Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng Chương NHIÊN LIỆU I YÊU CẦU ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Trong chu trình làm việc thực tế, môi chất công tác động khí thực có tính chất hoá lý biến thiên suốt chu trình, bao gồm: không khí, nhiên liệu sản vật cháy Công suất, hiệu suất, độ tin cậy tuổi thọ động làm việc phụ thuộc nhiều vào tính chất nhiên liệu chất lượng hình thành hoà khí động Đối với động đốt trong, người ta sử dụng nhiên liệu dễ hoà trộn với không khí tạo thành hoà khí, sản vật cháy tro, tro làm tăng độ mài mòn xylanh, piston xecmăng Do tính chất nên động đốt dùng loại nhiên liệu thể khí thể lỏng với yêu cầu cháy không tạo tro Nhiên liệu thể rắn sử dụng cho động đốt hoá lỏng khí hoá II CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Nhiên liệu sử dụng cho động đốt chủ yếu có dạng: nhiên liệu thể lỏng nhiên liệu thể khí Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động đốt chủ yếu sản phẩm tạo từ dầu mỏ (xăng, Diesel) loại có ưu điểm nhiệt trị lớn, tro sản vật cháy, dễ vận chuyển bảo quản Mỗi loại nhiên liệu lỏng kể hỗn hợp nhiều loại hydrocacbon có cấu tạo hoá học khác Chính cấu tạo khác gây ảnh hưởng lớn đến trình bay hơi, tạo hoà khí bốc cháy nhiên liệu động Nhiên liệu thể khí dùng cho động đốt gồm có: khí thiên nhiên (sản phẩm mỏ khí), khí công nghiệp (sản phẩm tạo trình tinh luyện dầu mỏ, khí lò cao) khí lò ga (khí hoá nhiên liệu thể rắn lò ga) II.1 X ng Xăng sử dụng cho động đốt loại nhiên liệu sử dụng phổ biến đời sống sản xuất Nó dùng làm nhiên liệu cho nhiều loại xe ôtô, xe gắn máy động xăng tónh Để sử dụng xăng hiệu quả, tiết kiệm kéo dài tuổi thọ động cơ, cần phân biệt chủng loại, nhãn hiệu nắm vững yêu cầu kỹ thuật loại xăng II.1.1 Phân loại xăng Để phân biệt loại xăng thương phẩm dùng cho động đốt trong, người ta phân loại chúng theo trị số octan Dưới xem xét cụ thể phân loại, nhãn hiệu quy cách số loại xăng ôtô sử dụng nước ta chủng loại xăng nước khu vực Trên thị trường giới, xăng dùng cho động phân làm loại: xăng thường, xăng cao cấp xăng đặc biệt 1) Xăng thường Xăng thường xăng có RON (Research Octane Number – số Octan nghiên cứu) từ 92 trở xuống, sử dụng cho động xe ôtô tải, xe gắn máy có tỷ số nén từ ÷ 8,5 Loại xăng phân biệt thành nhóm sản xuất theo tiêu chuẩn khác khu vực 106 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng - Xăng thường có RON 90 ÷ 92 sản xuất chủ yếu từ đầu thập niên 70 trở lại nước công nghiệp phát triển Mỹ, Canada, Tây âu (Pháp, Đức, Anh, Hà Lan, Bỉ, ) Nhật Bản nhằm thay cho loại xăng thường có trị số octan thấp (RON = 80 ÷ 86) - Xăng thường có RON 80 ÷ 86 sản xuất sử dụng cộng đồng quốc gia độc lập SNG (Liên Xô cũ), nước Đông Âu (BaLan, Hungary, Rumani, Bungari, ), nước Châu Á Trung Quốc, Singapore, Thái Lan, Ấn Độ, Đài Loan, Malaisia, Indonesia, Philippin, nước Mỹ La Tinh Úc Ở nước ta sử dụng loại xăng thường có RON 80 ÷ 86 2) Xăng cao cấp Xăng cao cấp loại xăng có trị số RON từ 83 ÷ 100 sử dụng thích hợp cho tất loại xe gắn máy ôtô du lịch có tỷ số nén từ 8,8 ÷ 10 Tuỳ thuộc khu vực mà xăng cao cấp chia thành nhóm: - Xăng cao cấp có RON từ 98 ÷ 100 sản xuất nước công nghiệp phát triển (Mỹ, Tây Âu, Nhật Bản, ) chủ yếu từ năm 70 trở lại - Xăng cao cấp RON 93 ÷ 98 sản xuất nước SNG, Đông Âu, Châu Á, Châu Phi Mỹ La Tinh Các nước công nghiệp phát triển trước sản xuất loại xăng này, sau thập niên 70 chuyển sang loại xăng RON 98 ÷ 100 3) Xăng đặc biệt - Xăng có trị số RON 101 ÷ 103, dùng cho loại động tỷ số nén 10 Ở nước ta (theo TCVN 5690 – 1998) dựa trị số octan, xăng phân thành loại: xăng thường, xăng chất lượng cao xăng đặt biệt - Xăng thường: có trị số octan xác định theo phương pháp nghiên cứu không nhỏ 83 - Xăng chất lượng cao: có trị số octan theo phương pháp nghiên cứu không nhỏ 92 - Xăng dặc biệt: có trị số octan theo phương pháp nghiên cứu không nhỏ 97 II.1.2 Các tiêu chất lượng xăng Để bảo đảm cho động hoạt động bình thường, xăng phải đạt yêu cầu chất lượng đây: - Có độ bay thích hợp để động dễ khởi động làm việc ổn định, không tạo tượng nghẽn hơi, đặc biệt vào mùa hè nhiệt độ môi trường cao - Có tính chống kích nổ cao, bảo đảm cho động làm việc bình thường phụ tải lớn - Có tính ổn định hoá học tốt, không tạo hợp chất keo bình chứa, cháy không để lại nhiều muội than buồng đốt không làm ăn mòn chi tiết động - Không bị đông đặc nhiệt độ hạ thấp, không hút nước không tạo tinh thể nước đá gặp lạnh II.1.3 Xăng pha chì xăng không pha chì Vào năm 1923, song song với việc cải tiến động cơ, thiết kế mẫu xe mới, General Motor bắt đầu sản xuất “tetra-ethyl chì” thương mại làm giải pháp cho tượng kích nổ Đến năm 1924 loạt công ty hoá chất tham gia vào việc sản xuất, từ sản lượng “tetra-ethyl chì” không ngừng tăng thời gian ngắn sau tất loại xăng giới pha 107 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng “tetra-ethyl chì” Điều đồng nghóa với lợi nhuận khổng lồ thu cho tập đoàn sản xuất xe ô tô lớn Mỹ “General Motor” Sự phát triển ngành công nghiệp ô tô gắn liền với “tetra-ethyl chì” suốt thời gian dài Nhưng, bao hoá chất thông dụng khác, bên cạnh tính vượt trội, “tetra-ethyl chì” bắt đầu có ảnh hưởng đến sức khoẻ người diện rộng Không phải đến tận có số liệu thống kê số người bị chết, bị thương hít phải nhiều khí thải từ xăng pha chì người ta biết đến tính chất độc hại Ngay từ năm 1925, hội thảo “tetra-ethyl chì” Cục sức khoẻ cộng đồng Mỹ tổ chức, có người gọi “tetra-ethyl chì” thủ phạm giết người Đến năm 1975, Mỹ thức phê chuẩn định cắt giảm hàm lượng “tetra-ethyl chì” có xăng, đến năm 1986 cấm hoàn toàn việc sản suất sử dụng xăng pha chì Ở châu Âu, xăng pha chì cấm sử dụng vào năm 1990 Còn Việt Nam, ngày 01/11/2001, Thủ tướng phủ định cấm sử dụng xăng pha chì phạm vi toàn quốc Quyết định khai trừ “tetra-ethyl chì” có xăng định sáng suốt nhằm bảo sức khoẻ cho nhân loại toàn cầu Bảng 7.1 giới thiệu tiêu xăng ô tô, dùng số octan để ký hiệu cho loại xăng chữ M Bảng 7.1 Các tiêu xăng ô tô Hạng mục Chỉ tiêu chất lượng 70/M 74/M 76/M 80/M 85/M 66 Số octan 66/M 70 74 76 80 85 o Điểm chưng cất ( C) - 10%, không 79 79 70 75 75 75 - 50%, không 145 145 105 120 120 120 - 90%, không 195 195 165 180 180 180 - Điểm khô, không 205 205 180 195 195 195 Tổn thất (%) 4,5 4,5 2,5 3,5 3,5 3,5 Lượng vật sót (%) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Áp suất bảo hoà (mmHg), không 500 500 500 500 500 500 Thành phần keo (mg/100ml), không 7 10 10 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 3 0,15 3 Lưu huỳnh S (%), không Độ axít (mgKOH/100ml), không II.2 Dầu Diesel Nhiên liệu Diesel dùng động Diesel mà dùng tuabin khí, động tàu thủy Thành phần chủ yếu nhiên liệu hợp chất hydrocacbon có phân đoạn chưng cất chưng cất từ dầu thô Như chất hóa học, nhiên liệu Diesel có thành phần hydrocacbon trái ngược với thành phần xăng Chính khác này, dẫn đến khác nguyên lý làm việc động xăng động Diesel Vì nguyên nhân đó, công tác vận chuyển, bảo quản cần tránh không để hai loại nhiên liệu lẫn vào Sự trộn lẫn hai loại nhiên liệu vào dẫn tới hoạt động không bình thường hai loại động Ngoài nhiên liệu Diesel có chứa số phụ gia nhằm cải thiện phần chất 108 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng lượng nhiên liệu phụ gia cải thiện trị số xêtan, phụ gia chống đông, II.2.1 Phân loại dầu Diesel Dựa theo tốc độ động trị số xêtan nhiên liệu, có hai nhóm nhiên liệu Diesel thương phẩm nay: 1) Nhóm 1: Nhiên liệu Diesel dùng cho động cao tốc, phân thành hai loại nhiên liệu: - Loại thường: có số xêtan 52 phạm vi độ sôi rộng 175 ÷ 345oC, thường sản xuất cách pha trộn theo tỷ lệ hợp lý phân đoạn dây chuyền chế biến Nhiên liệu dùng cho động cao tốc, chất lượng loại cao cấp - Loại cao cấp: có số xêtan 50 phạm vi độ sôi 180 ÷ 320oC, dùng cho động tốc độ cao loại xe buýt, xe ô tô xe tải Loại thường sản xuất từ phân đoạn chưng cất trực tiếp 2) Nhóm 2: Nhiên liệu Diesel cho động tốc độ thấp Nhiên liệu Diesel nhóm đòi hỏi có tiêu chuẩn chất lượng tương tự nhiên liệu cho động cao tốc, nhiên số xêtan chúng hơn, 40 ÷ 45, độ bay thấp điểm sôi cuối cao (360 ÷ 370oC) Theo TCVN 5689 – 1997, dựa vào hàm lượng lưu huỳnh phân chia nhiên liệu Diesel thành hai loại sau: - Nhiên liệu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh không lớn 0,5% khối lượng, ký hiệu DO 5,5% S - Nhiên liệu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh lớn từ 0,5 đến 1,0% khối lượng, ký hiệu DO 1% S II.2.2 Các tiêu chất lượng nhiên liệu Diesel Để động Diesel hoạt động ổn định, đòi hỏi nhiên liệu Diesel phải đảm bảo tiêu chất lượng sau: - Tính cháy nhiên liệu Diesel phải phù hợp, đặc điểm biểu thị khả tự cháy thông qua tiêu chất lượng trị số xêtan - Độ bay hợp lý, tính bay nhiên liệu Diesel ảnh hưởng lớn đến chất lượng hỗn hợp - Tính lưu chuyển tốt điều kiện thời tiết, tính chất quan trọng động Diesel làm việc vùng có nhiệt độ môi trường thấp Chất lượng đánh giá qua tiêu độ nhớt nhiệt độ đông đặc - Không gây tượng oxy hoá ăn mòn bề mặt chi tiết động - Bảo đảm tính an toàn cháy nổ vận chuyển, lưu trữ vận hành động Chỉ tiêu chất lượng loại nhiên liệu Diesel thể bảng 7.2, người ta lấy nhiệt độ kết tủa làm số hiệu cho nhiên liệu Diesel 109 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng Bảng 7.2 Các tiêu nhiên liệu Diesel Chỉ tiêu chất lượng Nhiên liệu Diesel nhẹ Hạng mục Diesel chưng cất Số 10 Số -10 Số -20 Số -30 50 Số xêtan không thấ p Số 50 50 45 43 55 Điểm chưng cất - 50%, không 300 300 300 300 300 290 - 90%, không 355 355 350 350 350 - 95%, không 365 365 350 o Độ nhớt (20 C) - Tương đối (oE) 1,2 ÷ 1,67 1,2 ÷ 1,67 1,2 ÷ 1,67 1,15 ÷ 1,67 1,15 ÷ 1,67 - Vận động (milipoa) 3,0 ÷ 8,0 3,0 ÷ 8,0 3,0 ÷ 8,0 2,5 ÷ 8,0 2,5 ÷ 7,0 3,5 ÷ 8,0 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,3 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,03 Điểm bắt lửa (%), không nhỏ 65 65 65 65 50 60 Độ axít (mgKOH/100ml), không 10 10 10 10 10 Điểm kết tủa (oC), không +10 -10 -20 -35 -10 Lượng keo (mg/100ml), không 70 70 70 70 70 Hàm lượng S (%), không 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Lượng vật sót (%), không Bụi (%), không 0,2 II.3 Các loại nhiên liệu khí Nhiên liệu khí (gas) dùng động đốt bao gồm khí thiên nhiên lấy từ mỏ khí; khí công nghiệp lấy từ việc tinh luyện dầu mỏ, từ lò luyện cốc lò cao; khí lò ga lấy từ việc khí hoá nhiên liệu rắn thiết bị đặc biệt Bất kỳ loại nhiên liệu thể khí hỗn hợp học nhiều loại khí cháy khí trơ khác Thành phần chủ yếu nhiên liệu thể khí gồm: cacbonmonoxít (CO), metan (CH4), loại hydrocacbon (CnHm), cacbondioxít (CO2), hro (H2), hydrosunfur (H2S) thứ khí trơ mà chủ yếu nitơ (N2) với tỷ lệ khác Nói chung biểu thị công thức hoá học chất thành phần có nhiên liệu thể khí có chứa cacbon (C )và hydro (H) oxy (O) dạng: CnHmOr (trong đó: n = ÷ 5, m = ÷ 12, r = ÷ 2) Nếu hàm lượng chất thành phần kmol (hoặc m3) nhiên liệu thể khí biểu thị theo phần trăm thể tích ký hiệu chất thành phần công thức hoá học chúng thành phần nhiên liệu thể khí xác định theo công thức sau: ∑ C n H m O r + N = 1kmol (1 m3 tiêu chuẩn) Nếu vào nhiệt trị thấp nhiên liệu thể khí chia làm ba loại: 1) Nhiên liệu có nhiệt trị lớn Loại bao gồm khí thiên nhiên khí thu khai thác tinh luyên dầu mỏ hay khí nhân tạo (qua cracking), thành phần chủ yếu loại khí mêtan (CH4) chiếm từ 30 ÷ 99%, lại hrocacbon khác Có Qm > 23 MJ/m3 (với Qm nhiệt trị m3 nhiên liệu khí) 110 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng 2) Nhiên liệu khí có nhiệt trị trung bình QH = 16 ÷ 23 MJ/m3 Loại bao gồm loại khí thu từ luyện cốc, thành phần chủ yếu H2 (chiếm khoảng 40 ÷ 60%), lại CH4 CO 3) Nhiên liệu khí có nhiệt trị nhỏ QH = ÷ 16 MJ/m3 Loại bao gồm khí lò cao khí lò ga Thành phần chủ yếu CO H2 chiếm khoảng 40%, lại loại khí trơ N2 CO2 Căn vào tính chất, phương pháp chưng cất lưu trữ có loại sau: II.3.1 Khí dầu mỏ hoá lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas) Thành phần chủ yếu khí hoá lỏng hỗn hợp propan (và butan (C4H10), thu từ khí đồng hành khai thác dầu mỏ nhà máy lọc dầu, chế biến từ dầu mỏ có thành phần hỗn hợp sau.: - Hơi butan (C4H10) 89% - % hôi butylen (C4H8) - 2% hôi iso-pentan (C5H12) Các loại bốc trình khai thác dầu mỏ chưng cất dầu thô, người ta biến thành thể lỏng để lưu trữ có thành phần chủ yếu propan butan theo tỷ lệ khác Tuỳ theo nhu cầu sử dụng tính làm việc mà thành phần tỉ lệ theo thể tích (propan : butan) khác nhau, chúng (50 : 50) (60 : 40) hay (70 : 30) Thành phần khí đốt hoá lỏng: khí đốt hoá lỏng mà sử dụng có thành phần chủ yếu (propan : butan) theo thể tích (50 : 50) Đối với nhiên liệu khí dùng cho động đốt tỉ lệ propan butan không ảnh hưởng nhiều đến tính làm việc động cơ, nhiên hàm lượng propan lớn butan trình bốc nhiên liệu nhanh hơn, động làm việc nồng độ CO không khí thải lượng cacbon propan nhỏ butan ngược lại Đặc tính khí đốt hoá lỏng 1) Tính hoá lý Không màu, không mùi, tạo mùi để dễ phát bị rò rỉ Tỉ trọng khí hoá lỏng nhẹ nước: 0,54 ÷ 0,56 kg/lít Nhiệt độ lửa cao: Butan = 1.900oC Propan = 1.935oC Tỉ lệ hoá khí hoá lỏng không khí thể tích tăng lên 250 lần Là loại chất đốt hàm lượng lưu huỳnh gần không đáng kể (< 0,02%) không chứa chất độc khác chì, hydrocacbon (chứa sản vật cháy độc CO) đặc tính cháy hết nên không tạo muội than, khói, khí CO 111 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng Là loại khí có khả hoá lỏng áp suất không cao (từ ÷ 14 kg/cm2), nhờ 5.000 lít hoá lỏng chứa bình chứa khoảng 20 lít, thuận tiện việc chuyên chở Thông thường bình chứa gas lỏng tối đa khoảng từ 80 ÷ 85%, lại từ 15 ÷ 20 % cho phần giãn nở nhiệt độ tăng Do LPG có hai trạng thái lỏng nên bình chứa khí dùng ô tô lắp đặt van tiêu thụ, van dẫn hoá lỏng, van dẫn khí hoá lỏng 2) Tính độc hại LPG không độc hại, nhiên không nên hít vào với lượng lớn làm say hay bị ngạt thở không nên nơi có đầy LPG nguy hiểm tính dễ cháy gây ngạt thiếu oxy II.3.2 Khí thiên nhiên NGV (Natural Gas Vehicle) Nhiên liệu khí dùng động đốt lấy từ mỏ khí Bất kỳ loại khí thiên nhiên chứa hợp có nhiên liệu khí cháy khí trơ khác Thành phần khí thiên nhiên bao gồm:CO, CH4, CnHm, CO2, H2S, Căn vào phương pháp lưu trữ khí, khí thiên nhiên chia làm ba loại 1) Khí nén CNG (Compress Natural Gas) Đây loại khí lấy từ mỏ dầu hay khí từ thiên nhiên Khí nén CNG nén vào bồn chứa với áp suất cao khoảng 250 bar, máy nén khí Máy nén khí lấy từ đường ống hay từ trạm điều áp, nén với áp suất yêu cầu bồn chứa Việc sử dụng bồn chứa khí nén giống việc dùng bình chứa khí nén xe, bình chứa khí nén có dung tích 40 ÷ 50 lít, có từ 12 ÷ 15 kg khí nén áp suất 250 bar 2) Khí hoá lỏng LNG (Liquefied Natural Gas) Đây khí thiên nhiên dạng lỏng, khí thiên nhiên làm lạnh tới mức âm 161oC Nó trở thành dạng lỏng suốt không mùi LNG không độc chất ăn mòn kim loại Thành phần LNG mêtan có thêm số hợp chất hoá học khác nước, cacbondioxít, nitơ, oxy số hợp chất lưu huỳnh Trong suốt trình hoá lỏng, khí LNG lạnh điểm sôi loại bỏ bớt hợp chất Khí lại chủ yếu mêtan khí hrô LNG nặng nửa trọng lượng nước nên điều lên nước Khí hoá lỏng nạp vào bồn chứa với áp suất khoảng 8,9 bar, với dung tích lưu trữ từ 1.420 ÷ 4.500 lít, bồn chứa lớn thiết kế vách đôi với chất cách nhiệt với môi trường bên 3) Khí hấp thụ ANG (Air Natural Gas) Khí hấp thụ khí thiên nhiên lưu trữ hoàn toàn ống mao dẫn cacbon hoạt tính Áp suất lưu trữ cho khí hấp thụ từ ÷ MPa thấp so với áp suất khí nén III CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHIÊN LIỆU DÙNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG III.1 Nhiệt trị nhiên liệu Nhiệt trị nhiên liệu nhiệt lượng thu đốt cháy hoàn toàn 1kg (hoặc 1m3) nhiên liệu điều kiện tiêu chuẩn (P = 760 mmHg t = 0oC) 112 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng Để xác định nhiệt trị, người ta đốt nhiên liệu nhiệt độ môi trường, nhiệt lượng sinh nhiên liệu bốc cháy nước hấp thu làm lạnh sản vật cháy tới nhiệt độ môi trường trước đốt Sau dựa vào lượng nhiệt tiêu hao, lưu lượng mức tăng nhiệt độ nước tính nhiệt trị nhiên liệu Tuỳ theo điều kiện cấp nhiệt môi chất chu trình công tác động cơ, nhiên liệu có loại nhiệt trị sau: III.1.1 Nhiệt trị đẳng áp (Qp) Nhiệt trị đẳng áp (Qp) nhiệt lượng thu sau đốt cháy hoàn toàn kg (hoặc m3) nhiên liệu điều kiện áp suất môi chất trước sau đốt III.1.2 Nhiệt trị đẳng tích (Qv) Nhiệt trị đẳng tích (Qv) nhiệt lượng thu sau đốt cháy hoàn toàn kg (hoặc m3) nhiên liệu điều kiện thể tích môi chất trước sau đốt Nhiệt trị đẳng áp nhiệt trị đẳng tích quan hệ với qua biểu thức: Qv = Qp + pt.(Vs – Vt), (J/m3) Trong đó: (7.1) pt (N/m ) – áp suất môi chất trước cháy Vt, Vs (m3) – thể tích hoà khí trước cháy sản vật cháy (đã quy áp suất pt nhiệt độ to trước cháy III.1.3 Nhiệt trị cao (Qc) Nhiệt trị cao (Qc) toàn nhiệt lượng thu sau đốt cháy hoàn toàn kg (hoặc m3) nhiên liệu, có nhiệt lượng nước sản vật cháy ngưng tụ thành nước nhả ra, sau sản vật cháy làm lạnh tới nhiệt độ trước cháy (còn gọi nhiệt ẩn nước) III.1.4 Nhiệt trị thấp (Qt) Trên thực tế, động đốt cháy hỗn hợp, sản vật cháy thải với nhiệt độ cao trình thải nước khí xả chưa kịp ngưng tụ thành nước bị thải Vì vậy, chu trình làm việc động không dùng lượng nhiệt ẩn để sinh công Do đó, tính toán chu trình làm việc động cơ, người ta dùng nhiệt trị thấp Qt, nhỏ Qc lượng vừa nhiệt ẩn hoá nước tạo cháy Nhiệt trị cao Qc nhiệt trị thấp nhiên liệu lỏng nhiên liệu khí xác định qua biểu thức sau: - Nhiên liệu lỏng: (nhiệt trị kg) Qtk = Qck – 2,512.(9h + w), (MJ/kg) Trong đó: (7.2) Qtk – nhiệt trị thấp nhiên liệu lỏng Qck – nhiệt trị cao nhiên liệu lỏng h – thành phần khối lượng hydro nhiên liệu w – thành phần khối lượng nước nhiên liệu 2,512 MJ/kg – nhiệt ẩn kg nước - Nhiên liệu khí: (nhiệt trị m3 tiêu chuẩn) 113 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Traïng  18  m Q tm = Q cm − 2,512. ∑ C n H m O r  , (MJ/m3)  22,4  Trong đó: (7.3) 18 – phân tử lượng nước 22,4 (m3) – thể tích phân tử nước điều kiện tiêu chuẩn m – thể tích nước đốt m.h kg khí hydro Qtm – nhiệt trị thấp nhiên liệu khí Qcm – nhiệt trị thấp nhiên liệu khí Nhiệt trị thấp nhiên liệu lỏng nhiêu liệu khí tính gần theo công thức Menđêlêép sau đây, biết thành phần khối lượng nhiên liệu lỏng thành phần thể tích nhiên liệu khí - Nhiên liệu lỏng: Qtk = 33,915C + 126,0.h – 10,89(Onl – s) – 2,512(9h + w), (MJ/kg) - (7.4) Nhiên liệu khí: Qtm = (12,8CO + 10,8 H2 + 35,8CH4 + 56,0C2H2 + 59,5C2H4 + 63,4C2H6 + 91C3H8 + 120C4H10 + 144C5H12), (J/m3) (7.5) Treân (bảng 7.3) cho giá trị nhiệt trị thấp loại nhiên liệu lỏng khí Thành phần khối lượng Loại nhiên liệu Phân tử lượng, µnl Nhiệt trị thấp, Qt (MJ/kg) c h Onl Xăng máy bay 0,853 0,147 95 – 100 44,17 Xăng ô tô 0,855 0,145 110 – 120 43,96 Xăng thô 0,860 0,14 130 – 140 43,55 Dầu hoả máy kéo 0,860 0,137 0,003 160 – 180 43,13 Nhiên liệu Diesel nhẹ 0,870 0,126 0,004 170 – 200 42,5 Nhiên liệu Diesel nặng 0,870 0,125 0,005 220 – 280 41,87 Cồn 94o (nước 6%) 0,49 0,123 0,327 42 25,12 Pentan 0,833 0,167 72 45,43 OÂctan 0,841 0,159 114 Ghi 44,68 Khí thiên nhiên: - mỏ khí - khí bùn ao 34,8 – 35,6 30,15 Khí công nghiệp: - khí dầu mỏ - Cracking nhiên liệu lỏng - Cracking nhiên liệu khí - Luyện cốc - Lò cao (luyện gang) 41,3 – 68,12 62,91 57,25 16,748 3,977 Nhiên liệu lỏng Khí lò ga: - Than bùn - Củi Nhiên liệu khí 6,415 4,681 114 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng III.2 Nhiệt độ bén lửa nhiệt độ tự bốc cháy III.2.1 Nhiệt độ bén lửa Nhiệt độ bén lửa nhiệt độ thấp để hoà khí bén lửa Nhiệt độ bén lửa phản ánh số lượng thành phần chưng cất nhẹ nhiên liệu, dùng làm tiêu phòng hoả nhiên liệu dùng tàu thuỷ Để tránh cho nhiên liệu bén lửa điều kiện sử dụng, nhiệt độ bén lửa nhiên liệu dùng tàu thuỷ không thấp 65oC III.2.2 Nhiệt độ tự bốc cháy Nhiệt độ tự bốc cháy nhiệt độ thấp để hoà khí tự bốc cháy mà không cần nguồn nhiệt để châm cháy Nhiệt độ tự cháy hoà khí phụ thuộc vào loại nhiên liệu Thông thường phân tử lượng lớn nhiệt độ tự cháy nhỏ ngược lại Ngoài ra, nhiệt độ tự cháy nhiên liệu phụ thuộc vào khối lượng riêng (tỷ trọng) hoà khí Khối lượng riêng hoà khí lớn nhiệt độ tự cháy thấp ngược lại, số lần va đập phân tử tham gia phản ứng đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với mật độ III.3 Tính chống kích nổ nhiên liệu dùng cho động đánh lửa cưỡng Quá trình cháy động đốt hình thành hoà khí bên ngoài, đốt cháy cưỡng tia lửa điện tia lửa điện phóng qua hai điện cực buogie, từ màng lửa hình thành lan truyền khắp buồng cháy để đốt hết hoà khí buồng cháy Nếu cháy quy luật bình thường, tốc độ lan truyền màng lửa khoảng 20 ÷ 40 m/s Khi xảy kích nổ tốc độ lan truyền màng lửa đạt 1.500 ÷ 2.000 m/s, số hoà khí xa điện cực bougie bị dồn ép làm tăng nhanh áp suất nhiệt độ khiến tự bốc cháy màng lửa chưa kịp lan tới Hiện tượng kích nổ phát sinh sóng kích nổ với cường độ lớn gây tiếng gõ kim loại nhiệt độ cao (có khu vực tới 4.000oC) gây tác hại nghiêm trọng đến động Chính người ta tìm biện pháp để tránh xảy kích nổ, trước tiên giải pháp nhiên liệu Kích nổ liên quan mật thiết đến tính tự cháy nhiên liệu, nhiên liệu khó tự cháy tượng kích nổ khó xảy Tính chống kích nổ nhiên liệu đánh giá tỷ số nén có lợi Khi thực nghiệm người ta tăng dần tỷ số nén xảy kích nổ tìm tỷ số nén có lợi nhiên liệu cần khảo nghiệm Nhiên liệu có tỷ số nén có lợi lớn tính chống kích nổ cao Trên thực tế, người ta dùng số octan để đánh giá tính chống kích nổ nhiên liệu Bản chất việc xác định số octan việc so sánh nhiên liệu khảo nghiệm với nhiên liệu mẫu, động làm việc điều kiện quy định cách chặt chẽ Nhiên liệu mẫu bao gồm hai thành phần: izôoctan (2, 2, - izôoctan C8H18) heptan (C7H16) có tính chất lý hoá tương tự khác tính chống kích nổ (tính tự cháy) Khả chống kích nổ izôoctan 100 đơn vị, heptan chình đơn vị Khi hoà trộn hai thành phần theo tỷ lệ thể tích khác hỗn hợp nhiên liệu mẫu với số octan thay đổi từ đến 100 đơn vị H 2, 2, – izôoctan (các số 2, 2, – rõ thứ tự H H C H H H H cacbon mạch nhánh) H C C C C C H Công thức CH3C(CH3)2CH2CHCH3CH3 H H C H H H C H H H H 115 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng Như vậy, số octan tiêu đánh giá tính chống kích nổ nhiên liệu Giá trị số octan số phần trăm (theo thành phần thể tích) hàm lượng izôoctan có hỗn hợp nhiên liệu mẫu với chất heptan Nếu tính chống kích nổ nhiên liệu thí nghiệm lớn so với izôoctan nhiên liệu mẫu dùng so sánh hỗn hợp izôoctan với têtraêtyl chì PbC2H5 với dung dịch êtyl Người ta pha têtraêtyl chì vào nhiên liệu để làm tăng khả chống kích nổ nhiên liệu Khi số octan nhiên liệu mẫu phụ thuộc vào hàm lượng PbC2H5 kg izôoctan III.4 Tính tự cháy nhiên liệu dùng cho động Diesel Tính tự cháy nhiên liệu Diesel tiêu quan trọng nhiên liệu Trong động Diesel, nhiên liệu phun vào buồng cháy cuối trình nén, nhiên liệu không cháy mà phải có thời gian chuẩn bị để làm thay đổi tính chất hoá lý bốc cháy Thời gian tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu đến hoà khí bốc cháy gọi thời kỳ cháy trễ đo góc quay trục khuỷu hay thời gian τ Vì giá trị τ lớn hay nhỏ thể tính tự cháy dễ hay khó xảy nhiên liệu Diesel buồng cháy động Trên thực tế, người ta dùng tiêu sau để đánh giá tính tự cháy nhiên liệu Diesel 1) Tỷ số nén tới hạn εth Tỷ số nén tới hạn xác định động thử nghiệm thay đổi tỷ số nén tuân theo điều kiện thí nghiệm cách chặt chẽ Cho động hoạt động nhiên liệu cần thử nghiệm, thay đổi tỷ số nén ε cho thời kỳ cháy trễ đạt 130 góc quay trục khuỷu Tỷ số nén thu điều kiện tỷ số nén tới hạn εth Kết thí nghiệm rút được, nhiên liệu có tỷ số nén tới hạn thấp nhiên liệu có tính tự cháy cao 2) Số xêtan Số xêtan nhiên liệu Diesel số phần trăm thể tích chất xêtan (C16H34) có hỗn hợp nhiên liệu mẫu, hỗn hợp có tính tự cháy bên động thử nghiệm vừa tính tự cháy nhiên liệu cần thử nghiệm với điều kiện thử nghiệm quy định cách chặt chẽ Nhiên liệu mẫu tạo thành hỗn hợp hai hydrocacbon: chất xêtan (C16H34) chất – mêtylnaptalin ( – C10H7CH3) với tính tự cháy khác Tính tự cháy xêtan 100 đơn vị, – mêtylnaptalin đơn vị Pha trộn hai chất theo tỷ lệ thể tích khác nhau, ta nhiên liệu mẫu có tính tự cháy thay đổi từ đến 100 Hiện nay, để đánh giá tính tự cháy nhiên liệu Diesel người ta thường dùng số xêtan Nhiên liệu có số xêtan cao nhiên liệu có tính tự cháy cao IV PHẢN ỨNG CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU VÀ HỆ SỐ DƯ LƯNG KHÔNG KHÍ IV.1 Phản ứng cháy nhiên liệu Hoà khí dùng cho động đốt có hai thành phần: nhiên liệu không khí Muốn xác định lượng hoà khí kg nhiên liệu, trước tiên phải biết lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn số nhiên liệu 116 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng Bản chất trình cháy động trình xảy phản ứng ôxy hoá hợp chất có nhiên liệu kèm theo điều kiện toả nhiệt sản vật cháy Khi trình cháy hình thành, có phản ứng hoá học sau: Khi đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu lỏng, thành phần c C h H2 chuyển thành CO2 H2O theo phương trình sau: C + O2 = CO2 + Q1 H2 + O2 = H2O(theå nước thể hơi) + Q2 (7.6) Nếu kg nhiên liệu lỏng có: c kg C, h kg H2 Onl kg O2 phương trình 7.6 tương đương với 12kg C + 32kg O2 = 44kg CO2 2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O Từ ñoù ta coù: ckg C + 11 ckg O2 = ckg CO2 3 (7.7) hkg H2 + 8hkg O2 = 9hkg H2O Nếu tính số lượng O2, CO2 H2O theo đơn vị kmol được: c c kmol C + kmol O2 = kmol CO2 12 12 12 h h h kmol H2 + kmol O2 = kmol H2O (7.8) Goïi O’o – lượng oxy cần thiết để đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu lỏng, (kg/kg nhiên liệu) liệu) Oo – lượng oxy cần thiết để đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu lỏng, (kmol/kg nhiên Từ phương trình 7.7 7.8 ta có: O’o = Oo = c + 8h – Onl, (kg/kg nhiên liệu) c h O nl + , (kmol/kg nhiên liệu) 12 32 Lượng oxy dùng để đốt nhiên liệu buồng cháy động lượng oxy không khí Không khí gồm hai thành phần O2 N2 Tính theo thành phần khối lượng không khí khô, oxy chiếm 23,2% Tính theo thành phần thể tích oxy chiếm 21% Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu lỏng Lo (kg/kg nhiên liệu) Mo (kmol/kg nhiên liệu) Lo = O' o 8  =  c + 8h − O nl  , (kg không khí/kg nhiên liệu) 0,232 0,232   Oo  c h O nl  Mo = =  + −  , (kmol không khí/kg nhiên liệu) 0,21 0,21  12 32  (7.9) 117 Giáo trình Động đốt Biên soạn: ThS Nguyễn Văn Trạng IV.2 Hệ số dư lượng không khí Nếu lượng không khí thực tế đưa vào động để đốt cháy kg nhiên liệu lỏng M (kmol/kg nhiên liệu L (kg/kg nhiên liệu ) hệ số dư lượng không khí xác định qua biểu thức sau: α= M L = M o Lo IV.2.1 Sản vật cháy (7.10) >1 Khi > 1, có nghóa lượng không khí thực tế vào xylanh động nhiều lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn kg nhiên liệu lỏng Trong trường hợp phản ứng cháy xảy hoàn toàn sản vật cháy bao gồm thành phần sau: CO2, nước H2O, oxy dư O2 N2 (chứa không khí vào động cơ) Sản vật cháy kg nhiên liệu M2, tính: M2 = M CO2 + M H 2O + M O + M N = = αM o + c h + + αM o − 0,21M o 12 h O nl + , (kmol/kg nhiên liệu) 32 IV.2.1 Sản vật cháy (7.11)