sáp trong nhiên liệu dễ bị kết tủa cản trở quá trình phun nhiên liệu vào ựộng cơ ựể ựốt. Tiêu chuẩn của Cloud point ựược quy ựịnh tùy theo Quốc gia hoặc khu vực nhưng thông thường nó nằm trong khoảng 0 ựến -15oC nó cũng có thể lên ựến 14oC ở các nước nóng nhưng cũng có thể xuống - 40oC ở các nước quá lạnh.
Hàm lượng tro Ờ Ash.
Một lượng nhỏ mẫu ựược ựốt cho ựến khi phần nhiên liệu cháy hết, cân khối lượng mẫu còn lại ta thu ựược hàm lượng trọ Hàm lượng tro của mẫu ựược tắnh bằng % khối lượng. Hàm lượng tro ựược xác ựịnh theo phương pháp thử ASTM D.482. Các chất không cháy trong nhiên liệu ựược chia ra làm 2 loại: các cặn rắn và các hợp chất kim loại tan trong nước hoặc dầụ Các chất tạo tro có thể có mặt trong nhiên liệu Diesel trong 2 dạng. Các chất rắn bị mài mòn: Loại này góp phần mài mòn vòi phun, bơm nhiên liệu, piston và vòng xec măng. Các xà phòng kim loại: ắt ảnh hưởng ựến ựộ mài mòn nhưng chúng có thể góp phần vào việc tạo cặn trong ựộng cơ. Các cặn rắn này rất giống với cặn xác ựịnh theo phương pháp nước và cặn trong nhiên liệụ Vì hệ thống phun nhiên liệu Diesel ựược chế tạo với ựộ chắnh xác cao nên chúng rất nhạy cảm với các tạp chất trong nhiên liệụ Các cặn rắn trong nhiên liệu có thể gây ăn mòn hoặc làm tắc hệ thống nhiên liệu với mức ựộ tùy thuộc vào kắch thước của hệ thống nàỵ Các hợp chất kim
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật... ... 32
loại tan trong nước hoặc dầu ắt ảnh hưởng ựến hệ thống nhiên liệu nhưng chúng có thể chứa các nguyên tố kim loại có ảnh hưởng xấu ựến buồng ựốt.