Chương 7 : NHIÊN LIỆU DÙNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
7.1. Các yêu cầu đối với nhiên liệu sử dụng trong ĐCĐT
Cĩ năng lượng (nhiệt trị) lớn.
Cĩ các thơng số vật lý phù hợp với động cơ sử dụng. Cĩ độổn định cao, khơng bị biến chất trong thời gian dài. Khơng chứa lẫn nước, tạp chất cơ học.
Cĩ lượng dự trữ lớn, giá thành rẻ.
Vấn đề sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, phân phối đơn giản, dễ dàng và an tồn. Thời gian thực hiện các giai đoạn của quá trình cháy nhiên liệu trong xilanh khơng
được kéo dài. Ngồi những yêu cầu cơ bản đã nêu trên, nhiên liệu sử dụng cịn cần phải
cĩ những yêu cầu sau:
Bảo đảm khởi động động cơ nhanh và tin cậy, khơng phụ thuộc vào nhiệt độ mơi
trường xung quanh.
Cho phép thực hiện quá trình cháy khơng hình thành muội và kết cốc trên bề mặt buồng cháy.
Tạo điều kiện giảm mịn và rỉống lĩt xilanh, xecmăng và piston.
Bảo đảm điều kiện cháy hồn tồn và đúng lúc, hạn chế số lượng các thành phần
độc hại trong sản phẩm cháy.
Nhiên liệu lỏng và nhiên liệu thể khí thỏa mãn đầy đủ nhất những yêu cầu đã nêu
trên. Nhiên liệu rắn chỉ cĩ thể sử dụng trong ĐCĐT sau khi đã cĩ sự tạo hơi đốt sơ bộ
trong thiết bị sinh khí hoặc đã được nghiền thành bột nhỏ. 7.2. Nhiên liệu sử dụng trong ĐCĐT
Nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong chủ yếu cĩ 2 dạng: nhiên liệu thể lỏng và nhiên liệu thể khí.
Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếu là các sản phẩm được tạo ra từ dầu mỏ (xăng, Diesel) vì loại này cĩ ưu điểm là nhiệt trị lớn, ít tro trong sản vật cháy, dễ vận chuyển và bảo quản. Mỗi loại nhiên liệu lỏng kể trên là một hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon cĩ cấu tạo hố học rất khác nhau. Chính cấu tạo khác nhau này gây ảnh hưởng lớn đến quá trình bay hơi, tạo hồ khí và bốc cháy của nhiên liệu trong
động cơ.
Nhiên liệu thểkhí dùng cho động cơ đốt trong gồm cĩ: khí thiên nhiên (sản phẩm của các mỏ khí), khí cơng nghiệp (sản phẩm tạo ra trong q trình tinh luyện dầu mỏ, khí lị cao) và khí lị ga (khí hố nhiên liệu thể rắn trong các lị ga).
7.2.1. Xăng
Xăng sử dụng cho động cơ đốt trong cũng là loại nhiên liệu được sử dụng khá phổ
biến trong đời sống và sản xuất. Nĩ dùng làm nhiên liệu cho nhiều loại xe ơtơ, xe gắn
máy và các động cơ xăng tĩnh tại. Để cĩ thể sử dụng xăng hiệu quả, tiết kiệm và kéo dài tuổi thọ của động cơ, chúng ta cần phân biệt các chủng loại, nhãn hiệu và nắm vững yêu cầu kỹ thuật của các loại xăng.
7.2.1.1. Phân loại xăng
Để phân biệt các loại xăng thương phẩm dùng cho động cơ đốt trong, người ta phân loại chúng theo trị sốoctan. Dưới đây sẽ xem xét cụ thể về sự phân loại, nhãn hiệu và quy cách một số loại xăng ơtơ được sử dụng ởnước ta và chủng loại xăng ởcác nước
75 trong khu vực.
Trên thị trường thế giới, xăng dùng cho động cơ được phân làm 3 loại: xăng thường, xăng cao cấp và xăng đặc biệt.
a) Xăng thường
Xăng thường là xăng cĩ RON (Research Octane Number – chỉ số Octan nghiên cứu) từ 92 trở xuống, được sử dụng cho các động cơ xe ơtơ tải, xe gắn máy cĩ tỷ số nén từ 7 ÷ 8,5. Loại xăng này cũng cĩ thể phân biệt thành 2 nhĩm được sản xuất theo tiêu chuẩn khác nhau của từng khu vực.
Xăng thường cĩ RON 90 ÷ 92 được sản xuất chủ yếu từđầu thập niên 70 trở lại
đây tại các nước cơng nghiệp phát triển như Mỹ, Canada, Tây âu (Pháp, Đức, Anh, Hà Lan, Bỉ,...) và Nhật Bản nhằm thay thế cho loại xăng thường cĩ trị số octan thấp hơn
(RON = 80 ÷ 86).
b) Xăng cao cấp
Xăng cao cấp là loại xăng cĩ trị số RON từ83 ÷ 100 được sử dụng thích hợp cho tất cả các loại xe gắn máy và ơtơ du lịch cĩ tỷ số nén từ 8,8 ÷ 10. Tuỳ thuộc khu vực mà
xăng cao cấp được chia thành 2 nhĩm:
Xăng cao cấp cĩ RON từ 98 ÷ 100 được sản xuất ở các nước cơng nghiệp phát triển (Mỹ, Xăng thường cĩ RON 80 ÷ 86 hiện được sản xuất và sử dụng tại cộng đồng các quốc gia độc lập SNG (Liên Xơ cũ), các nước Đơng Âu (BaLan, Hungary, Rumani, Bungari,...), ở các nước Châu Á như Trung Quốc, Singapore, Thái Lan, Ấn Độ, Đài
Loan, Malaisia, Indonesia, Philippin, ởcác nước Mỹ La Tinh và Úc. Ởnước ta cũng sử
dụng loại xăng thường cĩ RON 80 ÷ 86.
Tây Âu, Nhật Bản,...) chủ yếu từ những năm 70 trở lại đây.
Xăng cao cấp RON bằng 93 ÷ 98 hiện được sản xuất ở các nước SNG, Đơng Âu,
Châu Á, Châu Phi và MỹLa Tinh. Các nước cơng nghiệp phát triển trước đây cũng sản xuất loại xăng này, sau thập niên 70 chuyển sang loại xăng RON 98 ÷ 100.
c) Xăng đặc biệt
Xăng cĩ trị số RON 101 ÷ 103, dùng cho các loại động cơ tỷ số nén trên 10.
Ởnước ta (theo TCVN 5690 – 1998) dựa trên trị sốoctan, xăng được phân thành 3 loại: xăng thường, xăng chất lượng cao và xăng đặt biệt.
Xăng thường: cĩ trị sốoctan xác định theo phương pháp nghiên cứu khơng nhỏhơn 83.
Xăng chất lượng cao: cĩ trị sốoctan theo phương pháp nghiên cứu khơng nhỏhơn 92.
Xăng đặc biệt: cĩ trị sốoctan theo phương pháp nghiên cứu khơng nhỏhơn 97.
7.2.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của xăng
Để bảo đảm cho động cơ hoạt động bình thường, xăng phải đạt được những yêu cầu chất lượng dưới đây:
Cĩ độbay hơi thích hợp đểđộng cơ dễ khởi động và làm việc ổn định, khơng tạo ra hiện tượng nghẽn hơi, đặc biệt vào mùa hè khi nhiệt độ mơi trường cao.
Cĩ tính chống kích nổ cao, bảo đảm cho động cơ làm việc bình thường ở phụ tải lớn. Cĩ tính ổn định hố học tốt, khơng tạo ra các hợp chất keo trong bình chứa, khi cháy
khơng để lại nhiều muội than trong buồng đốt và khơng làm ăn mịn các chi tiết trong
động cơ.
Khơng bịđơng đặc khi nhiệt độ hạ thấp, khơng hút nước và khơng tạo ra các tinh thể nước đá khi gặp lạnh.
7.2.1.3. Xăng pha chì và xăng khơng pha chì
76 General Motor bắt đầu sản xuất “tetra-ethyl chì” thương mại làm giải pháp cho hiện
tượng kích nổ. Đến năm 1924 hằng loạt các cơng ty hố chất cũng tham gia vào việc sản xuất, từđĩ sản lượng “tetra-ethyl chì” khơng ngừng tăng và chỉ một thời gian ngắn sau
đĩ tất cả các loại xăng trên thế giới đều pha “tetra-ethyl chì”. Điều này đồng nghĩa với một lợi nhuận khổng lồ thu về cho tập đồn sản xuất xe ơtơ lớn của Mỹ“General Motor”.
Sự phát triển của ngành cơng nghiệp ơ tơ gắn liền với “tetra-ethyl chì” trong suốt thời gian dài. Nhưng, như bao hố chất thơng dụng khác, bên cạnh tính năng vượt trội,
“tetra-ethyl chì” bắt đầu cĩ những ảnh hưởng đến sức khoẻ con người trên diện rộng. Khơng phải đến tận khi cĩ những số liệu thống kê về sốngười bị chết, bị thương do hít
phải quá nhiều khí thải từxăng pha chì người ta mới biết đến tính chất độc hại của nĩ. Ngay từnăm 1925, trong cuộc hội thảo về“tetra-ethyl chì” do Cục sức khoẻ cộng đồng Mỹ tổ chức, cĩ người đã gọi “tetra-ethyl chì” là thủ phạm giết người.
Đến năm 1975, Mỹ chính thức phê chuẩn quyết định cắt giảm hàm lượng “tetra-
ethyl chì” cĩ trong xăng, và đến năm 1986 cấm hồn tồn việc sản suất và sử dụng xăng
pha chì. Ởchâu Âu, xăng pha chì được cấm sử dụng vào những năm 1990. Cịn ở Việt Nam, ngày 01/11/2001, Thủtướng chính phủcũng đã ra quyết định cấm sử dụng xăng pha chì trên phạm vi tồn quốc. Quyết định khai trừ“tetra-ethyl chì” cĩ trong xăng là
một quyết định sáng suốt nhằm bảo sức khoẻ cho nhân loại trên tồn cầu.
Bảng 7.1: Giới thiệu chỉ tiêu của xăng ơ tơ, dùng chỉ sốoctan để ký hiệu cho loại
xăng chữ M. Hạng mục Chỉ tiêu chất lượng Hạng mục 66/M 70/M 74/M 76/M 80/M 85/M Số octan 66 70 74 76 80 85 Điểm chưng cất (0C) - 10%, khơng quá - 50%, khơng quá - 90%, khơng quá - Điểm khơ, khơng quá
79 112 195 205 79 112 195 205 70 105 165 180 75 120 180 195 75 120 180 195 75 120 180 195 Tổn thất (%) 4,5 4,5 2,5 3,5 3,5 3,5 Lượng vật sĩt (%) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Áp suất hơi bảo hồ (mmHg), khơng quá 500 500 500 500 500 500 Thành phần keo (mg/100ml), khơng quá 7 7 2 7 10 10
Lưu huỳnh S (%), khơng quá 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12
Độ axít (mgKOH/100ml), khơng quá 3 3 0,12 3 3 3 7.2.2. Dầu Diesel
Nhiên liệu Diesel khơng những được dùng trong các động cơ Diesel mà cịn dùng trong các tuabin khí, động cơ tàu thủy. Thành phần chủ yếu của nhiên liệu là các hợp chất hydrocacbon cĩ trong các phân đoạn chưng cất chưng cất từ dầu thơ.
Như vậy về bản chất hĩa học, nhiên liệu Diesel cĩ các thành phần hydrocacbon
trái ngược với các thành phần trong xăng. Chính sựkhác nhau này, đã dẫn đến sự khác nhau về nguyên lý làm việc của động cơ xăng và động cơ Diesel. Vì nguyên nhân đĩ,
trong cơng tác vận chuyển, bảo quản cần tránh khơng để hai loại nhiên liệu này lẫn vào nhau. Sự trộn lẫn hai loại nhiên liệu vào nhau sẽ dẫn tới hoạt động khơng bình thường trong cả hai loại động cơ.
77 Ngồi ra trong nhiên liệu Diesel cịn cĩ chứa một số phụ gia nhằm cải thiện phần nào chất lượng nhiên liệu như phụ gia cải thiện trị số xêtan, phụ gia chống đơng,...
7.2.2.1. Phân loại dầu Diesel
Dựa theo tốc độ động cơ và trị số xêtan của nhiên liệu, cĩ hai nhĩm nhiên liệu
Diesel thương phẩm hiện nay:
a) Nhĩm 1: Nhiên liệu Diesel dùng cho động cơ cao tốc, phân thành hai loại nhiên
liệu:
Loại thường: cĩ chỉ số xêtan bằng 52 nhưng phạm vi độ sơi rộng hơn 175 ÷ 345oC, thường được sản xuất bằng cách pha trộn theo những tỷ lệ hợp lý các
phân đoạn của dây chuyền chế biến. Nhiên liệu này cũng dùng cho động cơ cao
tốc, nhưng chất lượng kém hơn loại cao cấp.
Loại cao cấp: cĩ chỉ số xêtan bằng 50 và phạm vi độsơi 180 ÷ 320oC, được dùng
cho động cơ tốc độcao như các loại xe buýt, xe ơ tơ và xe tải. Loại này thường
được sản xuất từphân đoạn chưng cất trực tiếp.
b) Nhĩm 2: Nhiên liệu Diesel cho động cơ tốc độ thấp
Nhiên liệu Diesel trong nhĩm này cũng địi hỏi cĩ những tiêu chuẩn chất lượng
tương tựnhư nhiên liệu cho động cơ cao tốc, tuy nhiên chỉ số xêtan của chúng kém hơn,
chỉ bằng 40 ÷ 45, độbay hơi thấp và điểm sơi cuối cao hơn (360 ÷ 370oC).
Theo TCVN 5689 – 1997, dựa vào hàm lượng lưu huỳnh cĩ thể phân chia nhiên liệu Diesel thành hai loại sau:
Nhiên liệu Diesel cĩ hàm lượng lưu huỳnh khơng lớn hơn 0,5% khối lượng, ký hiệu là DO 5,5% S
Nhiên liệu Diesel cĩ hàm lượng lưu huỳnh lớn hơn từ 0,5 đến 1,0% khối lượng, ký hiệu là DO 1% S.
7.2.2.2. Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel
Đểđộng cơ Diesel hoạt động ổn định, địi hỏi nhiên liệu Diesel phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng như sau:
Tính cháy của nhiên liệu Diesel phải phù hợp, đặc điểm này biểu thị khảnăng tự
cháy thơng qua chỉ tiêu chất lượng và trị số xêtan.
Độbay hơi hợp lý, bởi tính bay hơi của nhiên liệu Diesel ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hỗn hợp.
Tính lưu chuyển tốt trong mọi điều kiện thời tiết, tính chất này rất quan trọng khi
động cơ
Diesel làm việc ở các vùng cĩ nhiệt độ mơi trường thấp. Chất lượng này được
đánh giá qua chỉtiêu độ nhớt và nhiệt độđơng đặc.
Khơng gây hiện tượng oxy hố và ăn mịn bề mặt các chi tiết của động cơ.
Bảo đảm tính an tồn cháy nổ khi vận chuyển, lưu trữ và vận hành động cơ.
Chỉ tiêu chất lượng của các loại nhiên liệu Diesel được thể hiện trên bảng 7.2,
người ta lấy nhiệt độ kết tủa làm số hiệu cho nhiên liệu Diesel.
Bảng 7.2: Chỉ tiêu chất lượng của các loại nhiên liệu Diesel
Hạng mục
Chỉ tiêu chất lượng
Nhiên liệu Diesel nhẹ Diesel
chưng cất Số 10 Số 0 Số -10 Số -20 Số -30 Số xêtan khơng thấp hơn 50 50 50 45 43 55 Điểm chưng cất
78 - 50%, khơng quá - 90%, khơng quá - 95%, khơng quá 300 355 365 300 355 365 300 350 -- 300 350 -- 300 -- 350 290 350 -- Độ nhớt (20 0C) - Tương đối (0E) - Vận động (milipoa) 1,2 ÷ 1,67 3,0 ÷ 8,0 1,2 ÷ 1,67 3,0 ÷ 8,0 1,2 ÷ 1,67 3,0 ÷ 8,0 1,12 ÷ 1,67 2,5 ÷ 8,0 1,12 ÷ 1,67 2,5 ÷ 7,0 3,5 ÷ 8,0 Lượng vật sĩt (%), khơng quá 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3 Bụi (%), khơng quá 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,03 Điểm bắt lửa (%), khơng nhỏhơn 65 65 65 65 50 60 Độ axít (mgKOH/100ml), khơng quá 10 10 10 10 10 3 Điểm kết tủa (0C), khơng quá +10 0 -10 -20 -35 -10 Lượng keo (mg/100ml), khơng quá 70 70 70 70 70 Hàm lượng S (%), khơng quá 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 7.2.3. Nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí dùng cho ĐCĐT bao gồm nhiên liệu khí lấy từ các mỏ khi, khí cơng nghiệp lấy từ việc tinh chế dầu mỏ, từ các lị luyện cốc, lị cao và lị gas và lấy từ
các nhiên liệu rắn trong các thiết bị đặc biệt. Bất kỳ loại khí thiên nhiên nào bao giờ cũng chứa một hỗn hợp của nhiên liệu khí cháy và khí trơ khác nhau.
Thành phần của nhiên liệu khí bao gồm: CO, CH4, Cm Hn, CO2, H2S…
Chúng ta cĩ tỉ lệ khác nhau về thành phần, thành phần của từng chất trong một kmol (m3) nhiên liệu khí biểu thị bằng cơng thức hĩa học CmHnOr và thành phần xác
định một cơng thức sau:
CmHnOr + N2 = 1 kmol (1 m3 tiêu chuẩn)
m- Số nguyên tử Cacbon; n- Số nguyên tử Hydro; r- Số nguyên tử Oxy
7.2.3.1. Khí dầu mỏ hĩa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)
Khí dầu mỏ hĩa lỏng là hỗn hợp Propane –Butane thu được từkhí đồng hành khi khai thác dầu thơ hoặc các nhà máy lọc dầu, nĩ được chế từ dầu mỏ cĩ thành phần hỗn hợp như sau:
- Hơi Butane (C4H10) 89% trong đĩ cĩ 64% Normal và 25% Iso.
- 6% hơi Butane (C4H8) - 2% hơi Iso Pentan (C5H12)
Hơi này bốc ra từ trong quá trình khai thác dầu và chưng cất dầu thơ, tại đây người ta biến nĩ thành thể lỏng đểlưu trữ và cĩ thành phần chủ yếu là Propane – Butane.
Thành phần khí nốt hố lỏng: khí đốt hĩa lỏng mà hiện nay chúng ta đang sử dụng cĩ thành phần chủ yếu là Propane và Butane theo tỉ lệ thể tích 50:50.
Tùy theo nhu cầu sử dụng và tính năng làm việc ở từng đơn vị nhập khẩu thành phần tỉ lệ của Propane và Butane khác nhau, chúng cĩ thể là 50:50; 60:40; 70:30.
Đối với việc dùng làm nhiên liệu cho động cơ thì tỉ lệ giữa Propane và Butane
cũng khơng ảnh hưởng nhiều đến tính năng làm việc của động cơ, tuy nhiên nếu hàm
79 nồng độ CO trong khí thải ít hơn do lượng Cacbon của Propane nhỏ hơn Butane và ngược lại.
Ứng dụng làm nhiên liệu cho ĐCĐT.
Ứng dụng LPG thương phẩm thường được phân thành 4 loại chính dựa trên thành phần hyđrocacbon của nĩ như sau:
Propan thương phẩm: Sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho các loại động cơ hoạt
động trong điều kiện khắc nghiệt của mơi trường như nhiệt độ thấp, áp suất cao.