Bài giảng Nhiên liệu, dầu mỡ, chất tẩy rửa cung cấp cho học viên những nội dung về: khái quát dầu mỏ; nhiên liệu xăng diesel; yêu cầu và thông số đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel; dầu, mỡ bôi trơn - dung dịch làm mát;... Mời các bạn cùng tham khảo!
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ DẦU MỎ
Vài nét về dầu mỏ
Dầu khí, bao gồm dầu mỏ và khí thiên nhiên, thường có dạng lỏng nhớt, mặc dù một số loại dầu có thể đông đặc ở nhiệt độ thường Dầu mỏ có màu sắc đa dạng, từ vàng nhạt đến đen sẫm, và thường có ánh huỳnh quang Độ nhớt của dầu mỏ rất biến đổi, dao động từ 5 đến 100 cst, với một số loại có màu sáng giống như dầu hỏa hoặc đặc quánh như kẹo, và khối lượng riêng khoảng 0,78-0,92 g/cm³.
Dầu mỏ chủ yếu gồm các hợp chất cacbuahiđrô, với thành phần chính là cacbon chiếm khoảng 83-86% và hyđrô khoảng 12-14% Ngoài ra, dầu mỏ còn chứa từ 1-3% các khí như lưu huỳnh, oxy và nitơ.
Trong dầu mỏ có nhiều loại cacbuahiđro, tính chất của mỗi loại khác nhau nên sản phẩm dầu mỏ ở các vùng khác nhau là không giống nhau
Trong dầu mỏ có 4 loại chính nhƣ sau:
+ Cacbuahiđro parafin (ankan) có công thức phân tử: C n H 2n+2
+ Cacbuahiđro xyclan (naften) có công thức phân tử: C n H 2n
Nhiên liệu tồn tại ở cả 3 trạng thái rắn, lỏng, khí và đƣợc mô tả nhƣ sơ đồ sau:
Khoa Cơ khí Động lực
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan các loại nhiên liệu được sử dụng.
Thành phần hóa học của dầu mỏ
Công thức tổng quát: C n H 2n+2 Ở điều kiện bình thường họ Ankan có 3 trạng thái:
+ Thể rắn từ C 14 H 30 - trở lên
Họ Ankan có hai dạng cấu tạo hóa học:
+ Các nguyên tử cacbon liên kết thành mạch thẳng gọi là dạng normal (n- Ankal)
Ví dụ: C 4 H 10 (n-butan): CH 3 - CH 2 - CH 2 - CH 3
+ Đồng phân tử của cacbuahiđrô tiêu chuẩn loại này các nguyên tử cacbon trong phân tử đƣợc sắp xếp theo mạch nhánh khi gọi ta thêm đầu nối iso
Họ Ankan có đặc điểm ổn định ở điều kiện bình thường, nghĩa là chúng không bị oxi hóa khi được bảo quản ở nhiệt độ và áp suất thông thường.
Khoa Cơ khí Động lực
Khi chịu tác động của nhiệt độ cao trên 500 độ C, các cacbuahiđro tiêu chuẩn dễ bị oxi hoá, dẫn đến tăng khả năng phản ứng và tạo ra perôxit (R-O-O-R) và hiđrôperôxit (R-O-O-H) Những hợp chất này có thể gây ra hiện tượng kích nổ trong động cơ xăng, tuy nhiên, chúng lại rất cần thiết cho động cơ sử dụng nhiên liệu diesel.
Những cacbuahiđrô parafen thường có t o đông đặc cao nên trong nhiên liệu và dầu nhờn dùng ở mùa đông cần hạn chế loại cacbua này
Công thức tổng quát của hydrocacbon naphten là CnH2n, trong đó các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo thành vòng kín bằng liên kết đơn bền vững, do đó được gọi là hydrocacbon vòng no Các loại hydrocacbon này chủ yếu có cấu trúc vòng 5 cacbon (cyclopentan, C5H10) và 6 cacbon (cyclohexan, C6H12).
Loại cacbua này mang lại tính ổn định cao về nhiệt và hóa học cho sản phẩm dầu mỡ Cacbuahiđro xiclan nằm giữa cacbuahiđro farafin và cacbuahiđro thơm, đáp ứng tốt cho cả nhiên liệu xăng và diesel.
1.2.3 Cacbuahiđro thơm (Nhóm Hydrocacbon aromat):
Phân tử benzen (C6H6) bao gồm 6 nguyên tử cacbon liên kết thành một vòng với ba liên kết đơn và ba liên kết đôi sắp xếp theo kiểu liên hợp Từ cấu trúc vòng benzen, có thể hình thành các hydrocacbon thơm khác nhau bằng cách thay thế các nguyên tử hydro bằng các gốc ankyl có độ dài và cấu trúc mạch đa dạng.
Khoa Cơ khí Động lực
Loại hydrocarbon thơm có mặt trong tất cả các loại dầu mỡ, nhưng với hàm lượng thấp và có trị số nhớt, nhiệt độ sôi cùng tỉ trọng cao hơn so với parafin và xiclo ankan khi có cùng khối lượng phân tử Do đó, chúng không nên có trong nhiên liệu diesel vì khó oxi hóa, làm cho động cơ hoạt động kém hiệu quả Ở nhiệt độ thấp, độ nhớt của cacbuahiđro thơm tăng nhanh, vì vậy cần hạn chế sử dụng chúng trong dầu nhờn vào mùa đông.
Cacbuahiđro kkông no các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo nên một mạch cacbon hở, bằng liên kết đôi và liên kết đơn kém bền vững
Ví dụ: Etylen C 2 H 4 (CH 2 =CH 2 ) Đặc điểm
Cacbuahiđro không no có tính không bền vững, dễ bị oxi hoá và tạo ra kẹo axit hữu cơ cùng các hợp chất khác Chúng có xu hướng liên kết nhiều phân tử thành một phân tử lớn (nhựa hoá) hoặc quay trở lại trạng thái ban đầu (ngưng tụ) Sự hiện diện của cacbuahiđro không no làm giảm tính ổn định của các sản phẩm dầu mỏ, vì vậy thường được loại bỏ bằng cách lọc.
Chưng cất dầu mỏ là quá trình chế biến trực tiếp dầu mỏ trong các tháp chưng cất, sử dụng các điều kiện áp suất và nhiệt độ khác nhau Mục tiêu của quá trình này là tách dầu mỏ thành các phân đoạn riêng biệt với phạm vi độ sôi thích hợp Quan trọng là trong quá trình chưng cất, không có sự biến đổi hóa học nào xảy ra đối với thành phần của dầu mỏ.
Dầu mỏ được đưa vào lò ống và được nấu nóng tới 330 - 350 °C, sau đó chuyển thành hơi và di chuyển lên tháp tinh cất Tháp có cấu trúc đĩa để tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa hai luồng vật chất ở thể lỏng và thể hơi ngược chiều nhau, cho phép phân chia hỗn hợp hơi dầu mỏ thành các phân đoạn với phạm vi sôi khác nhau Phạm vi độ sôi của các phân đoạn là tương đối và có thể thay đổi, tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng sản phẩm, đặc tính dầu thô chưng cất, và các tính toán cụ thể của nhà sản xuất nhằm đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất Các phân đoạn chủ yếu của chưng cất khí quyển bao gồm:
+ Xăng thô (naphtha) từ 40 đến 200 0 C
Khoa Cơ khí Động lực
+ Dầu hỏa (kerosine) từ 140 đến 300 0 C
+ Phân đoạn diesel (gas oil) từ 230 đến 350 0 C
+ Cặn chƣng cất (residue) độ sôi > 350 0 C
Xăng chưng cất, hay còn gọi là xăng chưng cất, có thể được pha chế với các loại xăng khác để tạo ra xăng thương phẩm Ngoài ra, quá trình chưng cất xăng thô còn cho phép tách các phân đoạn với phạm vi sôi hẹp hơn, bao gồm naphtha nhẹ, naphtha trung bình và naphtha nặng, được sử dụng làm nguyên liệu cho các quy trình chế biến sâu.
Có thể tinh chế làm nhiên liệu phản lực Ngoài ra cũng có thể dùng làm khí đốt hay nguyên liệu cho các dây chuyền công nghệ khác
Có thể dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel (DO), đồng thời có thể dùng làm nguyên liệu cho các quá trình chế biến sâu
Phân đoạn cặn chưng cất khí quyển
Cặn mazut, hay còn gọi là residue, có thể được sử dụng làm nhiên liệu đốt lò (FO) hoặc được chuyển vào tháp chưng cất khí quyển và chân không để tách ra các phân đoạn nặng với phạm vi độ sôi khác nhau.
1.3.2 Chưng cất khí quyển-chân không:
Cặn chƣng cất khí quyển đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất khí quyển - chân không Tại đây mazut đƣợc phân chia thành 3 phân đoạn và phần cặn
Ba phân đoạn này được sử dụng để chế biến ba loại dầu nhờn gốc Phần cặn chưng cất chân không có thể được dùng làm nguyên liệu tách lọc dầu nhờn cặn, sản xuất bitum, hoặc làm nguyên liệu cho công nghệ chế biến sâu.
Sơ đồ tinh cất khí quyển và chân không đƣợc trình bày trong hình 1.2
Khoa Cơ khí Động lực
Hình 1.2 Sơ đồ chưng cất dầu mỏ
4 Bộ phận tách lỏng và khí
6 Bộ phận trao đổi nhiệt
1.3.3 Các quá trình chế biến sâu dầu mỏ:
Quá trình chưng cất dầu mỏ chủ yếu dựa vào các tính chất vật lý như bay hơi và ngưng tụ, mà không xảy ra chuyển hóa các phần hydrocacbon có trong dầu Điều này dẫn đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm chưng cất không đáp ứng yêu cầu sử dụng Để nâng cao chất lượng và hiệu suất các sản phẩm có giá trị kinh tế, cần thực hiện các quá trình chế biến sâu Công nghệ chế biến sâu dầu mỏ bao gồm các dây chuyền công nghệ chủ yếu, tập trung vào các quá trình chế hóa nhiệt và chế biến nhiệt - xúc tác.
1.3.3.1 Các quá trình chế hóa nhiệt: a Cracking nhiệt, visbreaking:
Dây chuyền cracking nhiệt được sử dụng để phân hủy các phần cặn từ quá trình chưng cất dầu Quá trình này diễn ra dưới tác dụng của nhiệt độ cao, giúp thu được các sản phẩm có giá trị cao hơn.
Khoa Cơ khí Động lực màu sử dụng dây chuyền visbreaking để phân hủy các thành phần của nhiên liệu đốt lò Quy trình này diễn ra ở nhiệt độ cao nhằm giảm độ nhớt của nhiên liệu xuống mức phù hợp.
Nguyên liệu của các công nghệ này là phần cặn chƣng cất: mazut và gudron cũng nhƣ các phần cặn của quá trình chế biến sâu khác
+ Hỗn hợp khí: bao gồm các khí hydrocacbon no và không no, đƣợc sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu cho hóa dầu
+ Cracking nhiệt: có chứa tới 25% hydrocacbon không no do đó tính ổn định hóa học kém
+ Phân đoạn Dầu hỏa – diesel có thể dùng làm nhiên liệu diesel sau khi làm sạch bằng hydro, hoặc dùng làm nhiên liệu đốt lò
NHIÊN LIỆU XĂNG VÀ DIESEL
Khái niệm
Khoa Cơ khí Động lực
Các chất cháy được dùng để sản nhiệt năng khi đốt cháy chúng được gọi là nhiên liệu đốt
Với các loại động cơ người ta dùng hai loại nhiên liệu sau:
Nhiên liệu dùng cho động cơ bộ chế biến hoà khí: nhiên liệu xăng
Nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel chủ yếu là nhiên liệu diesel Đối với loại nhiên liệu lỏng này, có thể xác định các chỉ số quan trọng như nhiệt độ sôi ban đầu, nhiệt độ sôi tại 10%, 50%, 90% và nhiệt độ sôi kết thúc Những thông số này, bao gồm nhiệt độ sôi đầu và các mức chưng cất, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng và hiệu suất của nhiên liệu diesel.
Thành phần chưng cất của nhiên liệu được xác định bằng tỉ lệ phần trăm các chất có nhiệt độ sôi khác nhau Để xác định chính xác thành phần này, người ta sử dụng thiết bị chuyên dụng.
Nhiên liệu thể khí
Nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong bao gồm khí thiên nhiên, khí công nghiệp và khí lò ga Khí thiên nhiên được khai thác từ các mỏ khí, trong khi khí công nghiệp được sản xuất trong quá trình luyện cốc, luyện gang và tinh luyện dầu mỏ Khí lò ga là sản phẩm từ quá trình hóa khí nhiên liệu thể rắn Tất cả các loại nhiên liệu khí đều là hỗn hợp cơ học của các khí cháy và khí trơ, với thành phần chính bao gồm CO, CH4, các hydrocacbon CnHm, CO2 và O2, với tỷ lệ khác nhau.
Nhìn chung, công thức hóa học của các chất trong nhiện liệu thể khí có chứa C,
O, H đều có thể viết dưới dạng C n H m O r (với n = 0~5, m = 0~12, r = 0~2) Ưu điểm
- Nhiên liệu và không khí hòa trộn với nhau đồng đều hơn so với nhiên liệu lỏng
- Phạm vi cháy rộng hơn nên động cơ dễ khởi động
- Cất giữ nhiên liệu khí đòi hỏi có chỗ chứa lớn rất mất diện tích và không an toàn a Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas):
Khí hóa lỏng chủ yếu bao gồm hỗn hợp propan và butan, được sản xuất từ khí đồng hành trong quá trình khai thác dầu mỏ hoặc tại các nhà máy lọc dầu Thành phần của khí hóa lỏng được chế biến từ dầu mỏ với cấu trúc hỗn hợp đặc trưng.
Khoa Cơ khí Động lực
Trong quá trình khai thác và chưng cất dầu mỏ, các loại khí như propan và butan được giải phóng và chuyển đổi thành thể lỏng để lưu trữ Tỷ lệ của propan và butan trong sản phẩm cuối cùng có thể thay đổi tùy theo nhu cầu sử dụng, thường ở các tỷ lệ như 50:50, 60:40 hoặc 70:30 Bên cạnh đó, khí thiên nhiên NGV (Natural Gas Vehicle) cũng là một loại khí quan trọng trong ngành công nghiệp này.
Nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong được chiết xuất từ các mỏ khí, là hỗn hợp của khí cháy và khí trơ Thành phần chính của khí thiên nhiên bao gồm CO, CH4, CnHm, CO2 và H2S Dựa vào phương pháp lưu trữ, khí thiên nhiên được phân loại thành ba loại khác nhau.
- Khí nén CNG (Compress Natural Gas)
- Khí hóa lỏng LNG (Liquefied Petroleum Gas)
- Khí hấp thụ ANG (Air Natural Gas).
Nhiên liệu lỏng
2.3.1 Các tính chất lý hóa học của nhiên liệu lỏng:
Nhiên liệu lỏng cho động cơ đốt trong chủ yếu được sản xuất từ dầu mỏ, nhờ vào nhiệt trị cao, ít tro và dễ dàng trong vận chuyển và bảo quản Mỗi loại nhiên liệu lỏng là hỗn hợp của nhiều hydrocacbon với cấu trúc hóa học khác nhau, ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất lý – hóa cơ bản, đặc biệt là trong quá trình bay hơi, tạo hòa khí và bốc cháy trong động cơ.
Ankal chính có cấu trúc mạch thẳng với các liên kết đơn giữa các nguyên tử C, khiến cho mạch cacbon dễ bị gãy và dễ tự cháy, đặc biệt là với các mạch dài, do đó không phải là lựa chọn lý tưởng cho nhiên liệu động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức Ngược lại, izoAnkal, là đồng phân của ankal, khó bị gãy mạch và khó tự cháy hơn Ankan có tỷ số C/H nhỏ, dẫn đến khối lượng riêng thấp và nhiệt trị cao hơn so với các loại khác, đồng thời cấu trúc bão hòa của nó mang lại tính ổn định cao, khó biến chất Đối với nhiên liệu động cơ xăng, việc sử dụng nhiều iso ankan là cần thiết để giảm nguy cơ kích nổ.
Tính chất lý - hóa học của nhiên liệu bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ các nhóm hydrocacbon Do phương pháp hình thành và quy trình đốt cháy khác nhau, nhiên liệu được chia thành hai nhóm chính.
+ Nhiên liệu dùng cho động cơ tạo hòa khí bên ngoài, đốt cháy cững bức
Khoa Cơ khí Động lực
+ Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel
2.3.2 Phương trình cháy của nhiên liệu:
Cháy là một phản ứng oxi hóa nhanh chóng, tỏa nhiệt và phát sáng, xảy ra khi hỗn hợp nhiên liệu kết hợp với oxi trong không khí Để kích hoạt phản ứng cháy, nhiên liệu và oxi cần được đun nóng đến nhiệt độ bốc cháy, mà nhiệt độ này khác nhau tùy thuộc vào từng loại nhiên liệu.
Số lượng không khí đưa vào để tạo hỗn hợp cháy có vai trò quan trọng trong quá trình cháy; nếu không đủ, sẽ dẫn đến cháy chậm và nhiệt độ thấp, tạo ra các sản phẩm cháy như CO, NO, HC và muội than Ngược lại, nếu lượng không khí quá lớn, quá trình cháy sẽ tiêu tốn nhiệt để đốt nóng nitơ và oxy thừa, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của động cơ và tăng chi phí nhiên liệu Do đó, việc điều chỉnh lượng không khí đưa vào là cần thiết để đảm bảo quá trình cháy hoàn toàn hỗn hợp nhiên liệu.
Lƣợng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu cụ thể là:
Khi nhiên liệu chứa nhiều nguyên tố cháy như carbon (C) và hydro (H), lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn một đơn vị nhiên liệu sẽ tăng lên Để xác định lượng oxy cần thiết, ta thiết lập phương trình cháy dựa vào mối tương quan khối lượng nguyên tử.
C +O 2 = CO 2 (a) 2H 2 +O 2 = 2H 2 O (b) Căn cứ vào phương trình a, b ta có thể xác định các phương trình cân bằng khối lƣợng của các phản ứng:
4 kg H 2 + 32 kg O 2 = 36 kg H 2 O (d) Phương trình c, d viết cho C kg cacbon và H kg Hidro có dạng:
C kg cacbon + 8/3 C kg Oxi = 11/3 C kg cacbonnic (e)
H kg hidro + 8H kg Oxi = 9H kg Nước (f) Khối lƣợng ôxi (kg) cần thiết cho hai phản ứng (e) và (f) là:
Trong 1kg nhiên liệu có sẵn O kg ôxi Vì vậy lƣợng Ôxi cần thiết trong không khí O ct để đốt cháy hoàn toàn một kg nhiên liệu:
Khoa Cơ khí Động lực
Thành phần khối lượng của ôxi trong không khí là 0,23 và thành phần thể tích là 0,21 Để đốt cháy hoàn toàn một kg nhiên liệu, cần xác định lượng không khí cần thiết.
L 0 = ( 8/3 C + 8 H - O )/ 0.23 (kg/kg nhiên liệu) Thực tế bằng thực nghiệm có thể xác định đƣợc lƣợng không khí thực sự nạp vào động cơ tính cho 1 kg nhiên liệu là L:
= L/L 0 Trong đó : Hệ số dƣ lƣợng không khí
< 1 hỗn hợp nhiên liệu giàu
= 1 hồn hợp nhiên liệu tiêu chuẩn
> 1 hồn hợp nhiên liệu nghèo (loãng)
2.3.3.1 Nhiệt trị của nhiên liệu:
Nhiệt trị là lượng nhiệt thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1kg (hoặc 1m³ tiêu chuẩn) nhiên liệu trong điều kiện tiêu chuẩn là áp suất 0 mmHg và nhiệt độ 0°C Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu, có hai phương pháp chính được áp dụng.
+ Thực nghiệm: Đốt nhiên liệu trong nhiệt lƣợng kế + Phân tích: Cần biết thành phần hóa học của nhiên liệu rồi áp dụng công thức sau:
Hu = 8100gC + 24600gH kcal/kg
Hoặc áp dụng công thức của Menđêlêép:
Hu = 8100gC + 30000gH – 2600(gO - gS) – 600(9gH + gW) kcal/kg
Trong đó: gC: Lƣợng các bon gH: Lƣợng hidro gO: Lƣợng ôxy gS: Lượng lưu huỳnh gW: Lượng hơi nước có trong nhiên liệu
Người ta phân nhiệt trị của nhiên liệu tra làm hai loại là: Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp
Nhiệt trị cao Qc là tổng nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1kg (hoặc 1m³ tiêu chuẩn) nhiên liệu, bao gồm cả nhiệt lượng từ hơi nước ngưng tụ thành nước Nhiệt lượng này được tính khi sản phẩm cháy được làm lạnh về nhiệt độ ban đầu trước khi cháy, được gọi là nhiệt ẩn trong hơi nước.
Khoa Cơ khí Động lực
Nhiệt trị thấp bằng nhiệt trị cao trừ đi nhiệt lượng do ngưng đọng hơi nước tạo ra:
Khí xả từ động cơ thải ra ngoài trời ở nhiệt độ cao, dẫn đến hơi nước chưa kịp ngưng tụ và bị mất, khiến động cơ không thể tận dụng nhiệt ẩn để sinh công Do đó, khi tính chu trình công tác của động cơ, người ta sử dụng nhiệt trị thấp Qt, nhỏ hơn Qc, tương ứng với nhiệt ẩn của hơi nước sinh ra trong quá trình cháy Mối quan hệ giữa Qc và Qt được xác định theo biểu thức cụ thể.
Nhiên liệu lỏng: (nhiệt trị của 1kg - Q tk và Q ck )
Công thức tính Q tk là Q ck - 2,512.(9h + w), với 2,512 MJ/kg là nhiệt ẩn của 1kg hơi nước Trong đó, h đại diện cho thành phần khối lượng của hydro trong nhiên liệu, và w là thành phần khối lượng của nước trong nhiên liệu.
2.3.3.2 Nhiệt trị của hỗn hợp:
Mỗi loại nhiên liệu yêu cầu một lượng không khí nhất định để cháy hoàn toàn; ví dụ, 1kg xăng cần khoảng 15kg không khí, trong khi 1kg cồn êtylic 95 độ chỉ cần 8,6kg không khí Do đó, nhiệt trị thực tế của nhiên liệu không phải là thông số quan trọng, mà là nhiệt trị của hỗn hợp khí và nhiên liệu.
Nhiệt trị của hỗn hợp bằng nhiệt trị của 1kg nhiên liệu chia cho lƣợng hỗn hợp tạo thành với 1kg nhiên liệu khi = 1
Nhiệt trị của 1kg hỗn hợp xăng-không khí là 645 kcal/kghh, trong khi nhiệt trị của 1kg hỗn hợp diesel-không khí cũng đạt 645 kcal/kghh Đặc biệt, nhiệt trị của 1kg hỗn hợp cồn êtylic-không khí cao hơn, đạt 670 kcal/kghh.
2.3.4 Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy: a Nhiệt độ bén lửa:
Nhiệt độ bén lửa là mức nhiệt tối thiểu mà hòa khí có thể bắt lửa, phản ánh lượng thành phần chưng cất nhẹ trong nhiên liệu Đây là chỉ tiêu quan trọng để phòng hỏa cho nhiên liệu sử dụng trên tàu thủy Để đảm bảo an toàn, nhiệt độ bén lửa của nhiên liệu trên tàu thủy không được thấp hơn 65°C.
Nhiệt độ tự bốc cháy là mức nhiệt tối thiểu cần thiết để một hòa khí có thể tự bốc cháy mà không cần nguồn nhiệt bên ngoài Nhiệt độ này phụ thuộc vào loại nhiên liệu, với quy luật chung là phân tử lượng càng lớn thì nhiệt độ tự bốc cháy càng thấp, và ngược lại.
Khoa Cơ khí Động lực
Nhiên liệu xăng
Xăng là một hợp chất hydrocacbon lỏng, dễ bay hơi, thường không màu hoặc có thể có màu vàng, xanh, đỏ do thêm các chất phụ gia đặc biệt Nó không hòa tan trong nước, nhẹ hơn nước với khối lượng riêng khoảng 0,67 đến 0,75 kg/l.
2.4.2 Yêu cầu và các thông số đánh giá chất lượng xăng ô tô:
2.4.2.1 Yêu cầu: Đối với nhiên liệu dùng xăng hỗn hợp cháy đƣợc tạo thành nhờ bộ chế hoà khí để động cơ đảm bảo độ tin cậy phát huy công suất và tính tiết kiệm thì nhiên liệu xăng phải có những yêu cầu sau:
+ Có tính chế hoà khí cao nghĩa là tạo đƣợc hỗn hợp cháy đảm bảo động cơ dễ khởi động và làm việc ở mọi chế độ đều ổn định
Khoa Cơ khí Động lực
Độ bền chống kích nổ cao đảm bảo rằng hỗn hợp cháy và hoạt động của động cơ diễn ra bình thường, không gây ra hiện tượng kích nổ trong bất kỳ chế độ làm việc nào.
+ Ít đọng muội than trên các chi tiết của động cơ
+ Nhiên liệu cũng nhƣ sản phẩm cháy của nó không gây ăn mòn kim loại, không lẫn nước và các tạp chất cơ học
+ Nhiệt trị hỗn hợp phải đủ lớn (nhiệt lƣợng toả ra)
2.4.2.2 Các thông số đánh giá chất lượng xăng ô tô:
Thành phần chƣng cất là tỷ lệ phần trăm các chất trƣng cất có nhiệt độ sôi khác nhau
Thành phần trưng cất là yếu tố quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nhiên liệu, ảnh hưởng đến tính năng khởi động, khả năng tăng tốc, công suất và hiệu quả kinh tế.
Thiết bị dùng để trƣng cất nhƣ ở hình sau:
Hình 2.1 Thiết bị chƣng cất nhiên liệu
2 2 Nhiên liệu thử nghiệm (100ml)
Khoa Cơ khí Động lực
Hình 2.2 Đường cong chưng cất
Cách xác định thành phần chưng cất:
Trong quá trình đun, nhiệt độ của nhiên liệu tăng dần, khiến các thành phần nhẹ bay hơi trước, sau đó đến các thành phần nặng hơn Hơi nhiên liệu di chuyển từ bình chứa qua ống dẫn tới bộ phận làm lạnh, nơi nó ngưng tụ và được hứng vào cốc đo Nhiệt độ ngưng đọng được ghi lại sau mỗi 10% nhiên liệu để tạo ra các đường cong chưng cất Những nhiệt độ quan trọng liên quan đến tính chất khai thác nhiên liệu bao gồm nhiệt độ chưng cất ở 10%, 50%, 90% và 100%, còn được gọi là nhiệt độ sôi cuối cùng của nhiên liệu.
Nhiên liệu chất lượng cao thường có phạm vi nhiệt độ chưng cất hẹp, ví dụ như xăng có phạm vi từ 40 đến 200 độ C, trong khi nhiên liệu diesel có phạm vi từ 200 đến 300 độ C.
Sau đây ta xét một số ảnh hưởng cua thành phần chưng cất đến sự làm việc của động cơ a Khởi động động cơ lạnh:
Khi bật tia lửa điện, hòa khí dễ bén lửa nhất ở tỉ lệ 12:1 đến 13:1 Trong quá trình khởi động, tốc độ động cơ rất chậm khiến không khí và xăng hòa trộn không hiệu quả, dẫn đến nhiệt độ bề mặt ống nạp, xilanh và piston thấp, chỉ khoảng 1/5 đến 1/10 xăng được bay hơi Nếu bộ chế hòa khí được điều chỉnh ở thành phần hòa khí tối ưu, hiệu suất sẽ được cải thiện.
Khi khởi động động cơ, hòa khí thực tế thường rất nhạt, đặc biệt trong điều kiện thời tiết lạnh, dẫn đến khó khăn trong việc bén lửa và khởi động Do đó, cần phải đóng bướm gió để điều chỉnh hòa khí với tỷ lệ m ≈ 1:1, giúp hòa khí vào xilanh đạt giá trị tối ưu Trong trường hợp này, chỉ cần 8% xăng phun vào là đủ để đảm bảo quá trình bay hơi hiệu quả.
Trên đường cong chưng cất, khi 10% nhiên liệu bay hơi, nhiệt độ thấp giúp động cơ dễ khởi động hơn, do đó điểm 10% được xem là chỉ tiêu khởi động cho động cơ xăng Sự tạo thành nút hơi cũng là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
Nếu nhiệt độ không khí xung quanh đường ống dẫn xăng từ thùng chứa đến bơm xăng hoặc từ bơm xăng đến chế hòa khí cao, xăng trong đường ống sẽ bị hâm nóng, dẫn đến việc chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi.
Khi xăng ở trạng thái hơi trên đường ống dẫn sẽ dẫn đến:
- Làm mất hiệu quả của bơm xăng, xăng không đƣợc cấp đến chế hòa khí hoặc không đủ
- Tạo áp lực bơm xăng tại các lỗ giclơ làm cho hỗn hợp quá đậm
Hiện tượng hình thành nút hơi thường xảy ra trong mùa hè và đặc biệt ở vùng cao, áp suất khí quyển thấp, xăng sẽ sôi ở nhiệt độ thấp hơn
Điểm 10% của nhiên liệu càng thấp, khả năng hình thành bọt hơi gây nút hơi trên đường dẫn từ thùng chứa đến bộ chế hòa khí càng cao, đặc biệt khi trời nắng Điều này làm giảm tính linh hoạt của lưu động xăng, có thể dẫn đến tắc bơm xăng và khiến động cơ hoạt động không ổn định, thậm chí chết máy Tình trạng này có thể khiến xe đang chạy nhanh với tải trọng lớn bỗng dưng chậm lại và dừng hẳn, không thể khởi động lại Do đó, điểm 10% không nên quá thấp; quy phạm về xăng thường quy định áp suất bão hòa không vượt quá 500mmHg Nếu thiết kế đường xăng hợp lý, tăng cường khả năng hoạt động của bơm xăng và áp dụng biện pháp cách nhiệt thích hợp, có thể giảm thiểu tình trạng nút hơi.
Nếu xăng trong hỗn hợp nạp vào xylanh không ở dạng hơi mà ở dạng hạt, các hạt xăng sẽ hòa tan dầu bôi trơn trên thành xylanh, dẫn đến ma sát nửa khô và tăng sự mài mòn Điều này cũng làm loãng dầu và giảm độ nhớt của nó.
Người ta đã tìm thấy trong dầu ở cácte những thành phần xăng có nhiệt độ sôi lớn hơn 180 0 C
Khoa Cơ khí Động lực
Nếu tính bay hơi của xăng không đạt yêu cầu, xăng có thể đọng lại trên thành xy lanh và rơi xuống cácte, dẫn đến việc làm loãng và hỏng dầu nhờn Tình trạng này càng nghiêm trọng hơn khi khởi động lạnh và khi động cơ đang hoạt động ở nhiệt độ ấm Do đó, điểm 90% của đường chưng cất không nên quá cao Bên cạnh đó, để xăng chuyển từ thể lỏng sang thể hơi, cần thu một lượng nhiệt nhất định từ các chi tiết của động cơ và không khí xung quanh, điều này cũng có thể gây ra hiện tượng đóng băng ở bộ chế hòa khí.
Qua thí nghiệm người ta thấy, khi nhiệt độ của không khí xung quanh là 7,5 0 C thì nhiệt độ ở bướm ga sau 2 phút làm việc giảm xuống -14 0 C
Do giảm nhiệt độ nên hơi nước trong không khí sẽ đọng lại trên các chi tiết của hệ thống và tạo thành băng
Sự đóng băng này sẽ dẫn đến giảm tiết diện lưu thông ảnh hưởng đến việc định lƣợng nhiên liệu – không khí trong bộ chế hòa khí
Xăng có tính dễ bay hơi, dễ gây hiện tượng đóng băng trong bộ chế hòa khí Để ngăn chặn hiện tượng này, cần tăng nhiệt độ chưng cất ở các mức 10%, 50% và 90%, đặc biệt là ở mức 10%, nhưng vẫn phải chú ý đến khả năng khởi động của động cơ Việc hâm nóng và tăng tốc động cơ là rất quan trọng trong quá trình này.
Thời gian hâm nóng động cơ phụ thuộc vào thành phần chưng cất của xăng, trong đó nhiệt độ chưng cất 50% có ảnh hưởng lớn nhất Cụ thể, thành phần nhẹ và trung bình cũng như nhiệt độ chưng cất 90% đều tác động đến thời gian này Khi nhiệt độ chưng cất 50% của xăng tăng, thời gian hâm nóng động cơ sẽ kéo dài hơn.
Tăng tốc động cơ là khi người lái xe đạp bàn đạp ga một cách đột ngột
Nhiên liệu Diesel
Dầu diesel là nhiên liệu lỏng được tinh chế từ dầu mỏ, có thành phần chưng cất nằm giữa dầu hỏa và dầu bôi trơn, với nhiệt độ bốc hơi từ 175ºC đến 370ºC Các loại nhiên liệu diesel nặng hơn, có nhiệt độ bốc hơi từ 315ºC đến 425ºC, được gọi là dầu Mazut Dầu diesel được đặt theo tên nhà sáng chế Rudolf Diesel và được sử dụng trong động cơ đốt trong mang tên ông, động cơ Diesel.
2.5.2 Yêu cầu và thông số đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel:
Nhiên liệu diesel phải có trị số Xêtan cao để động cơ dễ khởi động và làm việc ổn định ở các chế độ không gây tiếng gõ động cơ
Có độ nhớt cần thiết để bơm cao áp làm việc tin cậy không lẫn nước và tạp chất cơ học
Việc nạp nhiên liệu vào động cơ cần phải đảm bảo hiệu quả trong mọi điều kiện khí hậu, với nhiệt độ đông kết và ngưng tụ được duy trì ở mức thấp, giúp động cơ hoạt động trơn tru trong mùa đông.
Nhiên liệu khi phun vào xilanh động cơ phải tơi sương tạo hỗn hợp cháy tốt không bén muội, không thải khói đen
Khoa Cơ khí Động lực
Không tạo gỉ cho thùng chứa và các đường ống dẫn, các chi tiết của động cơ Khi cháy phải tỏa ra một lƣợng nhiệt lƣợng lớn
2.5.2 Thông số đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel:
1 Trị số Xêtan: Để xác định trị số Xêtan của nhiên liệu diesel, người ta so sánh nhiên liệu cần xác định với nhiên liệu mẫu trong đó nhiên liệu mẫu là hỗn hợp của hai loại cacbuahiđrô đó là Xêtan và anphamêtyl naphotalin
Xêtan có công thức phân tử là C 16 H 34 và có công thức cấu tạo là CH 3 - CH 2 -
Loại nhiên liệu này có khả năng tự bốc cháy cao, giúp động cơ khởi động dễ dàng và hoạt động êm ái Trị số xêtan của nhiên liệu được quy ước là 100 đơn vị.
Anphamêtyl naphotalin, với công thức phân tử α-C10H7CH3, là một loại cacbuahiđrô thuộc nhóm arômantic Chất này có khả năng tự cháy kém và trị số xêtan của nó được quy ước theo tiêu chuẩn nhất định.
Trị số xêtan của nhiên liệu diesel được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm theo thể tích của chất xêtan có trong hỗn hợp với chất α-Metyl naphotalin, cho phép hỗn hợp này tự cháy tương tự như nhiên liệu thử nghiệm.
Động cơ diesel yêu cầu nhiên liệu có trị số xêtan phù hợp để hoạt động hiệu quả Nếu trị số xêtan thấp, động cơ sẽ khó khởi động Ngược lại, trị số xêtan quá cao, đặc biệt trên 55, sẽ dẫn đến thời kỳ cháy trễ ngắn, gây ra khói đen trong khí xả và làm giảm hiệu suất kinh tế của động cơ.
2 Độ ổn định hóa học:
Nhu cầu về nhiên liệu diesel ngày càng tăng, đặc biệt là loại có hàm lượng hợp chất lưu huỳnh thấp và độ ổn định hóa học cao Loại nhiên liệu này có khả năng bảo quản lên đến 5 năm mà chất lượng vẫn không bị thay đổi.
Nhiên liệu diesel có hàm lượng Olefin và mêcaptan (RSH) cao, điều này ảnh hưởng nhanh chóng đến chất lượng của dầu diesel Để đánh giá độ ổn định của nhiên liệu diesel, người ta sử dụng trị số iốt, cho biết lượng iốt (tính theo gam) có khả năng phản ứng với các hydrocacbon Olefin trong 100g nhiên liệu.
Trị số iốt phản ánh hàm lƣợng Ôlefin và đặc trƣng cho tính ổn định hóa học của dầu mỏ
Mêcaptan trong nhiên liệu có thể làm tăng tính mài mòn, và khi nồng độ Mêcaptan vượt quá mức cho phép, các chi tiết như cặp piston và xylanh của vòi phun sẽ bị ăn mòn nhanh chóng.
Khoa Cơ khí Động lực gây ra các biến đổi hóa học, bao gồm phản ứng ôxy hóa tạo ra nhựa Lượng nhựa này, kết hợp với nhựa từ ôxy hóa Olefin, có thể làm hỏng hoạt động bình thường của các chi tiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.
3 Tác dụng ăn mòn kim loại:
Nhiên liệu diesel, giống như xăng, yêu cầu không được gây ăn mòn các chi tiết kim loại Khả năng ăn mòn của diesel được đo bằng số lượng mg KOH cần thiết để trung hòa axit napten trong 100ml nhiên liệu, với mức mg KOH cao hơn so với xăng Do thành phần dầu mỏ trong diesel chứa axit napten và các hợp chất lưu huỳnh, tổng hàm lượng lưu huỳnh trong diesel không được vượt quá 0,2%, mặc dù một số loại diesel có thể cho phép hàm lượng lưu huỳnh lên đến 1%.
4 Hỗn hợp cơ học và nước:
Giống như xăng, nhiên liệu diesel cũng cần phải không chứa tạp chất cơ học, vì những tạp chất này có thể gây mài mòn cho các bộ phận trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Mặt khác các tạp chất cơ học và nước còn phá hợi chất lượng của nhiên liệu diesel
Hàm lượng nước trong sản phẩm dầu mỏ được chấp nhận là bằng hoặc nhỏ hơn 0,025% Mức nước này chỉ được phép sử dụng khi nhiệt độ môi trường lớn hơn 0 ºC.
2.5.3 Tính chất lý hóa của nhiên liệu diesel:
1 Độ nhớt của nhiên liệu:
Độ nhớt là lực cản giữa các phân tử khi chất lỏng di chuyển dưới tác động của ngoại lực Đây là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ diesel.
DẦU, MỠ BÔI TRƠN- DUNG DỊCH LÀM MÁT
3.1.1 Khái niệm về ma sát và bôi trơn: a Ma sát:
Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp giữa hai vật thể khi có sự tiếp xúc và dịch chuyển Quá trình này liên quan đến các yếu tố cơ, lý, hóa và điện, và sự tương tác giữa chúng phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường xung quanh.
C-điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường)
Công ma sát A chuyển hoá thành nhiệt năng Q và năng lƣợng hấp phụ giữa 2 bề mặt
Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số ma sát:
Khoa Cơ khí Động lực
+ Vật liệu và các yếu tố khác: nhiệt độ, độ nhám bề mặt
+ Dựa vào động học và chuyển động
+ Dựa vào sự tham gia của chất bôi trơn
Ma sát khô là hiện tượng xảy ra giữa hai vật rắn tiếp xúc trực tiếp mà không có bất kỳ loại vật liệu bôi trơn nào trên bề mặt tiếp xúc.
Khi gia công các chi tiết, dù đạt độ chính xác cao, bề mặt vẫn tồn tại độ mấp mô Sự chuyển động tương đối giữa hai chi tiết lắp ghép tạo ra các điểm tiếp xúc mấp mô, từ đó hình thành lực cản tại vị trí tiếp xúc Tại đây, hiện tượng tiếp xúc đàn hồi xảy ra, dẫn đến biến dạng dẻo và quá trình cắt gọt lẫn nhau, gây mài mòn cho các chi tiết.
Ta có công thức xác định lực ma sát khô
Trong đó: f trượt - Hệ số ma sát khô phụ thuộc và vật liệu chế tạo và trạng thái bề mặt tiếp xúc đó là khô ráp hay nhẵn bóng
P h - Tải trọng tác dụng theo phương vuông góc với phương chuyển động
Tác hại của ma sát khô:
Ma sát khô gây tổn thất năng lượng và tăng nhiệt độ bề mặt các chi tiết, dẫn đến hiện tượng oxy hóa và phá hủy bề mặt làm việc Điều này không chỉ giảm công suất hữu ích mà còn làm giảm tuổi thọ của máy.
Biện pháp hạn chế: Để hạn chế tác hại của ma sát khô người ta áp dụng một số biện pháp sau:
Khoa Cơ khí Động lực
Lắp đặt chi tiết có hình dạng phù hợp với độ chính xác cao giữa hai bề mặt ma sát giúp chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn.
Ví dụ nhƣ từ sử dụng bạc sang dùng vòng bi
Hình thành và duy trì giữa các bề mặt làm việc một lớp vật liệu bôi trơn ở dạng lỏng hoặc dạng dẻo đó là dầu bôi trơn hoặc mỡ
Công thức xác định lực ma sát lăn
Trong đó: r - bán kính con lăn c Ma sát ướt:
Ma sát giới hạn là loại ma sát xảy ra khi hai bề mặt làm việc được ngăn cách bởi một lớp dầu dày hơn tổng chiều cao của các lớp mấp mô Các chi tiết được bôi trơn theo phương pháp này được gọi là bôi trơn thủy động học.
Ma sát giới hạn là hiện tượng xảy ra khi giữa các bề mặt kim loại có một lớp dầu mỏng, được tạo ra bởi tác động của các lực phân tử Lớp dầu này gắn chặt vào bề mặt kim loại và không thể di chuyển tự do, tạo ra sự tương tác giữa các chi tiết kim loại.
Dầu bôi trơn chứa các thành phần giúp giảm ma sát và mài mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ của các chi tiết Chính vì vậy, chúng được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp và giao thông.
3.1.2 Phân loại công dụng và yêu cầu đối với chất lượng của dầu bôi trơn:
Theo ngành sử dụng thì dầu bôi trơn đƣợc chia ra làm 4 nhóm:
Nhóm 1: Dầu dùng cho động cơ đốt trong, trong nhóm này lại phân ra: dầu dùng cho động cơ máy bay, động cơ tàu thủy, dầu dùng cho động cơ ô tô máy kéo (động cơ xăng, động cơ diesel)
Nhóm 2: Dầu bôi trơn dùng cho các hệ thống truyền động: hộp số, cầu
Nhóm 3: Dầu dùng cho các thiết bị công nghiệp: Máy gia công cắt gọt, và các thiết bị khác
Nhóm 4: Dầu chuyên dùng: dầu biến thế, dầu tuốc bin
Dầu bôi trơn giúp giảm ma sát giữa các chi tiết chuyển động tương đối, từ đó giảm thiểu tổn hao năng lượng do ma sát Bằng cách chuyển đổi ma sát khô thành ma sát ướt, dầu bôi trơn nâng cao hiệu suất hoạt động của các bộ phận cơ khí.
Khoa Cơ khí Động lực
Giảm độ mài mòn của các chi tiết do có sự ngăn cách bởi lớp dầu
Làm mát các chi tiết là quá trình nhận nhiệt lượng từ các bề mặt làm việc và trao đổi nhiệt qua hệ thống làm mát trong suốt quá trình chuyển động.
Làm kín các khe hở các chi tiết lắp ghép
Bảo vệ bề mặt các chi tiết tránh sự tiếp xúc trực tiếp với các chất gây ôxy hoá với nước, với môi trường
Làm sạch các bề mặt bôi trơn nhờ rửa trôi các cặn bẩn mạt kim loại
Làm chất lỏng công tác trong các bộ truyền động thuỷ lực
Ngoài ra còn là môi trường cách điện trong một số thiết bị, linh kiện
Dầu cần có nhiệt độ đông đặc thấp và độ nhớt phù hợp, đồng thời đảm bảo tính ổn định về lý hóa Ngoài ra, dầu cũng phải có khả năng chống ăn mòn kim loại ở mức tối thiểu, không chứa tạp chất cơ học và nước.
3.1.3 Tính chất của dầu bôi trơn:
3.1.3.1 Nhiệt độ đông dặc và phương pháp giảm nhiệt độ đông đặc:
Xác định nhiệt độ đông đặc của dầu giống nhƣ với nhiên liệu diesel
Khi dầu được làm lạnh đến một nhiệt độ nhất định, nó sẽ mất đi tính lưu động, dẫn đến tăng tổn thất năng lượng của động cơ và không còn thực hiện được vai trò của mình Vì vậy, nhiệt độ đông đặc của dầu cần phải thấp để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Trong sản xuất, người ta thực hiện nhiều biện pháp nhằm giảm nhiệt độ đông đặc của dầu nhƣ:
+ Pha thêm vào dầu các chất phụ gia
+ Tách các hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao bằng dụng cụ chuyên dùng
Trong hai phương án này thì phương án một có hiệu quả rất cao và được ứng dụng phổ biến ngày nay
3.1.3.2 Độ nhớt của dầu bôi trơn:
1 Độ nhớt của dầu ở nhiệt độ làm việc:
Dầu bôi trơn có độ nhớt cố định tại nhiệt độ làm việc, và khi nhiệt độ thay đổi, độ nhớt của dầu chỉ nên biến đổi trong một khoảng hẹp.
Dầu có độ nhớt quá thấp dễ bị ép ra khỏi khe hở giữa các chi tiết, dẫn đến việc các bề mặt làm việc tiếp xúc trực tiếp với nhau, từ đó làm tăng nhanh sự mài mòn.
Ngƣợc lại, độ nhớt quá cao sẽ làm tăng tổn hao năng lƣợng
Nhiệt độ làm việc của cac cơ cấu tổng thành khác nhau, thì yêu cầu độ nhớt khác nhau, ví dụ:
Khoa Cơ khí Động lực
+ Trong đa số các thiết bị công nghiệp nhiệt độ làm việc khoảng 50 0 C, do đó trong tiêu chuẩn của dầu công nghiệp nhất thiết phải cho độ nhớt 50 0 C
+ Trong động cơ ô tô máy kéo, nhiệt độ làm việc thấp nhất ở cácte, trục khuỷu là 100 0 C
+ Trong các bộ phận truyền động: hộp số, cầu nhiệt độ làm việc cũng khoảng
