Như vừa thấy trong phần trước, quá trình cháy trong động cơ không phải là quá trình cháy lý tưởng nên nó sẻ làm giảm công suất của động cơ, nhưng điều quan trọng hơn cả là quá trình cháy không hoàn toàn này sẻ tạo ra các chất độc có hại cho con người và môi trường. Do đó việc nghiên cứu nhằm làm giảm các chất độc này là điều bắt buộc đối với các nhà sản xuất động cơ và nhiên liệu. Đối với nhiên liệu Diesel thương phẩm nó phải đảm bảo được các tính chất sau:
Chỉ số xêtan là một đại lượng qui ước đặc trưng cho khả năng tự bóc cháy của nhiên liệu Diesel và được tính bằng % thể tích của n-xêtan trong hỗn hợp của nó với α-mêtylnaphtalen khi hỗn hợp này có khả năng tự bóc cháy tương đương với nhiên liệu.
Diesel đang khảo sát. Trong hỗn hợp này thì n-xêtan có khả năng tự bóc cháy tốt nên trị số của nó được qui ước bằng 100, còn α-mêtỵlnaphtalen có khả năng tự bóc cháy kém được qui ước bằng 0. Trong thực tế một vài phòng thí nghiệm người ta dùng hephtametyl nonan (HMN) thay cho α-mêltỵnaphtalen, trong đó HMN có IC = 15.
Tỷ trọng.
Tỷ trọng d là tỷ số giữa khối lượng của chất lỏng có thể tích đã cho ở nhiệt độ 15 oC (hoặc 60 oF) so với khối lượng của nước tinh khiết (nước cất) có thể tích tương đương ở cùng nhiệt độ đó. Trong nhiều trường hợp chúng ta thường không phân biệt giá trị giữa d và ρ vì ρ60 = 0,99904.d60
60, mặc dù thứ nguyên của chúng khác nhau.
Độ API (oAPI) được xác định thông qua tỷ trọng theo công thức: 5 , 131 5 , 141 60 60 − = d API o
Khối lượng riêng của dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ thường từ 0,5 – 1,1 g/cm3, tỷtrọng thường nhỏ hơn nước trừ phân đoạn nhựa đường. Khi tỷ trọng thay đổi từ 0,7 đến 1 thì độ API giảm từ 70,6 đến 10,0.
Từ nguyên tắc hoạt động của động cơ Diesel ta nhận thấy nhiên liệu trước khi cháy chúng phải trải qua một quá trình biến đổi từ việc bị phân chia thành các hạt sương sau khi qua kim phun cao áp, hoá hơi để trộn lẫn với không khí và biến đổi để tự bốc cháy, các quá trình này đều liên quan trực tiếp đến tỷ trọng của Diesel.
Khi khối lượng riêng lớn thì động năng của dòng nhiên liệu lớn, nhiên liệu bị phun đi xa hơn khi đó không gian trộn lẫn của nhiên liệu với không khí lớn. Tuy nhiên, khi nhiên liệu có khối lượng riêng lớn thì thường độ nhớt của nhiên liệu cũng lớn nên khả năng bay hơi tạo với không khí hỗn hợp tự bóc cháy thấp điều này làm cho quá trình cháy của nhiên liệu kém.
Nếu như khối lượng riêng lớn quá thì khi phun nhiên liệu có thể va đập vào thành của buồng cháy, điều này sẽ làm loảng màng dầu bôi trơn trên thành của buồng cháy gây ra hiện tượng mài mòn.
Ngoài ra khi bị phun vào màng dầu bôi trên thành xylanh thì nhiên liệu sẽ bị hấp thụ trong màng dầu này, sau đó trong giai đoạn thải khí cháy chúng có thể bay hơi theo khí cháy và được đẩy ra ngoài làm tăng hàm lượng các chất độc hại trong khí thải.
Tỷ trọng của dầu DO được xác định theo phương pháp ASTM D1298-96; TCVN 6594 : 2007.
Thành phần cất..
Cũng tương tự như xăng, nhiên liệu diesel cũng cần phải có thành phần cất theo quy định để bảo đảm cho quá trình hoạt động của động cơ bởi độ bay hơi của nhiên liệu sẻ ảnh hưởng trực tiếp quá trình cháy của nó trong buồng cháy, nhưng điều cần phải chú ý ở nhiên liệu Diesel là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối thay đổi trong khoảng rộng (do nhiên liệu Diesel được phối trộn từ nhiều nguồn có khoảng nhiệt độ rất khác nhau như đã nêu ở trên và cũng tuỳ theo yêu cầu về chất lượng của nó) nên người ta thường không quan tâm nhiều như trong động cơ xăng, thường đối với nhiên liệu
Diesel thì người ta quan tâm đến phần trăm chưng cất ở một số nhiệt độ nhất định. Theo tiêu chuẩn Việt Nam thì có hai giá trị như sau:
- Điểm cất ở 50% thể tích là 290 oC (E50) - Điểm cất ở 90% thể tích là 350 oC (E90)
Tuy nhiên, những giá trị của nhiệt độ sôi đầu cũng không được quá thấp và nhiệt độ cuối không được quá cao vì điều này sẻ ảnh hưởng xấu đến việc sử dụng trong động cơ. Nếu nhiệt độ cuối cao quá tức là trong thành phần của nó chứa nhiều cấu tử nặng làm cho quá trình bay hơi để tạo hỗn hợp tự bóc cháy kém làm tăng quá trình cháy không hoàn làm giảm công suất của động cơ (thực nghiệm cho thấy công suất của động cơ sẻ giảm đi khoảng 1 ÷5%), tạo nhiều chất gây ô nhiễm môi trường, làm loảng màng dầu bôi trơn trong buồng cháy hay làm giảm độ nhớt của dầu trong carter như đã nêu đối với động cơ xăng. Ngược lại, khi nhiệt độ sôi đầu nhỏ nó không ảnh hưởng trực tiếp công suất của động cơ, nhưng nếu như nhiệt độ đầu quá nhỏ thì làm tăng độ bay hơi gây mất mát trong quá trình vận chuyển hay bảo quản hay làm giảm độ nhớt của nhiên liệu có thể gây mài mòn kim phun.
Thành cất được xác định theo phương pháp thử ASTM-D86. Nhiệt độ chớt cháy.
Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất của chất lỏng mà ở đó hơi của nó và không khí tạo thành hỗn hợp có khẳ năng bắt cháy khi đưa ngọn lửa (có kích thước
theo quy định) từ ngoài vào và cháy không quá 5 giây. Hoàn toàn tương tự, nếu ngọn lửa cháy với thời gian lơn hơn 5 giây được gọi là nhiệt độ bắt cháy.
Nhiệt độ chớp cháy đặc trưng cho các phần nhẹ dễ bay hơi trong nhiên liệu, khi phần nhẹ càng nhiều thì khả năng bay hơi càng lớn điều này sẻ gây ra mất mát vật chất và điều quan trọng hơn cả là nó có thể tạo ra hỗn hợp nỗ trong quá trình bảo quản và vận chuyển.
Xác định nhiệt độ chớp cháy có ý nghĩa rất quan trọng trong việc bảo quản, tồn chứa nhiên liệu và an toàn cháy nổ.
Các sản phẩm dầu mỏ có khả năng bay hơi mạnh như: khí hóa lỏng (LPG, CNG, LNG), xăng, điêzen, kerosen... thì nhiệt độ chớp cháy, bắt cháy cốc kín theo tiêu chuẩn ASTM D93-02 hoặc TCVN 2693:1995 bằng thiết bị chớp cháy cốc kín Pensky Martesns close Cup Tester.
Độ nhớt (µ).
Độ nhớt của nhiên liệu là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra ngay trong lòng chất lỏng khi có sự chuyển động tương đối của các phân tử với nhau.
Cũng tương tự như thành phần cất hay tỷ trọng, độ nhớt cũng có những ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của động cơ. Thực tế khi độ nhớt quá lớn sẻ làm tăng tổn thất áp suất trong bơm và trong kim phun, làm tăng kích thước của các hạt sương nhiên liệu do đó các tia nhiên liệu sẻ bay xa nên nó có thể và đập vào thành của buồng cháy để gây ra những tác hại như đã nêu trong phần trên.
Ngược lại, khi nhiên liệu có độ nhớt quá thấp sẻ làm tăng lưu lượng thoát ra ở giảm nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Với nhiên liệu Diesel có độ nhớt nhỏ quá thì khi phun vào xylanh nó sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới được các vùng xa kim phun có nghĩa là không gian để trộn lẫn giữa nhiên liệu - không khí nhỏ, điều này làm cho quá trình tạo hỗn hợp tự bốc cháy không tốt đồng thời phần được phun vào đầu có thể tự bắt cháy quá sớm nên phần phun vào sau có thể bị phun vào trong khí cháy có nhiệt độ quá cao nên nhiên liệu Diesel không đủ thời gian để bay hơi thì đã nhận được một lượng nhiệt quá lớn nên bị phân huỷ trước khi cháy. Như vậy, trong trường này công suất của động cơ cũng bị giảm. Ngoài ra, nhiên liệu Diesel còn có tác dụng bôi trơn cho bơm cao áp và các lò xo trong bộ phận bơm nên khi độ nhớt quá nhỏ dễ gây ra sự rít làm mài mòn hệ thống này.
Như chúng ta đã biết nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối trộn từ rất nhiều nguồn khác với thành phần hoá học của nó có thể chứa các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon từ 10 ÷35. Muốn đảm bảo khả năng bay hơi tạo hỗn hợp tự bóc cháy trong buồng cháy thì thành phần hoá học của nhiên liệu Diesel phải chứa một hàm lượng nhất định các hydrocacbon Paraffin, nhưng chính các hợp chất sẻ gây ra cho nhiên liệu
Khi nhiệt độ xuống thấp các hydrocacbon n-paraffin có mạch dài sẻ kết tinh, các tinh thể này có dạng hình kim chúng dễ tạo ra các khung tinh thể để chứa những phần còn lại, điều này sẻ làm giảm độ linh động của nhiên liệu. Khi nạp liệu cho động cơ thì nhiên liệu Diesel phải đi qua một hệ thống lọc có một lưới lọc với kích thước khoảng vài micromet. Trong trường hợp này các tinh thể paraffin có thể làm bít các lỗ của lưới lọc dẫn đến sai lệch về lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ đồng thời các tinh thể paraffin này còn có thể gây những ảnh hưởng xấu cho bơm nhiên liệu.
Qua những phân tích ở trên cho thấy việc cần thiết phải có những tiêu chuẩn để đảm bảo cho nhiên liệu Diesel có khả năng làm việc được ở nhiệt độ thấp. Trong thực tế, để đặc trưng cho khả năng làm việc của nhiên liệu Diesel ở nhiệt độ thấp người ta dùng các khái niệm khác nhau, đó là: Nhiệt độ vẫn đục, Điểm đông đặc (điểm chảy). Giá trị quy định cho các tiêu chuẩn này phụ thuộc vào từng Quốc gia, từng châu lục và tuỳ thuộc theo mùa khác nhau và cuối cùng là tuỳ theo loại nhiên liệu Diesel.
• Điểm vẫn đục.
Điểm vẫn đục là nhiệt độ mà ở đó bắt đầu xuất hiện sự kết tinh của các phân tử paraffin trong hỗn hợp của nó ở điều kiện thí nghiệm.
Việc xác định điển vẫn đục được tiến hành theo các tiêu chuẩn ASTM D2500.Giá trị của điểm vẫn đục thay đổi tuỳ theo Quốc gia hoặc khu vực nhưng thông thường nó nằm trong khoảng 0 đến -15 oC nó cũng có thể lên đến 14 oC ở các nước nóng nhưng cũng có thể xuống – 40 oC ở các nước quá lạnh.
• Điểm đông đặc hay điểm chảy.
Điểm đông đặc là điểm mà giá trị của nó chính bằng giá trị của nhiệt độ cao nhất mà ở đó nhiên liệu Diesel còn có thể chảy lỏng. Giá trị của điểm đông đặc thay đổi tuỳ theo Quốc gia hoặc khu vực, khoảng giao động của nó rất rộng từ + 4 oC đến -39 oC, nhưng thông thường nó nằm trong khoảng từ- 18 oC đến – 30 oC.
Hàm lượng lưu huỳnh
Như chúng ta đã 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, mercaptan, sulfua, disulfua, dị vòng . . . 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 mercaptan gây ăn mòn trực tiếp thì trong nhiên liệu Diesel dạng tồn tại này hầu như không còn nữa mà chủ yếu dưới dạng sulfua, disulfua hay dị vòng không có khả năng ăn mòn trực tiếp mà chúng chỉ gây ăn mòn khi bị cháy trong động cơ để tạo ra SO2 sau đó nó có thể chuyển một phần thành SO3.
Phần lớn lượng khí này thoát ra ngoài cùng khí cháy, nhưng có thể một phần nhỏ lọt qua các xec măng để vào trong carter chứa dầu và khi nhiệt độ trong carter này xuống thấp thì chúng kết hợp với hơi nước để tạo ra các axit tương ứng gây ăn mòn các bề mặt chi tiết khi dầu được bơm trở lại các bề mặt bôi trơn.
Ngoài ra, khi hàm lượng lưu huỳnh tăng thì nó sẻ làm giảm nhiệt cháy của nhiên liệu Diesel vì vậy nó sẽ làm tăng hàm lượng các hydrocacbon chưa cháy, bồ hóng, muội than trong sản vật cháy do đó càng làm mài mòn máy móc.cao áp). Trong trường hợp này thì kim phun được nâng lên chậm hơn điều này sẻ làm
Độ ổn định oxy hoá.
Nhiên liệu Diesel thương phẩm được phối trộn từ nhiều nguồn khác nhau trong đó có nhiều nguồn thu được từ các quá trình chế biến sâu mà trong thành phần của nó có chứa nhiều hợp chất kém bền như olefin, diolefin, aromatic . . .
Trong quá trình chế biến, vận chuyển, bảo quản cũng như trong quá trình nạp liệu cho động cơ thì nhiên liệu luôn tiếp xúc với các tác nhân gây oxy hoá như oxy, nhiệt độ và cả sự có mặt của xúc tác thì nhiên liệu sẻ bị biến đổi để tạo ra các hợp chất như nhựa, cặn . . . đây là các hợp chất có hại của nhiên liệu vì nó có thể gây ăn mòn, gây tắt nghẽn phim lọc . . . vì vậy cần thiết nhiên liệu Diesel phải đảm bảo được tiêu chuẩn này.
Độ ăn mòn tấm đồng
Mặc dù phần lớn các thành phần chứa lưu huỳnh đã được loại ra khỏi nhiên liệu trong quá trình chế biến nhưng việc loại ra toàn bộ là không khó thực hiện về mặt công nghệ và không kinh tế. Mặc dù phần còn lại trong sản phẩm là không nhiều nhưng sự tồn tại của nó cùng với sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ chứa oxy cũng có thể gây ra sự ăn mòn mạnh đối với các bộ phận của động cơ. Vì vậy, hàm
lượng của các hợp chất này trong nhiên liệu Diesel cũng cần phải nằm trong một giới hạn nhất định. Giới hạn này được biểu diễn qua phép thử tính chất ăn mòn tấm đồng.
Tiêu chuẩn việt Nam về độ ăn mòn tấm đồng đối với nhiên liệu Diesel theo phương pháp thử ASTM-D130 tối đa là mức N1.
Hàm lượng nước.
Nước trong nhiên liệu cũng rất nguy hiểm cho động cơ vì chúng gây ăn mòn mạnh và rỉ, gây trở ngại cho quá trình cháy.
Hàm lượng nước trong nhiên liệu Diesel được xác định theo phương pháp: ASTM D 95-05e1; TCVN 2692 : 2007, ASTM D 6304-04; TCVN 3182 : 2008.
Hàm lượng tro.
Hàm lượng tro là lượng cặn không cháy hay các khoáng chất còn lại sau khi đốt cháy dầu. Một lượng tro nhỏ cũng có thể là thông tin cho phép xem xét liệu sản phẩm đó có thích hợp để sử dụng cho mục đích đã chọn không.
Hệ thống phun nhiên liệu diesel được chế tạo với độ chính xác cao nên chúng rất nhạy cảm với các tạp chất trong nhiên liệu. Các cặn tán trong nhiên liệu có thể gây ăn mòn hoặc làm tắc hệ thống nhiên liệu với mức độ tùy thuộc vào kích thước của hệ thống này.
Hàm lượng tro được xác định theo phương pháp ASTM-D 482 (TCVN 2690- 1995)
Cặn cacbon (cacbon conradson).
Cặn cacbon là lượng cặn còn lại sau khi cho bay hơi và nhiệt phân nhiên liệu. Cặn cacbon gây nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa những điểm có cặn và những điểm không có cặn làm tăng ứng xuất nội của vật liệu làm buồng đốt, dẫn tới biến dạng và có khi phá hủy buồng đốt. Nếu các mẫu cặn cacbon bám trên thành buồng đốt bong ra và theo hỗn hợp khí đi tới buồng giãn nở thì chúng có thể va đập vào cánh tuabin gây ăn mòn đối với cánh tuabin. Cặn cacbon cũng là nguyên nhân faay ra hiện tượng khí xả có màu đen và làm giảm hệ số tỏa nhiệt.
Cặn cacbon được xác định theo phương pháp ASTM-D189 (TCVN 2704- 1978) và được sử dụng rộng rãi đối với các loại nhiên liệu.