nhiên liệu, dầu bôi trơn, chất lỏng làm mát

Chơng 4
Nhiên liệu, dầu bôi trơn, chất lỏng làm mát
4.1. Nhiên liệu
Nhiên liệu đợc dùng cho động cơ có thể là nhiên liệu lỏng
hoặc nhiên liệu thể khí mà thành phần chủ yếu của chúng là
các hydrocacbon. hydrocacbon có đặc điểm là có nhiệt trị lớn,
dễ dàng hòa trộn với không khí và cháy với tốc độ cao. Sản
phẩm cháy hoàn toàn của hydrocacbon hoàn toàn không độc
hại. ở điều kiện bình thờng hydrocacbon là các hợp chất ổn
định, đảm bảo cho tính chất lý hóa của nhiên liệu không đổi
khi bảo quản và vận chuyển dài ngày.
Nhiện liệu rắn hiện nay chỉ đợc sử dụng khi đà chuyển nó
sang thể lỏng hoặc thể khí. Trong những năm gần đây, ngời
ta đà nghiên cứu thử nghiệm và nghiên cứu ứng dụng việc sử
dụng trực tiếp nhiên liệu rắn cho động cơ đốt trong ở dạng bột
than đá hoặc thể nhũ tơng của nó với nhiên liệu lỏng và đà thu
đợc một số kết quả bớc đầu. Những thành tựu tạo ra các dạng
nhiên liệu mới và dầu bôi trơn cho phép hy vọng vào kết quả
của các nghiên cứu này.
Khi thiết kế động cơ mới phải xác định trớc loại nhiên liệu
định sử dụng, bởi vì tính chất của loại nhiên liệu sử dụng sẽ
quyết định đặc điểm kết cấu của động cơ. Để đặc trng
cho đặc điểm động cơ, ngời ta thờng gọi động cơ theo loại
nhiên liệu sử dụng. Ví dụ động cơ làm việc bằng nhiên liệu thể
khí gọi là động cơ khí ga, động cơ làm viƯc víi nhiªn liƯu
láng, tïy theo nhiªn liƯu sư dơng đợc gọi là động cơ xăng hay
động cơ diesel. Có những động cơ làm việc với cả nhiên liệu
xăng lẫn diesel và dầu hỏa gọi là động cơ đa nhiên liệu. Động
cơ vừa làm việc với nhiên liệu thể khí vừa làm việc với nhiên
liệu lỏng gọi là động cơ gazodiesel.
Tính chất quan trọng của nhiên liệu là nhiệt trị, là nhiệt lợng đợc giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Thông thờng nhiệt trị của nhiên liệu thể khí đợc tính trên một mét khối

41


thể tích ở nhiệt độ 00C và áp suất 101,3 KPa (760 mmHg) còn
nhiên liệu lỏng thì tính với một kilogam cũng trong điều kiện
trên.
Nhiệt trị của nhiên liệu đợc xác định bằng thực nghiệm,
bằng cách đốt nhiên liệu với oxi nén trong bom nhiệt lợng. Nhiệt
trị xác định đợc bằng thực nghiệm đợc gọi là nhiệt trị cao của
nhiên liệu H0, có kể đến cả phần nhiệt lợng đợc giải phóng khi
làm lạnh bom nhiệt lợng đến nhiệt độ ban đầu do kết quả của
sự ngng tụ hơi nớc đợc tạo ra khi cháy hydro của nhiên liệu.
ở động cơ đốt trong, sản phẩm cháy đợc thải ra ngoài ở
nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ ngng tụ của hơi nớc và nh vậy
phần nhiệt hóa hơi đà không đợc sử dụng.
Khi tính toán nhiệt động cơ đốt trong ngời ta sử dụng
nhiệt trị thấp của nhiên liệu Hu. Giữa nhiệt trị thấp và nhiệt
trị cao có mối liên hệ sau đây:
Hu = H0 2,512.W
Trong đó:
W Lợng hơi nớc của sản phẩm cháy nhận đợc khi đốt
cháy một kilogam hay một mét khối nhiên liệu, tính
bằng kg.
2,512 Trị số gần đúng nhiệt hóa hơi của nớc có thứ
nguyên là MJ/kg.
Nhiên liệu có nhiệt trị càng cao thì động cơ làm việc
càng đỡ tốn nhiên liệu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với
các động cơ xe vận tải vì nó cho phép tăng bán kính hoạt
động trong điều kiện lợng dự trữ nhiên liệu đà cho tríc.
4.1.1. Nhiªn liƯu láng

Nhiªn liƯu láng cã thĨ nhËn đợc bằng phơng pháp hóa dầu,
cũng có thể nhờ hóa lỏng nhiên liệu thể rắn và khí và cũng có
thể nhờ các phế phẩm của các sản phẩm nông nghiệp hoặc
công nghiệp thực phẩm.
Những sản phẩm của dầu mỏ có nhiệt độ sôi nhỏ hơn
2050C đợc dùng để sản xuất xăng. Các thành phần nặng hơn
với nhiệt độ sôi nhỏ hơn 305 0C dùng để chế tạo nhiều loại nhiên
42


liệu khác nhau đó là các loại dầu diesel cho các loại động cơ
diesel.
Thành phần hóa học của nhiên liệu đợc đặc trng bằng tỷ
lệ phần trăm thể tích của các hydrocacbon sôi ở nhiệt độ khác
nhau.
Nhiên liệu xăng và diesel còn khác nhau cả về thiết bị để
tạo ra hỗn hợp cháy gồm hơi nhiên liệu và không khí cũng nh phơng pháp đốt cháy hỗn hợp công tác.
Thành phần chủ yếu của dầu mỏ là những hydrocacbon
sau đây: parafin (ankan) CnH2n+2; napten (xicolan) CnH2n; và
cacbua thơm dạng CnH2n-6 và CnH2n-12. Ngoài ra trong dầu mỏ còn
chứa rất ít các chất olefin, diolefin và axetylen.
Trung bình trong dầu mỏ chứa 84 85% C; 12 14% H,
còn lại là nitơ, oxi và lu huỳnh.
Động cơ cần phải sử dụng đúng loại nhiên liệu do nhà sản
máy chế tạo ấn định, không nên dùng loại nhiên liệu khác để
đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của động cơ. Việc sử dụng loại
nhiên liệu không đúng sẽ dẫn tới làm giảm các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật của động cơ, gây ô nhiễm môi trờng, tăng tiếng ồn
và giảm độ tin cậy khi làm việc.
Các đặc tính cơ bản của nhiên liệu đợc giới thiệu trong

bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các thông số cơ bản của nhiên liệu lỏng dùng
cho động cơ đốt trong
Thông số kỹ thuật
Xăng Diese Diese Diese
ôtô
l cao
l xe
l tốc
tốc
vận
độ
tải
thấp
Trị số octan không nhỏ hơn
Trị số xetan không nhỏ hơn

66 89
-

Nhiệt độ chng cất (0C) không nhỏ
hơn
Nhiệt ®é chng cÊt (0C) kh«ng lín

35

45 
52
-

45

-

-

-

43


hơn với:
10% nhiên liệu
15% nhiên liệu
50% nhiên liệu
90% nhiên liệu
95% nhiên liệu
Nhiệt độ sôi không lớn hơn
áp suất hơi bÃo hòa (mmHg)
Độ nhớt động học (CSt) ở nhiệt
độ:
200C
500C
Nhiệt độ đóng băng 0C không cao
hơn

5579
10012
5
16019

5
18520
5
50070
0

<200
2552
90
3303
60
-

2402
80
3303
60
-

250
-

-

-

-

-

1,51,
8
-1060

1,51,
6
-10
-55

3615
0
-5
-10

-

-

a) Nhiên liệu xăng
Thành phần chng cất của xăng đợc đặc trng bằng nhiệt
độ bay hơi của 10%, 50% và 90% nhiên liệu cũng nh nhiệt độ
bắt đầu và kết thúc bay hơi.
Nhiệt độ bắt đầu bay hơi và bay hơi 10% lợng nhiên liệu
cùng với áp suất hơi bÃo hòa đặc trng cho hàm lợng hydrocacbon
sôi ở nhiệt độ thấp. Những hydrocacbon này xác định khả
năng nhận đợc hỗn hợp cháy đảm bảo cho động cơ khởi động ở
nhiệt độ thấp của môi trờng xung quanh. Xăng ở nhiệt độ thấp
bắt đầu bay hơi 10% và có áp suất bÃo hòa lớn sẽ có chất lợng
khởi động cao.
Nhiệt độ hóa hơi 50% nhiên liệu đặc trng cho hàm lợng

hydrocacbon xác định sự phân bố đồng đều về số lợng và
chất lợng hỗn hợp cháy trong toàn bộ xylanh động cơ. Khi động
cơ làm việc với loại xăng bay hơi 50% ở nhiệt độ thấp yêu cầu
thời gian sấy nóng động cơ ngắn hơn và cải thiện đợc tính
chất động lực học của động cơ.
44


Nhiệt độ hóa hơi 90% và sôi của nhiên liệu đặc trng cho
hydrocacbon cho phép sôi ở nhiệt độ cao. Những hydrocacbon
này sẽ không bay hơi hoàn toàn ở cuối thời kỳ nạp của động cơ.
Nhiệt độ này càng lớn thì hàm lợng nhiên liệu ở dạng lỏng sẽ
càng cao. Một phần nhiên liệu sẽ chảy qua miệng xéc măng
xuống cácte, làm tăng sự mài mòn của xylanh, piston và làm
giảm độ nhớt của dầu bôi trơn.
Nhiên liệu lỏng bám trên thành xylanh sẽ cháy không hết do
đó sẽ làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu, tăng mức độ độc hại
của khí thải và sự kết muội than trong buồng cháy.
áp suất hơi bÃo hòa của xăng không chỉ ảnh hởng đến
chất lợng khởi động động cơ ở nhiệt độ thấp mà còn ảnh hởng
đến sự làm việc của động cơ trong trờng hợp có sấy nóng hỗn
hợp cháy trên đờng ống nạp. Trong thời gian động cơ làm việc,
nhiệt độ trung bình của xăng trong hệ thống cung cấp nhiên
liệu thờng lớn hơn nhiệt độ môi trờng xung quanh từ 20 300C.
Khi nhiệt độ quá lớn, các thành phần hydrocacbon sôi ở nhiệt
độ thấp sẽ bị tách ra khỏi xăng. Các hydrocacbon này cùng với
một lợng nhỏ không khí trong nhiên liệu tạo thành các bọc hơi
và làm cho hỗn hợp bị nghèo đi đến mức nằm ngoài giới hạn của
sự lan tràn màng lửa và động cơ có thể bị dừng làm việc. Tùy
theo điều kiện khí hậu sử dụng động cơ, ngời ta sử dụng xăng

có thành phần hóa học và áp suất hơi bÃo hòa đảm bảo độ tin
cậy khi khởi động động cơ và loại trừ hiện tợng dừng động cơ
do tạo bọt khí trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Thành phần hóa học của xăng xác định tỷ số nén cho
phép của động cơ. Khi thành phần của xăng không phù hợp có
thể dẫn tới hiện tợng cháy kích nổ cùng với việc xuất hiện các
sóng xung kích va đập trong buồng cháy. Sự làm việc của
động cơ với hiện tợng cháy kích nổ là hoàn toàn không cho
phép vì sẽ làm quá tải động cơ, sẽ làm giảm công suất và tính
kinh tế nhiên liệu, làm xuất hiện tiếng gõ kim loại và muội than
trong khí thải. Động cơ làm việc bị cháy kích nổ lâu có thể
dẫn tới cháy piston, xupáp và phá hỏng các ổ trục. Khả năng
chống kích nổ của xăng đợc xác định bằng thực nghiệm. Loại
45


hydrocacbon có khả năng chống kích nổ cao nhất là izo octan
(đợc tính bằng 100 đơn vị) và chất chống kích nổ kém nhất
là heptan (trị số octan bằng 0). Khả năng chống kích nổ của
xăng đợc đánh giá bằng trị số octan, là hàm lợng tính theo
phần trăm thể thích izo octan trong hỗn hợp với heptan mà hỗn
hợp này có khả năng chống kích nổ nh nhiên liệu mẫu. Lấy ví
dụ, nhiên liệu thí nghiệm khi thử bị kích nổ nh hỗn hợp chứa
72% izo octan và 28% heptan thì trị số octan của nó là 72.
Ngời ta xác định trị số octan bằng hai phơng pháp. Phơng
pháp thứ nhất là xác định trị số octan khi động cơ làm việc
dài ở chế độ ổn định. Phơng pháp thứ hai là xác định trong
điều kiện động cơ làm việc ở các chế độ không ổn định, lấy
ví dụ khi xe chạy trong thành phố. Trị số octan xác định bằng
phơng pháp thứ hai cao hơn phơng pháp thứ nhất. Hiệu số của

hai trị số này đợc gọi là độ nhạy cảm của xăng và đợc xem nh
thông số thứ hai để đánh giá tính chống kích nổ của xăng khi
động cơ làm việc ở các chế độ khác nhau. Độ nhạy cảm của
xăng càng lớn, tính chất chống kích nổ của xăng khi động cơ
làm việc ở các chế độ không ổn định càng cao. Xăng có
hydrocacbon dạng olefin hoặc cacbua thơm có độ nhạy cảm
cao nhất, naphtalen là loại trung bình. Độ nhạy cảm của xăng
ôtô nằm trong khoảng từ 1 12.
Xăng dùng cho ôtô đợc ký hiệu bằng chữ A, sau đó đến
chỉ số octan, ví dụ A-72, A-76 hoặc thêm chữ để chỉ trị số
octan xác định bằng phơng pháp thứ hai, ví dụ A-93, A-98.
Các loại xăng ôtô có trị số octan nằm trong khoảng từ 66 100.
Số octan của nhiên liệu có khả năng chống kích nổ cao hơn so
với izo octan đợc đánh giá theo thang quy ớc về trị số octan. Khi
đó, theo tiêu chuẩn quy ớc, nếu sử dụng hỗn hợp của izo octan
với tetra etyl chì theo hàm lợng 1,59 g/lít thì sẽ có trị số octan
là 120.
b) Nhiên liệu diesel
Quá trình tạo hỗn hợp ở động cơ diesel có ảnh hởng rất lớn
đến quá trình làm việc xảy ra trong động cơ nói chung cũng
nh thay đổi quy luật của quá trình cung cấp nhiên liƯu, vÝ dơ
46


thời điểm bắt đầu và kết thúc phun, thời gian phun ở cùng
một vị trí của cơ cấu điều khiển, nếu độ nhớt của nhiên liệu
tăng sẽ làm tăng lợng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình do
làm giảm lợng dầu lọt qua khe hở giữa piston và xylanh bơm
cao áp, đồng thời sẽ làm tăng góc phun sớm nhiên liệu. Mặt khác
khi độ nhớt tăng thì chất lợng phun nhiên liệu sẽ kém, các hạt

nhiên liệu phun sẽ không đồng đều và kích thớc, góc côn của
tia phun sẽ bị giảm. Những động cơ có buồng cháy thống nhất
đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi độ nhớt của nhiên liệu và ở
loại động cơ này yêu cầu buồng cháy phải phù hợp với hình dạng
và hớng của chùm tia nhiên liệu.
Thành phần chng cất của dầu diesel cũng đợc đánh giá
bằng nhiệt độ hóa hơi nh ở nhiên liệu xăng.
Nhiệt độ hóa hơi 10% nhiên liệu đặc trng cho hàm lợng
hydrocacbon dễ bay hơi. Nếu hàm lợng chất dễ bay hơi quá cao
sẽ làm tăng cờng độ bay hơi của nhiên liệu phun và lợng nhiên
liệu đợc chuẩn bị để tự bốc cháy sẽ quá lớn, điều đó dẫn tới
làm tăng tốc độ tăng áp của khí cháy bên trong xylanh. Động cơ
làm việc sẽ rất ồn, rung và làm tăng sự hao mòn của các chi tiết.
Nhiệt độ hóa hơi 50% nhiên liệu đặc trng cho sự phân bố
đồng đều của cacbua hydro đà bay hơi hoàn toàn trong quá
trình tạo hỗn hợp. Nhiệt độ hóa hơi 90% nhiên liệu đặc trng
cho hàm lợng hydrocacbon khó bay hơi trong nhiên liệu. Nếu
hàm lợng này quá lớn sẽ làm giảm tốc độ bay hơi của nhiên liệu,
nhiên liệu sẽ bay hơi không hoàn toàn và sẽ cháy không hết.
Công suất và tính kinh tế của động cơ sẽ giảm, làm tăng sự kết
cốc trong buồng cháy, động cơ sẽ thải khói đen và tăng tính
độc hại của khí thải.
Thành phần chng cất của nhiên liệu có ảnh hởng rất lớn đối
với động cơ cao tốc có buồng cháy thống nhất. Đối với động cơ
tốc độ thấp, thành phần chng cất của nhiên liệu ảnh hởng ít
hơn do thời gian tạo hỗn hợp ở động cơ này dài hơn.
Khả năng tự bốc cháy là một trong những tính chất quan
trọng nhất của nhiên liệu diesel. Khoảng thời gian tính từ lúc
bắt đầu phun nhiên liệu vào xylanh đến lúc bắt đầu tăng áp
47

suất bên trong xylanh phụ thuộc vào khả năng tự bốc cháy của
nhiên liệu. Nhiên liệu càng dễ tự bốc cháy, càng tạo điều kiện
cho quá trình cháy xảy ra một cách êm dịu, áp suất không bị
tăng đột ngột và không có tiếng gõ bên trong xylanh.
Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel phụ thuộc vào
thành phần hóa học của nó. Các hydrocacbon dạng parafin có
tính bắt lửa tốt nhất (chọn xetan có khả năng bắt lửa là 100
đơn vị) và loại cacbua thơm mạch nhánh là loại bắt lửa kém
nhất (chọn độ bắt lửa của anphol metyl naphtalin là bằng 0).
Độ bắt lửa của nhiên liệu diesel đợc đánh giá bằng trị số
xetan và đợc xác định bằng thực nghiệm. Trị số xetan là hàm
lợng tính theo phần trăm thể tích của xetan trong hỗn hợp với
anphametyl naphtalin cũng có khả năng bắt lửa nh nhiên liệu
mẫu. Lấy ví dụ: nếu nhiên liệu thử có độ bắt lửa nh là hỗn hợp
chứa 45% xetan và 55% anphametyl naphtalin thì trị số xetan
của nhiên liệu thử sẽ là 45. Khi trị số xetan thấp thời gian cháy
trễ sẽ kéo dài, làm cho mức độ tăng áp suất sẽ lớn và động cơ
làm việc không êm. Việc giảm thời gian cháy trễ quá mức do
tăng trị số xetan cũng sẽ không hợp lý vì nhiên liệu sẽ bốc cháy
trớc khi đợc hòa trộn đều với không khí. Vì vậy, trị số xetan
của nhiên liệu diesel thờng nằm trong khoảng 40 55.

4.1.2. Nhiên liệu khí
Nhiên liệu khí dùng cho động cơ đốt trong bao gồm khí
thiên nhiên lấy từ các mỏ khí đốt, khí công nghiệp lấy từ dầu
mỏ, từ trong các lò luyện cốc và lò cao hoặc khí lò ga lấy từ
việc khí hóa các nhiên liệu rắn trong các thiết bị đặc biệt.
Bất cứ loại nhiên liệu khí nào cũng là hỗn hợp của nhiều loại

khí cháy và khí trơ khác nhau. Thành phần cơ bản của nhiên
liệu khí gồm oxit cacbon (CO), khí mêtan (CH 4), các loại
hydrocacbon (CnH2n), khí cacbonic (CO2), oxi (O2), hydro (H2),
sunfua hidro (H2S) và các loại khí trơ mà chủ yếu là nitơ (N 2) với
những tỷ lệ khác nhau. Nói chung có thể biểu diễn thành phần
hoá học cđa mét lo¹i khÝ bÊt kú cã chøa cacbon, hidro, oxi theo
48


công thức hóa học tổng quát C nHmOr. Lấy ví dơ khi n = 1, m = 0
vµ r = 2 ta cã khi CO2, khi n = 2, m = 6 vµ r = 0 ta cã khÝ etan
C2H6. Nếu hàm lợng của từng chất thành phần trong một kilomol
(hoặc một mét khối) nhiên liệu khí biểu thị theo phần trăm
thể tích và ký hiệu các chất thành phần đó bằng các công thức
hóa học của chúng thì thành phần hóa học của chúng đợc biểu
diễn bằng phơng trình sau:

C

n

H m Or  N 2 1kmol

Trong b¶ng 4.2 giíi thiệu các thông số đặc trng của một số
nhiên liệu thể khí dùng cho động cơ đốt trong ở nhiệt độ 15 0C
và áp suất bằng 101,3 KPa (760 mmHg).
Bảng 4.2. Các thông số đặc trng của nhiên liệu khí
Thông số
đặc trng
Khối lợng

riêng ở
trạng thái
hơi
(kg.m-3)
Khối lợng
riêng ở
trạng thái
lỏng
(kg/l)
Nhiệt
độ sôi
(0C)
Nhiệt
hóa hơi
(MJ/kg)
Nhiệt trị
thấp
(MJ/m3)

Meta
n
CH4

Etan
C2H6

Propa
n
C3H8

Buta
n
C4H10

Pent
an
C5H12

Etile
n
C2H4

Propile
n C3H6

Butil
en
C4H8

Hidr
o H2

Oxit
cacbo
n CO

0,67

1,23
7

1,867

2,46

3,05

1,18
7

1,78

2,37

0,08
6

0,41
5

0,44
6

0,51

0,58

0,62
6

0,58

0,522

0,6

0,71

36

103,
5

-47

1,4

-253

-190

0,48
1

0,431

0,410

55,6
0

81,19

107,0
4

10,2
3

12,04

-161

-88,6

0,51
3
33,8
7

60,0
4

-42,2

-0,5

0,431

0,39

4

85,77

111,
70

137,
91

1,18

Nếu căn cứ vào nhiệt trị thấp của nhiên liệu có thể chia
nhiên liệu khí ra thành ba loại:
- Nhiên liệu có nhiệt trị lớn: QH = 23 38 MJ/m3
Loại này bao gồm khí thiên nhiên và khí thu đợc khi tinh
luyện dầu mỏ. Thành phần chủ yếu của nó là khí mêtan CH 4
(chiếm khoảng 80 95%).
- Nhiên liệu có nhiệt trị trung bình: QH = 16  23 MJ/m3
49


Loại này gồm các loại khí công nghiệp nh than cốc, khí
thắp mà thành phần chủ yếu là H2 (chiếm khoảng 40 60%),
còn lại là khí mêtan (CH4) và oxit cacbon (CO).
- Nhiên liệu có nhiệt trị nhỏ: QH = 4 16 MJ/m3
Loại này gồm có khí lò cao và khí lò ga, thành phần chủ
yếu là CO, H2 chiếm khoảng 60% còn lại là khí trơ nh N2 và
CO2.
4.2. Dầu bôi trơn

Dầu nhờn đợc dùng ở động cơ đốt trong với mục đích để
giảm ma sát và mài mòn cho các chi tiết chuyển động, để
truyền nhiệt cho một số chi tiết bị nung nóng và để bảo vệ
cho các bề mặt chi tiết không bị oxi hóa.
Dầu bôi trơn ở động cơ đốt trong là các chế phẩm của
dầu mỏ. Tính chất lý hóa của các loại dầu bôi trơn đợc tiêu
chuẩn hóa trong các tiêu chuẩn nhà nớc hoặc trong các điều
kiện kỹ thuật hớng dẫn sử dụng động cơ.
4.2.1. Độ nhớt
Độ nhớt là một trong các thông số cơ bản của dầu bôi trơn
vì nó ảnh hởng đến tính chất thủy động của màng dầu cũng
nh tổn thất ma sát trên động cơ. Khi tính toán thủy động các
bộ phận ma sát và đánh giá tính chất sử dụng động cơ, ngời ta
sử dụng độ nhớt động học, là tỷ số giữa độ nhớt động lực học
và khối lợng riêng của nó ở nhiệt độ tính toán. Trong mà hiệu
dầu nhờn, độ nhớt động học đợc biểu thị bằng centistok (CSt)
ở 1000C. Ví dụ dầu nhờn M10 có độ nhớt động học là 10 CSt ở
1000C.
Độ nhớt của dầu tăng lên khi giảm nhiệt độ, điều đó làm
tăng tổn thất ma sát của các chi tiết chuyển động. Mức độ
tăng độ nhớt khi giảm nhiệt độ của các loại dầu nhờn khác nhau
sẽ không gièng nhau vµ phơ thc vµo tÝnh chÊt lý hãa của
chúng.
Để đảm bảo độ làm việc tin cậy của động cơ ở những
vùng có nhiệt độ khác nhau, chúng ta mong muốn độ nhớt của
dầu nhờn ít thay đổi khi thay đổi nhiệt độ. Để đánh giá sự
50


thay đổi độ nhớt của dầu tùy thuộc vào nhiệt độ, ngoài trị số

độ nhớt động học ở 1000C ngời ta còn sử dụng độ nhớt động
học ở 00C và tỷ số độ nhớt của nó ở 50 và 1000C (v50/v100).
Khi biÕt ®é nhít cđa nã ë hai nhiƯt ®é này có thể xác
định đợc độ nhớt ở nhiệt độ bất kỳ. Muốn vậy trên đồ thị ngời
ta xác định hai điểm tơng ứng và nối chúng bằng một đờng
thẳng. Đờng thẳng này biểu diễn sự thay đổi của độ nhớt dầu
nhờn theo nhiệt độ đối với loại dầu đà cho. Trên hình 4.1 là đồ
thị để xác định độ nhớt của dầu nhờn ở các nhiệt độ khác
nhau.
Cst
104
5.103
3.1033
2.10
103
50
40
0
30
0
20
0
0
10
080
60
50
40
30
25

20
15
10
0-

0 10 20 30 40 506070 80 90 1000C
10
00F
1000
2100
F
F

Hình 4-1. Đồ thị xác định độ nhớt của dầu nhờn
Để đánh giá tính chất độ nhớt nhiệt độ của các loại dầu
nhờn khác nhau có cùng một độ nhớt động học, ngời ta dùng
chỉ số độ nhớt. Chỉ số độ nhớt đợc biểu diễn bằng số đơn
vị quy ớc.
Khi xác định chỉ số độ nhớt, ngời ta so sánh độ dốc của
đờng biĨu diƠn sù thay ®ỉi cđa ®é nhít theo nhiƯt độ của
dầu cần thử nghiệm với đờng cong tơng tự của hai loại dầu mẫu
51


có cùng độ nhớt với dầu thử nghiệm ở 98,8 0C. Độ dốc của các đờng thay đổi độ nhớt đợc lấy ở nhiệt độ bằng 37,80C. Dầu
mẫu có sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ ít nhất đợc coi là có
chỉ số độ nhớt là 100 đơn vị và dầu có độ nhớt phụ thuộc lớn
nhất vào nhiệt độ đợc coi là có chỉ số độ nhớt bằng 0 đơn vị.
Thông thờng chỉ số độ nhớt đợc xác định bằng đồ thị hoặc
bằng bảng. Dầu có chỉ số ®é nhít lín thêng ®ỵc dïng ë vïng cã

nhiƯt ®é thấp.
Độ nhớt của dầu nhờn còn phụ thuộc vào áp suất, khi áp suất
tăng lên thì độ nhớt cũng tăng. Điều này có ý nghĩa rất quan
trọng đối với việc bôi trơn các bề mặt chịu áp suất lớn.
Quan hệ giữa độ nhớt và áp suất đợc biểu diễn bằng công
thức:
0 .a p
Trong đó: và 0 là độ nhớt của dầu nhờn tơng ứng với áp
suất p và áp suất môi trờng; a là hằng số, đối với các loại dầu a
= 1,002 1,004. Độ nhớt của dầu nhờn đợc lựa chọn tùy theo
kích thớc và điều kiện làm việc của các ổ trục của trục khuỷu
cũng nh điều kiện khí hậu sử dụng động cơ. Động cơ xăng thờng dùng dầu có độ nhớt 6, 8, 10, 12 Cst, còn động cơ diesel
dùng dầu có ®é nhít 8, 10, 12, 14, 16, 20 Cst. DÇu có độ nhớt
cao dùng cho những động cơ chịu phụ tải lớn và những động
cơ làm việc ở vùng có nhiệt độ môi trờng cao.
Độ nhớt của dầu ảnh hởng ®Õn sù lu ®éng cđa dÇu nhên
qua khe hë trong các mối ghép, do đó ảnh hởng đến khả năng
truyền nhiệt và làm mát cho các chi tiết. Dầu có độ nhớt cao sẽ
truyền nhiệt tốt hơn và khả năng tẩy rửa các sản phẩm mài
mòn ra khỏi các bề mặt làm việc làm việc tốt hơn. khi các
điều kiện khác là nh nhau. Sự tổn hao dầu nhờn do cháy cũng
liên quan đến độ nhớt của dầu. Do tác dụng bơm dầu của
xecmăng, dầu sẽ đợc đa vào buồng cháy và cháy ở đó. Đồng
thời một lợng dầu khác cũng đợc hút vào buồng cháy qua khe hở
giữa xupáp và ống dẫn hớng. Dầu có độ nhớt lớn sẽ ít bị cháy

52


hơn. Lợng tiêu hao dầu nhờn do cháy có thể chiếm tới 85% toàn

bộ lợng dầu tiêu hao trên động cơ.
4.2.2. Chất lợng bôi trơn của dầu nhờn
Điều kiện làm việc của các chi tiết trong một số cặp lắp
ghép nh cặp piston xylanh, xécmăng xylanh không đảm
bảo đợc chế độ bôi trơn ổn định, do đó trạng thái bôi trơn
của các cặp lắp ghép này thờng là ma sát tới hạn. Trạng thái ma
sát tới hạn cũng sẽ xuất hiện khi cung cấp không đủ dầu bôi
trơn, khi tăng áp suất riêng trên bề mặt, khi tăng nhiệt độ
trong mối ghép, khi giảm tốc độ chuyển dịch tơng đối giữa
hai bề mặt, nghĩa là khi thay đổi chế độ làm việc của động
cơ. ở trạng thái ma sát tới hạn, hệ số ma sát không còn phụ thuộc
vào độ nhớt của dầu nhờn mà phụ thuộc vào hàm lợng các chất
hoạt tính trên bề mặt làm việc. Lớp màng các chất hoạt tính
tránh đợc sự tiếp xúc trực tiếp của các bề mặt làm việc, do vậy
làm giảm đợc tổn thất ma sát và sự mài mòn của các chi tiết.
Khả năng đảm bảo tác dụng bôi trơn của dầu nhờn trong
điều kiện ma sát tới hạn, khi hệ số ma sát không phụ thuộc vào
độ nhớt, đợc gọi là tính bôi trơn của dầu nhờn. Đối với các
động cơ cờng hóa hoặc các động cơ làm việc với một thời gian
dài ở các chế độ không ổn định cần phải sử dụng dầu nhờn
có tính bôi trơn cao. Ngời ta so sánh tính bôi trơn của các loại
dầu nhờn khác nhau bằng các số liệu thực nghiệm trên máy ma
sát.
4.2.3. Sự già hóa của dầu nhờn
Dầu nhờn do tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao, do bị
oxi hóa, do bị nhiễm bẩn bởi các sản phẩm mài mòn, do nhiên
liệu và do cháy không hết, do bị lẫn nớc và do bụi bẩn làm
cho tính chất hóa lý của nó bị thay đổi. Quá trình lÃo hóa của
dầu nhờn bắt đầu ngay từ khi rót dầu vào hệ thống bôi trơn
của động cơ và kéo dài trong suốt thời gian sử dụng. Các sản

phẩm oxi hóa mạnh do nhiên liệu cháy không hết bên trong
xylanh đọng lại trên bề mặt buồng cháy, trên xupáp, vòi phun,
nến lửa, là nguồn chính để tạo ra muội than.
53


Trong thành phần của muội than cũng có các sản phẩm cháy
không hoàn toàn của nhiên liệu và các chất đợc đa vào buồng
cháy cùng với không khí và nhiên liƯu nh bơi, chÊt chèng kÝch
nỉ, c¸c chÊt phơ gia của nhiên liệu và dầu bôi trơn. Muội than
sẽ làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của buồng cháy. Trong trờng hợp muội than rơi vào bề mặt tiếp xúc giữa tán nấm và
đế xupáp, xupáp sẽ bị kênh, thậm chí sẽ bị cháy. ở động cơ hai
kỳ, do kết cốc xung quanh các cửa nạp và cửa thải (chủ yếu là
cửa thải) mà chất lợng trao đổi khí sẽ rất kém, công suất động
cơ giảm sút nghiêm trọng.
Dầu nhờn trong khe hở giữa piston và xylanh, giữa xéc
măng và xylanh chịu nhiệt độ khá lớn. Các sản phẩm oxi hóa
của dầu nhờn ở dạng keo bám trên thành xylanh, làm loÃng dầu
bôi trơn và làm giảm khả năng truyền nhiƯt tõ piston cho thµnh
xylanh. Sù tÝch tơ cđa chÊt keo trong rÃnh xéc măng sẽ làm cho
xéc măng bị kẹt hoặc làm cháy xéc măng, phá hủy khả năng
bao kín và làm giảm công suất của động cơ.
Dầu lu thông trong động cơ bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất
cơ học do mài mòn và muội than, do nhiên liệu và các sản phẩm
cháy không hoàn toàn của nó, do bị oxi hóa hoặc là do bụi bẩn.
Một phần của các tạp chất này tồn tại ở dạng dung dịch, một
phần ở dạng chất nhầy sẽ làm vấy bẩn các bề mặt chi tiết, bầu
lọc dầu, làm tắc nghẽn các đờng dẫn dầu do đó làm giảm lu
lợng dầu cung cấp tới các bề mặt làm việc.
Trong các sản phẩm oxi hóa dầu nhờn còn có các axit hữu

cơ và các chất hoạt tính khác. Khi sử dụng nhiên liệu có chứa lu
huỳnh, trong thành phần của khí lọt xuống các te sẽ có khí SO 2
cùng với hơi nớc sẽ tạo ra axit. Axit và các chất hoạt tính khác sẽ
gây han gỉ các chi tiết, đặc biệt là bạc lót ổ trục khuỷu. Việc
thông gió tốt và chế độ làm mát tối u sẽ kéo dài đợc tuổi thọ
của dầu nhờn và cải thiện chất lợng bôi trơn các bề mặt ma sát
động cơ.
4.2.4. Các chất phụ gia cđa dÇu nhên

54


Các chất phụ gia cho vào dầu nhờn nhằm mục đích làm
giảm mức độ mài mòn của các chi tiết cũng nh các quá trình ăn
mòn hóa học.
Theo công dụng có thể chia các chất phụ gia ra làm các loại
sau đây:
- Chất phụ gia để tăng độ nhớt và cải thiện tính chất độ
nhớt nhiệt độ của dầu nhờn.
- Chất phụ gia để làm giảm nhiệt độ đóng băng của dầu.
- Chất phụ gia để tránh kết cốc, tạo màng keo trên bề mặt
chi tiết.
- Chất phụ gia chống oxi hóa để nâng cao tính ổn định
của dầu.
- Chất phụ gia chông gỉ.
- Chất phụ gia để cải thiện bôi trơn và để bảo vệ bề mặt
các chi tiết.
- Chất phụ gia để tránh hiện tợng tạo bọt trong dầu khi lu
động trong hệ thống bôi trơn.
- Chất phụ gia tổng hợp có khả năng đồng thời cải thiện

một vài tính chất sử dụng của dầu nhờn.
4.2.5. Phân loại dầu nhờn
Dầu bôi trơn của động cơ đốt trong đợc chia ra làm hai
loại cơ bản là dầu cho động cơ tĩnh tại và dầu dùng cho động
cơ xe vận tải. Để đảm bảo sự làm việc tin cậy của động cơ,
cần phải sử dụng đúng loại dầu theo sự chỉ dẫn của nhà chế
tạo. Bảng 4.3 là bảng phân loại dầu bôi trơn theo tính chất sử
dụng của chúng (theo tiêu chuẩn của Liên Xô). Chữ cái và số tạo
thành mác dầu đợc ký hiệu nh sau:
- M: dầu dùng cho động cơ đốt trong, chữ số liền sau chữ
M (không có chỉ số) chỉ độ nhớt của dầu ë 100 0C, tÝnh b»ng
cSt.
- Ch÷ sè ngay sau ch÷ M có chỉ số z chỉ độ nhớt của
dầu ở -180C, tính bằng cSt. Đây là loại dầu có chất phụ gia đặc
biệt có thể dùng ở vùng giá lạnh và các nơi khác.
- Chữ số nằm ngay phía sau dấu phân số chỉ độ nhớt của
dầu nhờn ở 1000C.
55


- Chữ A chỉ dầu dùng cho động cơ xăng và đông cơ diesel
không cờng hóa, chữ chỉ dầu dùng cho động cơ xăng và
động cơ diesel cờng hóa thấp, chữ B chỉ dầu dùng cho động
cơ cờng hóa trung bình, chữ chỉ dầu dùng cho động cơ cờng hóa cao, chữ chỉ dầu dùng cho động cơ cờng hóa cao
làm việc trong điều kiện nặng nhọc, chữ E chỉ dầu dùng cho
động cơ diesel tốc độ thấp có hệ thống bôi trơn kiểu áp lực,
làm việc với nhiên liệu nặng, có hàm lợng lu huỳnh nhỏ hơn
3,5%. Chỉ số 1 chỉ dầu dùng cho động cơ xăng, chỉ số 2
chỉ dầu dùng cho động cơ diesel.
Bảng 4.3. Phân loại dầu bôi trơn (theo tiêu chuẩn của

Liên Xô cũ)
Cấp
độ
nhớt
6
8

Giới hạn độ
nhớt (Cst)
ở
ở
1000C
-180C
60,5
80,5

10

101

12

120,
5

14

141

16

161

20

202

4/6

60,5

4/8

80,5

4/10
6/10

100,
5
100,
5

Các nhóm dầu theo tính chất sử dụng
A
M-8A
M-10A

1300
và

<2600

c
M-8c
M10c
M12c
M14c
M16c
M20c

M4/61
M4/81

2600
và
<10400

B


1
M-61
M-81
M101

B1
M-6B1
M-8B1
M-10B1

Bc
M-8Bc
M10Bc
M12Bc
M14Bc
M16Bc
M20Bc

1
M-61
M-81
M-101

c
M-8c
M10c
M12c
M14c
M16c
M20c



E

M-8
M-10
M-12

M-12E

M-14

M-14E

M-16

M-16E

M-20

M-20E

M4/6B1
M4/8c

M4/8B1

M4/8Bc

M4/10B1

M4/10Bc

M6/10B1

M6/10Bc

M6/101

M6/10c

4.3. Chất lỏng làm mát
Chất lỏng dùng để làm mát động cơ phải có các tính chất
cơ bản sau đây:
- Có nhiệt dung riêng lớn, điều đó cho phép dùng một khối
lợng chất lỏng không lớn lu thông trong hệ thống làm mát mà vẫn
giữ đợc trạng thái nhiệt ổn định của động cơ.
56


- Có độ nhớt hợp lý để giảm tổn thất dẫn động hệ thống
làm mát và tránh rò rỉ chất lỏng qua đệm bao kín và các đầu
nối.
- Nhiệt độ sôi của chất lỏng phải lớn hơn nhiệt độ lớn nhất
cho phép của hệ thống làm mát từ 25 300C để tránh hiện tợng
tạo bọc hơi trong hệ thống và giảm mất mát chất lỏng do bay
hơi.
- Nhiệt độ đông đặc phải thấp hơn nhiệt độ của môi trờng không khí xung quanh để dễ dàng khởi động động cơ.
Để đảm bảo sự làm việc tin cậy của hệ thống làm mát,
chất lỏng không đợc đóng cặn trên các bề mặt tiếp xúc để
tránh làm giảm tiết diện lu thông và làm xấu điều kiện trao
đổi nhiệt, không độc hại, giá thành rẻ.
Nớc là loại chất lỏng có nhiệt dung riêng bằng 4,186 kJ/kg 0C
nên đợc dùng rất phổ biến để làm mát cho động cơ. Nhiệt độ
sôi của nớc ở điều kiện bình thờng là 1000C và giảm dần ở độ
cao so với mặt nớc biển. Lấy ví dụ ở độ cao 2500 m so với mặt
nớc biển, áp suất khí quyển là 74,7 KPa thì nhiệt độ sôi của nớc là 910C. Do đó khi động cơ làm việc ở vùng núi cao, nhiệt
độ cho phép của nớc trong hệ thống làm mát chỉ đợc chọn xấp

xỉ bằng 700C. Nhiệt độ đóng băng của nớc tơng đối cao (00C)
gây khó khăn cho việc sử dụng nớc trong hệ thống làm mát của
các động cơ làm việc ở khu vực có nhiệt độ môi trờng xung
quanh thấp. Khi đông đặc thể tích của nớc sẽ tăng lên (khoảng
10%) điều đó có thể dẫn tới phá hỏng két làm mát của động
cơ.
Nhiệt độ cho phép lớn nhất của nớc trong hệ thống làm mát
phụ thuộc vào lợng muối khoáng chứa trong nớc, nghĩa là phụ
thuộc vào độ cứng của nã.
NÕu trong mét lÝt níc chøa 20,04 mg ion canxi hoặc 12,16
mg ion magiê thì nớc đợc coi là có ®é cøng b»ng mét. Níc cã
®é cøng nhá h¬n bèn đơn vị độ cứng là nớc mềm, nớc có độ
cứng từ 4 8 đơn vị độ cứng đợc gọi là nớc cứng trung bình,
khi độ cứng lớn hơn 8 thì gọi là nớc cứng. Khi dùng nớc biển
hoặc nớc cứng để làm mát, nhiệt độ lớn nhất cho phép kh«ng
57


đợc vợt quá 550C để tránh sôi và tạo ra cặn bám trên thành áo nớc làm mát. Để tránh hiện tợng sôi của nớc trong hệ thống làm
mát, ngời ta dïng níc mỊm hc dïng níc cøng cã pha thêm các
chất phụ gia đặc biệt. Để giảm nhiệt độ đóng băng của chất
lỏng làm mát, ngời ta thờng sử dụng dung dịch của nớc với
etylenglycol. Etylenglycol là loại chất lỏng có nhiệt độ sôi ở
1980C và nhiệt độ bốc hơi là 11,5 0C. Nhiệt dung riêng của
etylenglycol là 2,93 kJ/kg.0C. Khi cho etylenglycol vào nớc sẽ làm
giảm nhiệt độ đóng băng của dung dịch, tùy theo hàm lợng
etylenglycol mà nhiệt độ đóng băng thay đổi trong khoảng từ
0 -750C. Với các động cơ ôtô, ngời ta thờng dùng dung dịch có
nhiệt độ đóng băng trong khoảng -40 -650C. Tõ etylenglycol
ngêi ta s¶n xuÊt ra chÊt láng dïng chung cho cả mùa đông lẫn

mùa hè. Do nhiệt độ sôi của chất lỏng làm mát lớn có thể tăng đợc nhiệt độ cho phép của hệ thống làm mát. Khi giảm độ chênh
nhiệt độ giữa khí cháy và thành xylanh cũng nh giữa thành
xylanh và chất lỏng làm mát sẽ làm giảm lợng nhiệt truyền từ
động cơ cho hệ thống làm mát, do vậy sẽ tăng đợc hiệu suất có
ích của động cơ, giảm đợc kích thớc và khối lợng của các thiết
bị truyền nhiệt.
Etylenglycol là một chất lỏng cã hƯ sè gi·n në thĨ tÝch lín.
Khi nãng ®Õn nhiệt độ làm việc, thể tích của nó có thể tăng
lên khoảng 6 8%, điều này cần thiết phải tính đến khi nạp
chất lỏng cho hệ thống làm mát. Nhợc điểm nữa của
etylenglycol là độc và có nhiệt độ bắt lửa thấp (122 0C), nghĩa
là có khả năng bắt lửa khi xuất hiện rò rỉ trong hệ thống làm
mát.
Để làm mát phần đầu của piston động cơ diesel, nếu có
thể đợc nên dùng dầu nhờn để làm mát sẽ tiện lợi hơn vì cấu
tạo của hệ thống rất đơn giản. Chính vì vậy mà mặc dù nhiệt
dung riêng của dầu nhờn thấp hơn 2,5 lần so với nớc làm mát,
ngời ta vẫn sử dụng dầu nhờn để làm mát cho đầu piston
nhiều hơn.

58


Để làm mát vòi phun, ngời ta sử dụng luôn dầu diesel. ở
những động cơ tàu thủy có công suất lớn, ngời ta thờng sử dùng
nớc cất để làm mát piston, vòi phun và máy nén khí.

59