CHƯƠNG 1 NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. Khái niệm về môi chất công tác của động cơ Môi chất công tác là chất trung gian để thực hiện chu trình công tác, bao gồm chất ô-xy hoá như không khí hoặc ô-xy (trong những trường hợp đặc biệt), nhiên liệu và sản vật cháy. Trong chu trình công tác, môi chất công luôn thay đổi thành phần và tính chất lý hoá. Trong quá trình nạp, mỗi chất nạp vào xy lanh là không khí đối với động cơ diesel; là hỗn hợp không khí với nhiên liệu đối với động cơ xăng và động cơ gas, được gọi là khi nạp mới.
Trong quá trình nén, môi chất công tác là một hỗn hợp bao gồm khi nạp mới và khi sót, hỗn hợp khi đó còn được gọi là hỗn hợp công tác. Trong quá trình giãn nở và quá trình thải, môi chất công tác là sản vật cháy. Nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong hiện nay Nhiên liệu là thành phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh hưởng quyết định đến kết cấu cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Động cơ đốt trong thông thường sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng.
Nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên như khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công nghiệp như khí do chưng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên liệu rắn như gố, than; khí sinh vật (biogas). Bất kỳ loại nhiên liệu khí nào cũng là hỗn hợp cơ học của các khí cháy và khí trơ với điều kiện bỏ qua các thành phần tạp chất. Một cách tổng quát có thê coi cấu trúc phân tử của mỗi khí cháy bao gồm các-bon, hy-dro và ô-xy là C mHnOr. Vì vậy, đối với một đơn vị nhiên liệu khí (ví dụ như 1 kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn.1) Dựa vào nhiệt trị Q (kJ/m3tc) người ta phân nhiên liệu khí thành ba loại như sao: Nhiệt trị cao: Q = 23 ÷ 28 (kJ/m3tc) ví dụ như khí thiên nhiên, khí phụ phẩm chưng cất dầu mỏ.
Nhiệt trị trung bình: Q = 16 ÷ 23 (kJ/m3tc) như khí lò luyện than cốc. 15 Nhiệt trị thấp: Q = 4 ÷ 16 (kJ/m3tc) như khí lò ga và khí sinh vật. Động cơ chạy các nhiên liệu khí như khí thiên nhiên nên CNG (Compressed Natural Gas) hay khí hoá lỏng LPG (Liquidfied Petroleum Gas) có ưu điểm là ít ô nhiễm môi trường và tiết kiệm vì giá khí đốt rẻ hơn so với xăng. Nhiều hãng taxi ở Việt Nam đã và đang chuyển đổi xe chạy xăng sang chạy cả xăng và khi đốt.
Nhiên liệu lỏng Phần lớn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng có nhiều loại nhưng theo nguồn gốc có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất có gốc hoá thạch như xăng, dầu hoả, diesel. Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật như mê-tha-nôl, ê-tha- nôl, dầu thực vật như dầu dừa, dầu hạt cải.
Đa số động cơ nhiên liệu lỏng hiện nay dùng nhiên liệu gốc hoá thạch như xăng và diesel. Trong quá trình chưng cất dầu mỏ, người ta thu được lần lượt xăng, dầu hoả, nhiên liệu diesel, dầu máy và nhựa đường. Về thành phần, xăng và nhiên liệu diesel thực chất là hỗn hợp của các loại các-bua-hy-dro khác nhau chia thành các nhóm sau đây. • Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin còn gọi là an-kan có công thức hoá học là CnH2n + 2; ô-lê-phin CnH2n, và a-xê-ty-len CnH2n - 2.
Trong đó, ô-lê-phin và a- xê-ty-len là những các-bua-hy-dro không no thường không chữa trong đầu thỏ nhưng xuất hiện trong quá trình chung cất. Trong nhóm này, pa-ra-phin là thành phần đóng vai trò chủ yếu. Pa-ra-phin (an-kan) là các-bua-hy-dro no có hai dạng là an-kan thường và đồng vị còn gọi là i-so-an-kan. An-kan thường có mạch thẳng hở, ví dụ như xê-tan C16 H34 hình 1.
Cấu trúc phân tử của xê-tan C10H34 16 Đặc điểm chung của an-kan thường là có tính ổn định hoá học ở nhiệt độ cao kém, do đó dễ dàng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên quá trình tự cháy. Vì vậy, nếu nhiên liệu diesel càng có nhiều an-kan thường thì có tính tự cháy càng cao. Cấu trúc phân tử của i-sô-ốc-tan C8H18 An-kan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc phân tử khá bền vững, có tính ổn định hoá học cao, khó tự cháy hay nói cách khác khó bị kích nổ (xem. Ví dụ điển hình của an-kan đồng vị là i-sô-ốc-tan C8H18 hình1.
Nếu xăng có nhiều thành phần an-kan đồng vị thì tính chống kích nổ càng cao. Cấu trúc phân tử Hình 1. Cấu trúc phân tử xy-clô-pen-tan C5H10 mê-tyl-ben-zen C6H5CH3 Náp-ten: CnH2n còn gọi là xy-clan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xy-clô- pen-tan C5H10, hình 1. Náp-ten do có kết cấu phân tử rất bền vững nên có tính chống kích nổ rất cao.
Các-bua-hy-drô thơm: CnH2n-6. có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân ben-zen nên rất bền vững, chống kích nổ rất tốt, ví dụ mê-tyl-ben-zen C6H5CH3, (hình 1.4) 17 Nếu bỏ qua các thành phần tạp chất, nhiên liệu lỏng nói chung kể cả xăng và diesel chỉ bao gồm các-bon, hy-drô và ô-xy. Do đó công thức cấu tạo tính cho một đơn vị đo lường (ví dụ như 1 kg, 1 kmol.2) Ví dụ, nhiên liệu diesel D1 và D2 theo TCVN 5689-92 có C = 0,84 ÷ 0,88; H=0,10 ÷0,14; phần còn lại là O. Trong xăng và nhiên liệu diesel có tới 80 đến 90% là an-kan và xy-clan.
Tỷ lệ các loại các-bua-hy-dro nêu trên phụ thuộc vào loại nhiên liệu cụ thể và quyết định tính chất lý hoá của nhiên liệu đó. Đánh giá về sự cháy của nhiên liệu Diesel Trong số các thông số vật lý có nhiệt độ tự cháy phần nào nói lên tính tự cháy của nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhiệt độ tự cháy xác định như trên chưa nêu lên bản chất của quá trình tự cháy trong động cơ diesel, đó là quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không khí trong buồng cháy động cơ tự cháy do nén. Vì thế, người ta còn sử dụng những thông số đặc trưng cho tính tự cháy của nhiên liệu diesel sau đây.
Tỷ số nén tới hạn 𝜺th Tỷ số nén tới hạn εth là tỷ số nén của một động cơ có kết cấu đặc biệt (có thể thay đổi được tỷ số nén) dùng làm động cơ thí nghiệm, làm việc ở một chế độ nhất định và có góc phun sớm 13° trước điểm chết trên (ĐCT), khi đó hỗn hợp bốc cháy đúng tại ĐCT. Một trong những loại động cơ thí nghiệm như vậy là động cơ BASF (CHLB Đức). Rõ ràng là εth càng nhỏ thì tính tự cháy của nhiên liệu càng cao. α-mê-tyl-naph-ta-lin 18 1.
Số xê-tan Số xê-tan Xe của nhiên liệu là phần trăm thể tích của xê-tan (C16H34 mạch thẳng) trong hỗn hợp với α-mê-tyl-naph-ta-lin (α-C10H7CH3, hình 1-5), hỗn hợp này có tỷ số nén tới hạn εth giống như εth của nhiên liệu. Theo định nghĩa trên, xê-tan có Xe = 100, còn α-mê-tyl-naph-ta-lin có số Xe = 0. Nhiên liệu diesel dùng trong thực tế có Xe = 35 ÷ 55. Số Xe càng lớn thì tính tự cháy càng cao.
Chỉ số diesel Chỉ số diesel D là một đại lượng qui ước xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức sau: 𝑫 (141,5 - 131.3) Trong đó: - γ là trọng lượng riêng (g/cm3) của nhiên liệu ở 15°C. - A là điểm a-ni-lin của nhiên liệu. Đó là nhiệt độ (°C) kết tủa của hỗn hợp nhiên liệu cần thí nghiệm và a-ni-lin (C6H5NH2,) có tỷ lệ 1:1. Nhiên liệu có D càng lớn thì tính tự cháy càng cao.
Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên liệu không tự cháy trước khi màng lửa từ bu-gi lan tràn tới. Tính chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu chất lượng của xăng và được đánh giá thông qua những thông số sau đây. Tỷ số nén có lợi Tỷ số nén có lợi εth là tỷ số nén lớn nhất cho phép về mặt kích nổ. Tỷ số nén có lợi εth được xác định trên động cơ đặc biệt (có thể thay đổi tỷ số nén) tương tự như tỷ số nén tới hạn εth đối với nhiên liệu diesel đã xét ở trên.
Số ốc-tan Số ốc-tan O của nhiên liệu là phần trăm thể tích của i-sô-ốc-tan C 8H18 (mạch nhánh, hình 1.2) với hép-tan C7H16 (mạch thẳng), hỗn hợp này có tỷ số nén có lợi bằng với tỷ số nén có lợi của nhiên liệu. 19 Theo định nghĩa trên, i-số-ốc tan có O = 100 và hép-tan có O = 0. Các loại xăng thông dụng có O = 80÷100. Nhiên liệu cho động cơ cường hoá, ví dụ như xe đua chẳng hạn, có thể có O >100.
Hiện nay chúng ta đang sử dụng các loại xăng không chì (hàm lượng chì khoáng nhỏ hơn 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 và 95 có số ốc-tan RON tương ứng là 90, 92 và 95. (RON - Research Octane Number, phân biệt với MON - Motor Octane Number. Thông thường MON nhỏ hơn RON 5÷10 đơn vị). Đối với mỗi loại nhiên liệu cụ thể nếu tính tự cháy càng cao thì tính chống kích nổ càng kém và ngược lại.
Quan hệ này được thể hiện qua công thức kinh nghiệm sau đây: O = 120 - 2 Xe (1. Phản ứng cháy của nhiên liệu và sản vật cháy Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu - không khí diễn ra trong buồng cháy bao gồm hàng loạt các phản ứng hoá học với các sản phẩm trung gian nối tiếp nhau rất phức tạp. Để đơn giản, chúng ta chỉ xét phản ứng cháy của các-bon và hy-drô trong nhiên liệu tạo ra sản phẩm cháy cuối cùng cho hai trường hợp là cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn. Nhiên liệu cháy hoàn toàn phản ứng cháy và lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu Các-bon và hy-drô trong nhiên liệu phản ứng cháy hoàn toàn với ô-xy theo các phản ứng sau: C+0₂ = CO₂ (1.6) Để tính lượng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (nl), ta sử dụng (3-5) và (3-6) cho hai trường hợp là LO (kg/kgnl) và MO(kmol/kgnl).
𝐋𝐨 Từ các phương trình (1) và (2), ta có thể viết: 12 kg cac-bon + 32 kg ô-xy→ 44 kg cac-bon-nic (1.7) 4 kg hy-drô + 32 kg ô-xy → 36 kg nước (1.8) 20 Theo công thức (1.2), trong 1 kg nhiên liệu có C kg các-bon, H kg hy-drô và O kg ô-xy.8) tính cho C kg các-bon và H kg hy-drô sẽ có dạng: C kg cac − bon + C kg ô − xy → C kg cac − bon − nic (1.9) H kg hy-drô + 8H kg ô-xy → 9H kg nước (1.10) Lượng ô-xy cần thiết Oo để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là tổng lượng ô- xy của (1.