Bài giảng nhiên liệu và môi chất cộng tác của động cơ đốt trong

Chương III
NHIÊN LIỆU VÀ MÔI CHẤT CÔNG
TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
. Nhận xét chung
. Nhiên liệu thể khí
. Nhiên liệu thể lỏng
. Những tính chất của nhiên liệu
. Sự cháy của nhiên liệu trong ĐCĐT
. Hòa khí mới và sản vật cháy
. Tỷ nhiệt ( nhiệt dung riêng) của môi chất
Nhn xột chung
- Mụi cht cụng tỏc gm cú cht oxy - hoỏ, nhiờn liu v sn vt chỏy ca
nhiờn liu
- Mụi cht cụng tỏc luụn thay i v tớnh cht lý hoỏ khi thc hin mt chu
trỡnh cụng tỏc ca ng c
- hnh trỡnh np, tu thuc vo loi ng c m ngi ta a vo xylanh
khụng khớ hoc hn hp khớ mi (khớ np mi)
- hnh trỡnh nộn, mụi cht cụng tỏc gi l khớ hn hp cụng tỏc, ú l
hn hp gia khụng khớ hoc hn hp khớ mi vi khớ sút
- hnh trỡnh gión n v thi, mụi cht cụng tỏc c gi l sn phm
chỏy ca nhiờn liu
- Nhit nng cn thit chuyn thnh cụng c gii l do kt qu ca cỏc
phn ng hoỏ hc gia nhiờn liu a vo xylanh vi oxy ca khụng khớ
- Nhiên liệu là thành phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh
h ởng quyết định đến kết cấu cũng nh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của
động cơ. Động cơ đốt trong thông th ờng sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí
và nhiên liệu lỏng.
Nhiờn liu khớ
Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên nh khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công
nghiệp nh khí do ch ng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên
liệu rắn nh gỗ, than; khí sinh vật (biogas)

Cấu trúc phân tử của mỗi khí cháy bao gồm các-bon, hy-drô và ô-xy là CmHnOr
Với một đơn vị nhiên liệu khí (1 kg, kmol hay m3 tiêu chuẩn)
Phõn loi nhiờn liu khớ theo nhit tr

Nhiệt trị cao: Q = 23 - 28 (kJ/m3tc) nh khí thiên nhiên, khí phụ phẩm ch ng
cất dầu mỏ.

Nhiệt trị trung bình: Q = 16 - 23 (kJ/m3tc) nh khí lò luyện than cốc.

Nhiệt trị thấp: Q = 4 - 16 (kJ/m3tc) nh khí lò ga và khí sinh vật.
Động cơ chạy các nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG hay khí hoá lỏng LPG có u
điểm là ít ô nhiễm môi tr ờng và tiết kiệm vì giá khí đốt rẻ hơn so với xăng
Nhiờn liu lng

Thnh phn ca nhiờn liu lng
+ Gốc hoá thạch: xăng, dầu hoả, diesel
+ Gốc thực vật: mê-tha-nôl, ê-tha-nôl, dầu thực vật nh dầu dừa, dầu hạt cảI
Nhiờn li u c s dng ph bin cho CT hin nay l xng v diesel
Xng v diesel l sn phm ch bin t du m, thnh phn chớnh l cỏc loi
cacbuahydro:
+ Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin (an-kan) có công thức hoá học
CnH2n + 2; ô-lê-phin CnH2n và a-xê-ty-len CnH2n 2
Pa-ra-phin là các-bua-hy-drô no có c u trỳc mch thẳng hở, tính ổn định hoá
học ở nhiệt độ cao kém, dễ dàng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên quá
trình tự cháy.
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
+ Náp-ten: CnH2n (xy-clan) có kết cấu phân tử mạch vòng, 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
Trong xăng và diesel có tới 80 đến 90% là an-kan và xy-clan
Trung bỡnh trong nhiờn liu lng (ch bin t du m) cú cha 84-85% cỏc bon,
1214% hydro, cũn li l nit, oxy v lu hunh
• Đặc tính của nhiên liệu lỏng
+ Khối lượng riêng (ρ): ở nhiệt độ 20 C, KLR của xăng 0.65 – 0.8 g/cm3
diesel 0.8 – 0.95 g/cm3
+ Độ nhớt:
- Độ nhớt động học (ט): ở nhiệt độ 20 C, xăng có ט= 0.6– 2.5 cSt
diesel ט= 2.5– 8.5 cSt
- Độ nhớt tương đối (Et): là tỷ số giữa thời gian chảy của 200 ml nhiên liệu và
nước cất ở nhiệt độ 20 C qua lỗ tiêu chuẩn của thiết bị đo
+ Tính bay hơi

1. Xăng; 2. Dầu hỏa; 3. Diesel; 4. Dầu mỏ
Tính bay hơi phụ thuộc vào thành phần
chưng cất của nhiên liệu và được xác định
trong một thiết bị đặc biệt bằng cách đốt
nóng nhiên liệu và tách dần những chất
chưng cất sôi trong một nhiệt độ nhất định
và cho ngưng tụ lại
Những nhiệt độ ứng với 10%, 50%, 90%
thể tích nhiên liệu sôi và nhiệt độ sôi cuối
cùng của nhiên liệu là những đặc điểm đặc
trưng của mỗi một loại nhiên liệu
+ Nhit bộn la
Nhit khin cho hn hp nhiờn liu v khụng khớ bc chỏy khi chõm la v tip
tc chỏy. Nú phn ỏnh s lng cht chng ct nh trong nhiờn liu v dựng

lm ch tiờu phũng ho. Nhit bộn la thng khụng c thp hn 65oC
+ Nhit t bc chỏy
Nhit thp m hn hp nhiờn liu v khụng khớ t chỏy m khụng phi
chõm la. Nhit ny thng gim khi tng trng lng phõn t ca nhiờn liu.
+ Nhit ụng c
Nhiệt độ đông đặc chỉ có ý nghĩa đối với nhiên liệu nặng nh nhiên liệu diesel.
Ng ời ta th ờng sử dụng phụ gia để giảm nhiệt độ đông đặc. Đối với nhiên liệu
diesel, nhiệt độ đông đặc nằm trong khoảng -60 n +5OC.
+ Thnh phn nc
Là một loại tạp chất trong nhiên liệu, n ớc gây ăn mòn cơ học và hoá học đối với
các chi tiết của hệ thống nhiên liệu, trong quá trình cháy n ớc bay hơi thu nhiệt
làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Giới hạn n ớc trong nhiên liệu đ ợc qui định
không quá 1% trọng l ợng đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp
+ Tp cht c hc
Đối với nhiên liệu thông th ờng, tạp chất cơ học không đ ợc v ợt quá 1% trọng
l ợng.
Tớnh cht húa hc ca nhiờn liu lng
+ Nhit tr
Nhiệt trị là nhiệt l ợng thu đ ợc khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị nhiên liệu. Cú hai
loại nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp.
- Nhiệt trị cao Qo là toàn bộ nhiệt l ợng thu đ ợc,
- Nhiệt trị thấp QH là nhiệt l ợng thu đ ợc Qo trừ phần nhiệt l ợng toả ra khi
ng ng tụ hơi n ớc trong sản phẩm cháy.
+ Tớnh kt cc
L khuynh h ớng kết muội than khi đốt cháy nhiên liệu. Muội than có thể gây nên
mài mòn và bó kẹt xéc-măng- xy-lanh, xu-páp và đế hoặc làm kẹt tắc vòi phun
+ Thnh phn lu hunh v tp cht
L u huỳnh có trong nhiên liệu ở dạng tạp chất còn lại khi ch ng cất dầu mỏ. L u
huỳnh khi cháy tạo thành SO2 sẽ kết hợp với hơi n ớc (cũng tạo thành khi cháy
nhiên liệu) tạo thành a-xít yếu H2SO3 gây ăn mòn các chi tiết và m a a-xít

+ axit
ợc biểu thị bằng số mg hy-drô-xyt ka-li KOH cần thiết để trung hoà l ợng a-xít
có trong 1 g nhiên liệu
+ Thnh phn tro
L sn phm ca quỏ trỡnh chỏy, gõy mi mũn chi tit
Tớnh t chỏy ca nhiờn liu Diesel
+ Tr s xetan (Xe)
L n v o quy c c trng cho tớnh t chỏy ca nhiờn liu diesel, c o
bng % th tớch hm lng n xờtan (C16H34) trong hn hp ca nú vi -etyl
naptalin iu kin chun (theo quy c -metyl naptalin cú tr s Xe = 0 v n
Xờtan cú tr s Xe = 100). Nhiờn liu diesel cú s Xe = 35 - 55
+ Ch s diesel
Là một đại l ợng qui ớc xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức
- là trọng l ợng riêng (g/cm3) của nhiên liệu ở 15oC.
-
A là điểm a-ni-lin của nhiên liệu (nhit kt ta ca
h n h p nh iờn liu v anilin)
Tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng
+ Trị số octane: là một đơn vị do qui ước dùng để đặc trưng cho khả năng
chống cháy kích nổ của nhiên liệu và nó được đo bằng % thể tích của iso
–Octane (C8H18) trong hỗn hợp của nó với n – Heptan (C7H16),
tương đương với khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thử nghiệm ở điều
kiện chuẩn. iso –Octane có số octane = 100, n – Heptan có số octane = 0,
xăng thông dụng có số octane = 80 - 100
RON Tr s octane – ị ố xác nh đị bằng phương pháp nghiên cứu
MON Tr – ị số octane xác định bằng phương pháp động cơ.
Hiệu số RON – MON được gọi là độ nhậy của xăng
RON – MON = 8-10 đơn vị
Sự cháy của nhiên liệu trong ĐCĐT
Thành phần chính của nhiên liệu tham gia vào quá trình cháy gồm Cacbon,

Hydro và Oxy, 1 kg nhiên liệu có thể biểu diễn: gC + g H + gO = 1
+ Phương trình cháy của 1 kg nhiên liệu
-
Trương hợp cháy hoàn toàn
Cháy Cacbon
Trong 1 kg
Nhiên liệu
Cháy Hydro
Như vậy lương Oxy cần thiết để đốt cháy hết gC và gH là 8gC/3 + 8gH
Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết 1 kg nhiên liệu (23% oxy, 77% nito)
Hoặc
Hệ số dư lượng không khí
L – Lượng không khí thực tế đốt cháy 1kg nhiên liệu (kg)
Lo – Lượng không khí cần thiết lý thuyết đốt cháy hoàn toàn 1kg
nl
Khi L = Lo, α = 1, hỗn hợp NL-KK tiêu chuẩn
Khi L > Lo, α > 1, hỗn hợp nghèo
Khi L > Lo, α < 1, hỗn hợp giàu
-
Trường hợp cháy không hoàn toàn
Khi α > 1: lượng kk đưa vào xilanh lớn hơn yêu cầu, trong sản phẩm cháy có oxy thừa
Khi α < 1, lượng kk đưa vào xi lanh không đủ, nhiên liệu không được đốt cháy hết
Giả thiết Hydro của được oxy hóa hoàn toàn, kk thiếu chỉ ảnh hưởng đến Cacbon
+ Lượng khí nạp mới
-
Động cơ xăng (trừ phun xăng) hỗn hợp tạo ra bên ngoài gồm nl và kk
-
Động cơ diesel chỉ nạp kk M1 = M = αM0
+ Sn phm chỏy
Sản vật cháy của quá trình cháy hoàn toàn nhiên liệu bao gồm các-bon-nic CO2,

hơi n ớc H2O, ô-xy thừa O2 và ni-tơ N2
L ng s n ph m chỏy
Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn ( < 1) sản phẩm cháy sẽ gồm các thành
phần gần đúng sau: các-bon-níc CO2, mô-nô-xit-cac-bon CO, hơi n ớc H2O, hy-
drô H2 và ni-tơ N2. Do cháy thiếu ô-xy, một phần các-bon cháy tạo thành CO2 và
phần còn lại cháy tạo thành CO. T ơng tự, một phần hy-drô cháy tạo thành hơi
n ớc, phần còn lại ở dạng khí hy-drô H2.
T ng s n ph m chỏy:
Các phản ứng cháy đ ợc đơn giản hoá là các phản ứng ô-xy hoá thông th ờng
và chỉ xét đến sản phẩm cuối cùng, không qua các phản ứng trung gian, phản ứng
của ni-tơ với ô-xy trong điều kiện nhiệt độ cao cũng không đ ợc xét đến.
Các phản ứng ô-xy hoá chỉ xảy ra trong một giới hạn nhất định của hệ số d
l ợng không khí gọi là giới hạn cháy. Cỏc gii hạn trên v di max, min là là
giá trị mà ngoài giới hạn này hỗn hợp quá nhạt hoc quỏ m không cháy đ ợc.
T nhit ca mụi cht cụng tỏc
+ T nhit ng tớch
là tỷ nhiệt đẳng tích của một kmol (kJ/kmol.K), Ti (K)
là nhiệt độ tuyệt đối của môi chất, av và b là các hằng
số thực nghiệm.
+ T nhit trung bỡnh ng ỏp
+ T nhit khớ np mi
tỷ lệ nhiên liệu trong hỗn hợp rất nhỏ nên có thể bỏ qua khi tính toán tỷ nhiệt. Vì
vậy có thể coi tỷ nhiệt của khí nạp mới nói chung cho cả hai loại động cơ là tỷ
nhiệt của không khí
+ T nhit sn phm chỏy
+ T nhit hn hp cụng tỏc
T nhit ng tớch trung bỡnh:
T nhit ng ỏp trung bỡnh:
Vi