8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel
Dựa trên lý thuyết về nhiên liệu, những chất cháy được và toả ra nhiều nhiệt thì được sử dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, khơng phải chất nào cháy được và toả ra nhiều nhiệt cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ, nĩ cịn phải thỏa mãn một số điều kiện sau:
- Phải cĩ số lượng nhiều trong tự nhiên để cung cấp lâu dài cho việc sử dụng; - Cĩ năng suất tỏa nhiệt lớn;
- Sản phẩm cháy ít gây ảnh hưởng tới mơi trường, đặc biệt là con người; - An tồn dễ sử dụng và vận chuyển;
- Đáp ứng được cơng nghệ.
Nhiên liệu diesel truyền thống là sản phẩm được chưng cất từ dầu mỏ, nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá là sản phẩm được sản xuất từ mỡ cá, cĩ các tính chất tương tự như DO nhưng cĩ ít hàm lượng lưu huỳnh, thành phần các bon thấp, chứa nhiều ơ xy và do đĩ giảm thiểu ơ nhiễm khí xả hơn so với nhiên liệu DO. Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên liệu gồm [18], [26]:
2.2.1. Nhiệt trị
Nhiệt trị là lượng nhiệt năng toả ra khi đốt cháy hồn tồn một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thể tích nhiên liệu. Nhiệt trị của nhiên liệu lỏng và rắn thường tính bằng kJ/kg, của nhiên liệu khí kJ/m3, hoặc kJ/kmol. Ở Anh và ở Mỹ, nhiệt trị được tính bằng đơn vị Btu/lb hoặc Btu/ft3.
Trong động cơ diesel, nhiệt trị cao khơng cĩ ý nghĩa kỹ thuật nên để đơn giản, trong Luận án sẽ dùng thuật ngữ nhiệt trị theo nghĩa là nhiệt trị thấp.
2.2.2. Độ nhớt và khối lượng riêng
Nếu độ nhớt của nhiên liệu quá lớn sẽ gây khĩ khăn cho tính lưu động của nhiên liệu từ thùng chứa tới bơm, giảm độ tin cậy hoạt động của bơm, gây khĩ khăn cho việc phun tơi, khiến cho nhiên liệu và khơng khí khơng thể hồ trộn đồng đều dẫn đến hệ quả cuối cùng là làm giảm cơng suất của động cơ.
Khối lượng riêng của nhiên liệu là đại lượng đặc trưng cho số lượng chất đĩ cĩ trong một đơn vị thể tích của nĩ, thường tính bằng kg/lít (g/cm3).
2.2.3. Sức căng bề mặt và tính bay hơi
Sức căng bề mặt (σ) là thơng số ảnh hưởng lớn đến khả năng bay hơi nhiên liệu. Tính bay hơi (thành phần chưng cất) của nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn tới tính năng hoạt động của động cơ xăng lẫn động cơ diesel.
Trong thời gian cháy trễ, tốc độ và số lượng bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào tính bay hơi của nhiên liệu phun vào động cơ. Tốc độ bay hơi của nhiên liệu cĩ ảnh hưởng lớn tới tốc độ hình thành hồ khí trong buồng cháy. Nhiên liệu cĩ thành phần chưng cất nặng rất khĩ bay hơi hết, nên khơng thể hình thành hồ khí kịp thời, làm tăng cháy rớt. Ngồi ra phần chưa kịp bay hơi khi hồ khí đã cháy, do tác dụng của nhiệt độ cao dễ bị phân huỷ (Cracking) tạo nên các hạt C khĩ cháy, kết quả làm tăng nhiệt độ của khí xả động cơ, tăng tổn thất nhiệt, tăng muội than trong buồng cháy và trong khí xả làm giảm hiệu suất và mức độ hoạt động tin cậy của động cơ.
Thực nghiệm chỉ ra rằng: Các buồng cháy ngăn cách cĩ thể dùng nhiên liệu cĩ thành phần chưng cất khá rộng từ (150 – 180)0C đến (360 – 400)0C, buồng cháy thống nhất dùng nhiên liệu cĩ thành phần chưng cất khoảng (200 – 330)0C.
Ngồi việc đánh giá bằng đường cong chưng cất thì cũng cĩ thể dùng áp suất hơi bão hịa để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu.
2.2.4. Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy
Nhiệt độ chớp lửa (tf) là nhiệt độ tối thiểu của nhiên liệu lỏng tại đĩ hơi của nĩ tạo được với khơng khí một hỗn hợp và bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần.
Nhiệt độ bắt cháy (tb) là nhiệt độ tối thiểu tại đĩ mẫu thử được đốt nĩng trong những điều kiện quy ước bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần và cháy trong thời gian khơng tới 5 giây. Nhiệt độ bắt cháy của sản phẩm dầu mỏ thường cao hơn nhiệt độ chớp lửa khoảng (30 - 40)0C. Cho đến nay cĩ hai dụng cụ với tên gọi là cốc kín và cốc hở được sử dụng để xác định nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bắt cháy.
2.2.5. Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đơng đặc
Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ mà tại đĩ sản phẩm dầu mỏ bắt đầu vẩn đục do sự kết tinh của Parafin, nước và những chất khác. Nhiệt độ đơng đặc là nhiệt độ tại đĩ sản phẩm dầu mỏ mất tính lưu động. Đối với nhiên liệu cĩ nhiệt độ vẩn đục và đơng đặc cao, cần cĩ biện pháp sấy nĩng để tránh làm tắc các bộ phận lọc và bơm chuyển.
2.2.6. Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu
Tính tự bốc cháy của nhiên liệu là tính chất liên quan đến khả năng tự phát hoả khi hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn. Để định lượng tính bốc cháy của nhiên liệu, cĩ thể sử dụng các đại lượng sau:
- Số Cetan
Là đại lượng đánh giá tính tự bốc cháy của nhiên liệu bằng cách so sánh nĩ với nhiên liệu chuẩn. Về trị số, là số phần trăm thể tích của chất n-Cetan (C16H34) cĩ trong hỗn hợp với chất -Methylnaphthalen (C10H7CH3) nếu hỗn hợp tương đương với nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy. Nhiên liệu chuẩn là hỗn hợp với tỷ lệ thể tích khác nhau của n- C16H34 và -(C10H7CH3): n- C16H34 là một Hydrocacbon loại Parafin thường cĩ tính bốc cháy rất cao, người ta quy ước số Cetan của nĩ bằng 100; Cịn - (C10H7CH3) là một Hydrocacbon thơm, chứa một nhĩm Methyl trộn lẫn với các nguyên tử Hydrogen , khĩ tự bốc cháy, số Cetan quy ước bằng khơng.
Tính tự bốc cháy của nhiên liệu cĩ ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ diesel và qua đĩ ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của động cơ. Ngồi ra, nhiên liệu diesel cịn cĩ một số chỉ tiêu khác nhưng khơng hoặc ảnh hưởng rất ít đến nhiệt động chu trình và cấu trúc tia phun nên khơng được xem xét ở đây.
Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ sơi, hàm lượng tạp chất, độ nhớt,… dầu diesel cĩ nhiều tên gọi khác nhau như: Gasoil, dầu diesel tàu thủy, dầu solar, mazout, dầu nhẹ, dầu nặng, dầu cặn…Tuy nhiên, để xếp một mẫu dầu diesel vào loại nào, phải căn cứ vào chỉ tiêu kỹ thuật của nĩ được qui định bởi các tổ chức cĩ chức năng tiêu chuẩn hĩa (ví dụ: ΓOCT của Liên Xơ, ASMT của Mỹ, TCVN của Việt Nam, PN của Ba Lan, DIN của Đức,…) hoặc các hãng chế tạo động cơ lớn. Tại Mỹ, ASTM là cơ quan hàng đầu thiết lập các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như phương pháp xác định các chỉ tiêu đĩ đối với hàng loạt các loại sản phẩm, trong đĩ cĩ sản phẩm dầu mỏ.
- Thời gian cháy trễ (i)
Nhiên liệu cĩ tính bốc cháy càng cao thì thời gian cháy trễ (i) càng ngắn và ngược lại. Đo trực tiếp một khoảng thời gian ngắn như vậy là một việc rất khĩ, cho nên trong thực tế thường dùng một đại lượng khác để đánh giá tính tự bốc cháy trên cơ sở so sánh tính tự bốc cháy của mẫu thử và của nhiên liệu chuẩn.
Sự tự bốc cháy của hydrocarbon trong động cơ diesel là một quá trình chuỗi phân nhánh bao gồm các lớp phản ứng bốn chuỗi: Khởi đầu, lan truyền, chuỗi phân nhánh
và kết thúc chuỗi. Phát hỏa xảy ra sau khi bắt đầu phun một thời gian nhất định, trong thời gian này nhiên liệu bay hơi cho đến khi hình thành một khu vực đầu tiên của hỗn hợp cĩ tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu là 0,5 <γ <0.7. Hơn nữa, các phản ứng hĩa học trong khu vực này đã sản sinh đủ gốc tự do nhiên liệu để bắt đầu quá trình đốt cháy. Chuỗi khởi tạo gốc tự do đầu tiên là từ các phân tử nhiên liệu ổn định. Phản ứng này xảy ra từ từ do các phân tử bền vững. Sau đĩ, khi đạt tới một nồng độ nhất định, phản ứng dây chuyền và phản ứng chuỗi phân nhánh sẽ xảy ra.
Một số phản ứng dây chuyền tạo ra gốc tự do, sau đĩ các gốc tự do này tham gia trong chuỗi phân nhánh làm tăng số lượng phản ứng và kết quả là gia tốc đáng kể các phản ứng, cuối cùng dẫn đến phát hỏa.