Những chất lỏng đơn chất cú nhiệt độ sụi cố định, vớ dụ : ở ỏp suất khớ quyển tiờu chuẩn, nhiệt độ của nước đang sụi luụn luụn bằng 100 0C, của ethanol là 78 0C, của methanol là 65 0C. Ngược lại, nhiệt độ sụi của hỗn hợp nhiều loại chất lỏng khỏc nhau sẽ thay đổi trong quỏ trỡnh sụi. Sở dĩ như vậy là vỡ mỗi chất lỏng trong hỗn hợp cú những tớnh chất riờng của mỡnh, trong đú cú nhiệt độ sụi. Vớ dụ : xăng ụtụ sụi trong khoảng nhiệt độ 30 ữ 210 0C ; khi mẫu xăng được gia nhiệt, những phõn tử hydrocarbon cú nhiệt độ sụi thấp nhất ở trong xăng sẽ sụi khi nhiệt độ của xăng đạt tới 30 0C ; nhiệt độ của xăng tiếp tục được tăng lờn và hydrocarbon cú nhiệt độ sụi cao hơn sẽ sụi ; số hydrocarbon cuối cựng sẽ sụi khi nhiệt độ của xăng đạt tới 210 0C.
Tớnh hoỏ hơi là thuật ngữ được sử dụng để biểu đạt khả năng hoỏ hơi, phạm vi nhiệt độ sụi và hàm lượng cỏc thành phần cú nhiệt độ sụi khỏc nhau cú trong mẫu thử. Chỳng ta cú thể gặp cỏc thuật ngữ khỏc cú nghĩa tương đương như : độ hoỏ hơi, thành phần chưng cất, tớnh hoỏ hơi cõn bằng, v.v. Tớnh hoỏ hơi của xăng được đỏnh giỏ bằng 2 đại lượng : Áp suất hơi bóo hồ và Đường cong chưng cất.
• Áp suất hơi bóo hồ là ỏp suất hơi của chất lỏng ở trạng thỏi cõn bằng giữa thể
hơi và thể lỏng được xỏc định trong những điều kiện quy ước. Trong nhiều tài liệu chuyờn ngành, thuật ngữ Reid Vapor Pressure (RVP) được sử dụng thay vỡ ỏp suất hơi bóo hồ, đú là ỏp suất hơi bóo hồ được xỏc định ở nhiệt độ 100 0F (37,8 0C) bằng một dụng cụ tiờu chuẩn hoỏ .
PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (1) - 82
• Đường cong chưng cất là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa số % thể tớch mẫu thử đó hoỏ hơi và nhiệt độ chưng cất.
t90 Nhiệt độ ch−ng cất [ 0 C ] 100 T h ể tí ch đ ã c ấ t [% ] 90 50 10 0 100 200 300 400 0 t50 t10 1 2 IBP FBP
H. 3.6-1. Đường cong chưng cất của xăng ụtụ (1) và của gas oil (2)
Trong cỏc bảng chỉ tiờu kỹ thuật của nhiờn liệu, người ta thường cho giỏ trị của cỏc điểm đặc trưng của đường cong chưng cất, bao gồm : IBP, t10 , t50 , t90 , t98 và FBP. Tớnh hoỏ hơi của xăng cú ảnh hưởng đến hàng loạt tớnh năng của động cơ, như : tớnh năng khởi động lạnh, tớnh năng chạy khụng tải và khởi động núng, hiện tượng nỳt hơi, thời gian chạy ấm mỏy và tăng tốc, lượng tiờu thụ nhiờn liệu, mức độ làm loóng dầu bụi trơn, v.v.
• Ảnh hưởng đến tớnh năng khỏi động lạnh - Chỳng ta biết rằng, để khởi động
được động cơ, hoà khớ phải cú tỷ lệ khụng khớ - hơi nhiờn liệu thớch hợp và nhiệt độ đủ cao. Khi động cơ ở trạng thỏi lạnh, phần lớn lượng xăng được hỳt ra khỏi carburetor bỏm trờn vỏch ống nạp hoặc tồn tại dưới dạng hạt lỏng và chỉ cú một lượng rất nhỏ xăng hoỏ hơi. Hỗn hợp khụng khớ - hơi xăng được hỡnh thành trong xylanh cú thể quỏ loóng và khụng thể bốc chỏy được. Xăng cú t10 càng cao thỡ hàm lượng hydrocarbon dễ bay hơi cú trong xăng càng ớt, do vậy càng khú khởi động động cơ ở trạng thỏi lạnh.
• Hiện tượng nỳt hơi (vapor lock) là hiện tượng suy giảm lượng xăng cung cấp
vào xylanh của động cơ do cú nhiều hơi xăng hỡnh thành trong hệ thống nhiờn liệu của động cơ.
Sự xuất hiện hiện tuợng nỳt hơi phụ thuộc rất nhiều vào t10 và RVP của xăng. Nếu xăng cú t10 thấp và RVP cao, một lượng hơi xăng đỏng kể sẽ hỡnh thành trong bơm xăng và đường ống dẫn xăng. Hơi xăng tớch tụ dưới dạng cỏc tỳi hơi sẽ bị nộn rồi lại dón nở trong quỏ trỡnh bơm xăng hoạt động. Kết quả là lượng xăng thực tế được bơm đi cung cấp cho carburetor sẽ giảm hoặc khụng cú, làm cho động cơ yếu hoặc dừng hẳn.
PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (1) - 83
• Ảnh hưởng đến chạy khụng tải và khởi động núng - Khi động cơ chạy khụng tải ở trạng thỏi núng, vớ dụ : sau một thời gian dài làm việc ở chế độ đầy tải trong thời tiết núng, nhiệt truyền từ cỏc bộ phận núng của động cơ đến bơm xăng và carburetor sẽ làm cỏc phần nhẹ của xăng hoỏ hơi trong buồng phao và trong đường dẫn nhiờn liệu. Nếu khả năng thụng hơi khụng tốt, ỏp suất trong buồng phao tăng cao cú thể đẩy xăng qua ống phun chớnh vào đường ống nạp và tạo ra trong đú hỗn hợp quỏ đậm cú thể làm chết mỏy và việc khởi động lại cũng khú khăn. Nhiệt độ t10 của xăng càng thấp thỡ hiện tượng núi trờn càng nghiờm trọng.
• Tốc độ chạy ấm mỏy và tớnh năng tăng tốc
Thời gian chạy ấm mỏy sẽ được rỳt ngắn nếu cú một lượng xăng đủ lớn bay hơi nhanh ngay sau khi động cơ được khởi động để tăng tải. Tuy nhiờn, tớnh dễ bay hơi của xăng trong giai đoạn chạy ấm cũng khụng đũi hỏi phải cao như khi khởi động vỡ điều kiện đảm bảo cho xăng bay hơi trong giai đoạn chạy ấm đó tốt hơn (tốc độ của khụng khớ đi qua carburetor và chuyển động rối trong đường ống nạp cũng như trong xylanh cao hơn).
Khi muốn tăng tốc động cơ, người điều khiển sẽ mở nhanh bướm ga. Khi đú một lượng lớn khụng khớ sẽ đi vào xylanh, đồng thời bơm tăng tốc cũng bổ sung thờm xăng vào đường ống nạp. Nếu xăng bay hơi quỏ nhanh thỡ hỗn hợp chỏy trong xylanh sẽ quỏ đậm. Ngược lại, nếu xăng bay hơi chậm thỡ hỗn hợp chỏy cú trong xylanh tại những thời điểm đầu của quỏ trỡnh tăng tốc sẽ quỏ loóng. Tiếp theo đú, lượng xăng đó được bơm tăng tốc bổ sung sẽ bay hơi và làm cho hỗn hợp chỏy quỏ đậm. Hỗn hợp chỏy quỏ loóng hoặc quỏ đậm đều làm cho chất lượng quỏ trỡnh chỏy xấu. Kết quả là động cơ tăng tốc kộm hoặc làm việc cứng.
Kết quả nghiờn cứu cho thấy rằng, phần chưng cất giữa của xăng (V% = 50 ữ 70) cú ảnh hưởng mạnh nhất đến tốc độ chạy ấm và tớnh năng tăng tốc.
• Lượng tiờu thụ nhiờn liệu - Xăng cú tớnh hoỏ hơi quỏ kộm sẽ làm tăng lượng
nhiờn liệu chỏy rớt và suất tiờu thụ nhiờn liệu. Ngược lại, xăng càng dễ bay hơi thỡ lượng xăng thất thoỏt do bay hơi từ hệ thống nhiờn liệu ra ngoài càng nhiều.
• Mức độ làm lng dầu bụi trơn - Nếu xăng cú t90 quỏ cao, tức là chứa nhiều hydrocarbon khú hoỏ hơi, một phần xăng vào trong xylanh vẫn ở dạng hạt lỏng. Một phần xăng lỏng bỏm trờn vỏch xylanh sẽ rửa trụi lớp dầu bụi trơn, một phần khỏc lọt qua khe hở giữa piston và xylanh xuống cacte và làm loóng dầu bụi trơn. Kết quả là cả lượng tiờu thụ nhiờn liệu và cường độ hao mũn chi tiết của động cơ đều tăng.
PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (1) - 84
3.7. NHIấN LIỆU DIESEL
3.7.1. PHÂN LOẠI NHIấN LIỆU DIESEL
Động cơ diesel cú thể chạy bằng nhiều loại nhiờn liệu khỏc nhau, trong đú cú cả than đỏ, khớ đốt và nhiờn liệu tổng hợp. Tuy nhiờn, loại nhiờn liệu diesel được sử dụng rộng rói nhất và hiệu quả nhất hiện nay là một số phõn đoạn của dầu mỏ, sau đõy gọi chung là nhiờn liệu diesel hoặc dầu diesel (Diesel Oil - DO).
Tuỳ thuộc vào phạm vi nhiệt độ sụi, hàm lượng tạp chất, độ nhớt, v.v. , dầu diesel cú nhiều tờn gọi khỏc nhau, như : gas oil, dầu diesel tàu thuỷ, dầu solar, mazout, dầu nhẹ, dầu nặng, dầu cặn , v.v. Tuy nhiờn, để xếp một mẫu dầu diesel vào loại nào, ta phải căn cứ vào chỉ tiờu kỹ thuật của nú được quy định bởi cỏc tổ chức cú chức năng tiờu chuẩn hoỏ (vớ dụ : ГОСТ của Liờn xụ, ASTM - Mỹ, TCVN - Việt nam, PN - Ba lan, DIN - Đức , v.v ) hoặc của cỏc hóng chế tạo động cơ cú danh tiếng. Cỏc chỉ tiờu kỹ thuật thường được thể hiện dưới hỡnh thức một bảng cỏc trị số của cỏc tớnh chất đặc trưng cho khả năng và hiệu quả sử dụng của một loại nhiờn liệu cụ thể vào một mục đớch xỏc định.
Ở Mỹ, ASTM (American Society for Testing and Materials) là cơ quan hàng đầu trong lĩnh vực thiết lập cỏc chỉ tiờu kỹ thuật cũng như phương phỏp xỏc định cỏc chỉ tiờu đú đối với hàng loạt cỏc loại sản phẩm, trong đú cú sản phẩm dầu mỏ. Theo ASTM - D975, dầu diesel được chia thành 3 nhúm với ký hiệu No. 1-D , No. 2-D và No. 4-D (Bảng 3.7-1).
• No. 1-D : nhiờn liệu dựng cho động cơ diesel làm việc trong những điều kiện tải và tốc độ quay thường xuyờn thay đổi. Loại nhiờn liệu này thường là sản phẩm chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ.
• No. 2-D : nhiờn liệu cho động cơ diesel cụng nghiệp và động cơ xe cơ giới cú chế độ làm việc nặng. Loại này thường chứa sản phẩm chưng cất trực tiếp và sản phẩm cracking.
• No. 4-D : nhiờn liệu cho động cơ diesel thấp tốc và trung tốc. Loại nhiờn liệu này thường là hỗn hợp của sản phẩm chưng cất trực tiếp hoặc của sản phẩm cracking với dầu cặn.
Bảng 3.7-1. Chỉ tiờu kỹ thuật của nhiờn liệu diesel theo ASTM D975
Loại nhiờn liệu Chỉ tiờu kỹ thuật
No. 1-D No. 2-D No. 4-D
Số cetane , min 40 40 30 Độ nhớt động học ở 40 0C : - min - max 1,3 2,4 1,9 4,1 5,5 24,0 t90 , [0C] : - min - max ... 288 282 238 ... ...
PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (1) - 85
Bảng 3.7-2. Nhiờn liệu diesel - PETROLIMEX
Chỉ tiờu kỹ thuật Mức quy định
1. Số cetane, min 45 48 2. Thành phần chưng cất, [0C] : - t50 , max - t90 , max 290 370 270 350 3. Độ nhớt ở 40 0C, [mm2/s] 1,8 – 5,0 1,8 – 5,0 4. Nhiệt độ chớp lửa cốc kớn, [0C] , min 60 60
5. Nhiệt độ đụng đặc [0C] , max 9 5
6. Hàm lượng tro , [% wt] , max 0,02 0,01
7. Hàm lượng nước , [% vol.] , 0,05 0,05
8. Hàm lượng lưu huỳnh , [% wt] , max 1,0 0,5
9. Khối lượng riờng ở 20 0C, [g/cm3] , max 0,87 0,87
10. Ăn mũn đồng, [3 h/50 0C] , max N-1 N-1
11. Màu (ASTM. D1500) , max N-2 N-2
Từ gúc độ của người khai thỏc kỹ thuật động cơ, cú thể phõn nhiờn liệu diesel gốc dầu mỏ thành 2 nhúm : nhiờn liệu chưng cất và dầu nặng.
Dầu diesel
Nhiên liệu
ch−ng cất Dầu cặn
Gasoil Dầu solar Mazout
+ Gasoil Mazout
H. 3.7-1. Phõn loại nhiờn liệu diesel gốc dầu mỏ
Nhiờn liệu chưng cất (cũn gọi là nhiờn liệu nhẹ) chỉ chứa cỏc phõn đoạn dầu mỏ
được chưng cất trong phạm vi nhiệt độ từ 180 ữ 400 0C. Dầu cặn (cũn gọi là dầu nặng) cú thể là mazout thuần tuý hoặc là hỗn hợp của mazout với gas oil. Trong số dầu diesel thụng dụng, gas oil là loại cú độ nhớt, mật độ và hàm lượng tạp chất thấp nhất ; cũn mazout cú độ nhớt, mật độ và hàm lượng tạp chất cao nhất. Động cơ chạy bằng nhiờn liệu chưng cất chỉ cần được trang bị hệ thống lọc thụng dụng , như lọc bằng nỉ, bằng giấy hoặc lọc kiểu khe hở . Khi chạy bằng dầu cặn, động cơ cần được trang bị hệ thống xử lý nhiờn liệu thớch hợp như thiết bị sấy núng, thiết bị rửa, thiết bị lọc ly tõm, v.v. để làm giảm độ nhớt và loại bỏ tạp chất trước khi đưa nhiờn liệu đến bơm cao ỏp.
PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận - ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (1) - 86
Gas oil là loại nhiờn liệu thớch hợp nhất cho động cơ diesel hiện nay. Tuy nhiờn, cho đến nay, gas oil được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel cao tốc. Để giảm chi phớ khai thỏc đối với hầu hết động cơ diesel thấp tốc và cụng suất lớn, người ta chỉ sử dụng gas oil ở một số chế độ đặc biệt như khởi động, chạy ấm, cơ động (maneuver) ; ở phần lớn thời gian hoạt động cũn lại, động cơ chạy bằng dầu cặn cú giỏ thành thấp hơn. Dầu solar (cũn gọi là dầu diesel tàu thuỷ - Marine Diesel Oil ) được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel trung hoặc thấp tốc.
3.7.2. TIấU KỸ THUẬT CỦA NHIấN LIỆU DIESEL
Cỏc chỉ kỹ thuật quan trọng của nhiờn liệu diesel bao gồm : nhiệt trị, tớnh tự bốc chỏy, hàm lượng tạp chất và độ nhớt.
1) Độ nhớt
Độ nhớt của nhiờn liệu diesel cú ảnh hưởng chủ yếu đến chất lượng quỏ trỡnh phun nhiờn liệu. Độ nhớt quỏ cao làm cho cỏc tia nhiờn liệu khú phõn tỏn thành cỏc hạt nhỏ và cú thể bỏm trờn thành xylanh. Ngược lại, độ nhớt quỏ thấp lại làm cho cỏc tia nhiờn liệu quỏ ngắn, khụng bao trựm hết khụng gian của buồng đốt. Cả hai trường hợp trờn đều dẫn đến chất lượng quỏ trỡnh tạo hỗn hợp chỏy khụng cao, lượng nhiờn liệu chỏy rớt và chỏy khụng hoàn toàn tăng. Ngoài ra, độ nhớt của nhiờn liệu quỏ thấp cú thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng định lượng và định thời của hệ thống phun do làm tăng mức độ rũ rỉ tại cỏc cặp siờu chớnh xỏc của bơm cao ỏp và vũi phun , đồng thời tăng cường mài mũn của cỏc chi tiết chuyển động được bụi trơn bằng nhiờn liệu.
Mặc dự khụng phải là một chỉ tiờu kỹ thuật cú ảnh hưởng quyết định đến chất lượng hoạt động của động cơ, nhưng người ta thường căn cứ vào độ nhớt để phõn loại dầu diesel nặng. Sở dĩ như vậy là vỡ :
- Độ nhớt là một đại lượng dễ xỏc định.
- Độ nhớt cú liờn quan đến nhiều tớnh chất khỏc của dầu diesel. Vớ dụ : nếu nhiờn liệu nặng cú độ nhớt dưới 3500 sec Redwood, thỡ số cetane thường cao hơn 25 và hàm lượng tạp chất cũng thường thấp hơn mức quy định. Như vậy, trong trường hợp khụng cú đủ tư liệu cần thiết, cú thể xếp loại dầu diesel với độ chớnh xỏc nhất định nếu biết độ nhớt của nú.