Chương 2: Nhiên liệu, dầu bôi trơn và chất lỏng làm mát

Chương 2. Nhiên liệu, dầu bôi trơn và chất lỏng làm mát 1. Nhiên liệu dùng cho ĐCĐT 2. Dầu bôi trơn dùng cho ĐCĐT 3. Chất lỏng làm mát 2.1. Nhiên liệu  NL chủ yếu dùng cho ĐCĐT: là NL thể lỏng (xăng, NL diesel) – hỗn hợp các cacbua hydro (HC). Từ tinh lọc dầu mỏ  NL khác: khí thiên nhiên nén và hóa lỏng; NL tổng hợp (tinh lọc than đá); cồn; ê-te, este; hidrô, NL sinh học... Trong chu kỳ sống (tuổi thọ) của ĐC, 70% chi phí cho NL TÍNH CHẤT CỦA NHIấN LIỆU TÍNH CHẤT HểA Lí: -Tỷ trọng; -Thành phần húa học và phõn đoạn tinh lọc; -Sức căng mặt ngoài; -Độ nhớt TÍNH KHAI THÁC: -Tớnh bay hơi; -Tớnh dễ chỏy; -Tớnh chống kớch nổ; -Tớnh khởi động; -Tớnh chất nhiệt độ thấp  Nhiệt trị cao (H0) được xác định bằng thực nghiệm (đốt NL với ô-xy nén trong Bom nhiệt lượng): là nhiệt lượng khi đốt cháy nhiên liệu và phần nhiệt lượng do kết quả của sự ngưng tụ hơi nước (tạo ra khi cháy).  Với ĐCĐT, sản phẩm cháy thải ra môi trường có T cao hơn so với Tngưng tụ của hơi nước  phần nhiệt lượng do kết quả của sự ngưng tụ hơi nước không được sử dụng cho CTCT  Khi tính toán nhiệt ĐC thường sử dụng nhiệt trị thấp của nhiên liệu Hu. Quan hệ giữa H0 và Hu: Hu = H0 - 2,512.W W – lượng hơi nước trong sản phẩm cháy nhận được khi đốt cháy 1 kg (hay 1 m3) nhiên liệu, [kg]. 2,512 – trị số gần đúng nhiệt hóa hơi của nước, [MJ/kg].  Cần sử dụng đúng loại NL do nhà máy chế tạo ĐC ấn định, nếu không sẽ làm giảm các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, tăng ô nhiễm môi trường, tăng tiếng ồn và giảm độ tin cậy khi làm việc. Thông số kỹ thuật Xăng ôtô Diesel cao tốc Diesel xe vận tai Diesel tốc độ thấp Trị số octan không nhỏ hơn 66  89 - - - Trị số xetan không nhỏ hơn - 45  52 45 - Nhiệt độ chưng cất (0C) không nhỏ hơn 35 - - - Nhiệt độ chưng cất (0C) không lớn hơn với: 10% nhiên liệu 15% nhiên liệu 50% nhiên liệu 90% nhiên liệu 95% nhiên liệu 5579 - 100125 160195 - <200 - 255290 - 330360 - - 240280 - 330360 - 250 - - Nhiệt độ sôi không lớn hơn 185  205 - - - áp suất hơi bão hòa (mmHg) 500700 - - - Độ nhớt động học (CSt) ở nhiệt độ: 200C 500C - - 1,51,8 - 1,51,6 - - 36150 Nhiệt độ đóng băng 0C không cao hơn - -10  -60 -10  -55 -5  -10 Bảng 1.1. Các thông số cơ bản của nhiên liệu lỏng dùng cho ĐCĐT Nhiên liệu xăng  NL xăng cho ĐCĐT ôtô hỗn hợp các cacbua hydrô có nhiệt độ sôi trong khoảng 40... 200 oC;  Xăng dùng cho ôtô được ký hiệu bằng chữ A, sau đó đến chỉ số ốc-tan, ví dụ A-76, АИ-93 (АИ-92), АИ-95, АИ-98, chữ И để chỉ trị số octan xác định bằng PP (nghiên cứu – исследовательский метод - RON). Các loại xăng ôtô có trị số octan nằm trong khoảng từ 66  100.  Trị số octan của NL (ON): khả năng chống kích nổ của NL, ON càng cao thì hệ số nén càng cao  càng cao. Kích nổ: quá trình cháy nhanh quá mức (nổ) HH trong XL ĐC, gây ra gõ, dao động, nóng ĐC ON - % izooctan  ON xác định bằng 2 PP: Phương pháp motô(MON) để xác định cho xăng có khả năng chống kích nổ khi làm việc ở chế độ nhiệt cao và phương pháp nghiên cứu (RON) cho xăng ôtô làm việc trong điều kiện thành phố. RON – MON = 8...12 – gọi là độ nhạy cảm của xăng  ĐC bị cháy kích nổ lâu  dẫn tới cháy PT, XP và phá hỏng các ổ trục. Izo-octan có khả năng chống kích nổ cao nhất là (trị số ốc- tan=100) và heptan chống kích nổ kém nhất là (trị số ốc-tan = 0).  Khả năng chống kích nổ được xác định bằng thực nghiệm và đánh giá bằng trị số ốc-tan (hàm lượng theo % thể tích izo-octan trong HH với heptan mà HH này có khả năng chống kích nổ như NL thử). Ví dụ, NL thí nghiệm khi thử bị kích nổ như HH chứa 72% izo-octan và 28% heptan  trị số octan là 72.  Để tăng ON của xăng: cho phụ gia chống kích nổ: cacbonat kim loại; alkinhalogenit... hợp chất chứa ôxy (ete, este...)  Khi tăng hệ số nén và D XL ON Tính bay hơi của xăng: được xác định bởi thành phần tinh lọc và áp suất bão hòa của nó. Tính bay hơn ảnh hưởng đến khả năng khởi động ĐC ở T thấp, tạo hơi ở T cao, và tính năng tăng tốc của ĐC. Nhiên liệu diesel  Quá trình tạo HH có A.hưởng rất lớn đến chất lượng QT cháy và các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của ĐC diesel. Thành phần chưng cất của NL diesel cũng được đánh giá bằng Thóa hơi như NL xăng.  Tính chất khai thác quan trọng của NL diesel là: Khả năng bay hơi, khả năng tự bốc cháy, và tính chất ở T thấp. Khả năng bay hơi: phụ thuộc vào thành phần chưng cất, tỷ trọng và độ nhớt  quyết định khả năng tạo hỗn hợp trong XL.  Khả năng tự bốc cháy: là TC quan trọng nhất của NL diesel. + là Tnhỏ nhất mà NL tụ bốc cháy và cháy liên tục không cần tác động của một nguồn cháy. + Ttự bốc cháy phụ thuộc vào thành phần hoá học của NL và điều kiện môi trường xung quanh. Khi tăng pmôi trường và hàm lượng ô xy  Ttụ bốc cháy giảm. Với nhiên liệu diesel nguồn gốc dầu mỏ, Ttự bốc cháy (khi pkhông khí = 3,5-4,5 MPa) vào khoảng 200-250 0C. + Khoảng thời gian tính từ khi bắt đầu phun NL đến lúc bắt đầu tăng ptrong XL phụ thuộc vào khả năng tự bốc cháy của NL. Nhiên liệu càng dễ tự bốc cháy, càng tạo điều kiện cho QT cháy xảy ra êm dịu, p không bị tăng đột ngột và không xuất hiện tiếng gõ. + Xê-tan (C16H34) có khả năng tự bốc cháy cao (trị số xê-tan =100) và anpha-metyl-naphtalin (C10H7CH3) có khả năng tự bốc cháy thấp (trị số xê-tan= 0). + Khả năng tự bốc cháy của NL diesel được đánh giá bằng trị số xê- tan và được xác định bằng thực nghiệm. Trị số xê-tan là hàm lượng tính theo % thể tích của xê-tan trong hỗn hợp với anpha-metyl- naphtalin có khả năng bắt lửa như NL mẫu. Ví dụ: nếu NL thử có độ bắt lửa như HH chứa 45% xetan và 55% anpha-metyl naphtalin thì trị số xê-tan của nhiên liệu thử sẽ là 45. +Khi trị số xê-tan thấp  thời gian cháy trễ sẽ kéo dài, làm cho mức độ tăng áp suất lớn ĐC làm việc không êm. Việc tăng trị số xê-tan quá mức cũng không hợp lý vì NL diesel sẽ bốc cháy trước khi được hòa trộn đều với KK  trị số xê-tan của NL diesel chỉ nằm trong khoảng 40  55. Nhiệt độ bén lửa: T nhỏ nhất mà HH hơi NL và KK bùng cháy khi tiếp xúc với ngọn lửa. Tbén lửa phụ thuộc vào thành phần chưng cất nhẹ và A.hưởng đến tính năng an toàn khi bảo quản NL diesel. Nhiệt độ đông đặc: T mà NL trong quá trình làm lạnh mất khả năng lưu động. Tđộng đặc không thấp hơn -100C với NL diesel thông thường, đây là TS cần quan tâm khi làm việc ở vùng khí hậu lạnh. Khối lượng riêng: là tỷ số giữa khối lượng và thể tích của chúng (g/m3) hoặc (kg/m3). Độ nhớt: Độ nhớt càng nhỏ thì chất lượng phun càng tốt. Nếu độ nhớt của NL tăng  tăng lượng NL cung cấp cho 1 CT (do giảm lượng NL lọt qua khe hở PT-XL bơm cao áp và làm tăng góc phun sớm). Khi độ nhớt tăng  chất lượng phun NL sẽ kém, các hạt NL phun không đồng đều; kích thước, góc côn của tia phun giảm. ĐC diesel BC thống nhất (BC phải phù hợp với hình dạng, hướng chùm tia phun) rất nhạy cảm với sự thay đổi độ nhớt của NL.  Độ cốc hoá: là cặn dầu hình thành trên bề mặt các chi tiết bị sấy nóng do sự phân huỷ NL ở Tcao. Nếu NL có độ cốc hoá cao hình thành cặn bám quanh miệng vòi phun, rãnh xéc măng, thành BC  Hàm lượng lưu huỳnh (S): NL diesel có chất lượng cao và giá bán càng cao nếu hàm lượng S càng thấp ( H.lượng S trong NL diesel phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc dầu thô và PP tinh lọc tiếp theo). Lưu huỳnh có trong NL diesel gây ăn mòn các chi tiết có liên quan (HT nhiên liệu, nhóm PT-XL, đường ống thải ..) và làm tăng mức độ độc hại khí thải của ĐC diesel.  Hàm lượng nước: nước có trong NL diesel khi bảo quản và vận chuyển  gây ăn mòn thùng chứa và thiết bị của HT nhiên liệu, làm khó khởi động và gián đoạn sự làm việc của ĐC.  Hàm lượng tạp chất cơ học: hạt cốc, bụi, kim loại Chúng làm bẩn két chứa NL, màng lọc, tăng mài mòn chi tiết (nhất là bơm cao áp, vòi phun, xéc măng). Các NL khác dùng cho ĐCDT  Khí tự nhiên nén – CNG (95% metan CH4); Khí hóa lỏng –LPG (khí mỏ dầu); Hydrô; Hợp chất chữa ôxy: ete, este, dầu thực vật; NL tổng hợp (nhân tạo): tổng hợp xăng + diesel, metanol + khí thiên nhiên (đã bị cấm) NL hỗn hợp: B5, B20 (5, 20% NL sinh học vào NL diesel = Biodiesel); E85 ( 85% etanon, 15% xăng); M15 (15% metanon và 85% xăng - đã bị cấm); Nước nhũ tương: “Nước trong NL” nước chiếm 10...40% thể tích 2.2 Dầu bôi trơn dùng cho ĐC Công dụng của dầu bôi trơn: - Bôi trơn các bề mặt giảm ma sát  giảm Nm - Rửa sạch các bề mặt ma sát - Làm mát một số chi tiết - Bao kín khe hở giữa các cặp chi tiết: PT-XM-XL - Chống ô xy hoá (gỉ) (dùng chất phụ gia) - Rút ngắn thời gian chạy rà ĐC Độ nhớt  là TS cơ bản vì nó ảnh hưởng đến tính chất thủy động của màng dầu cũng như tổn thất ma sát.  Khi tính toán và đánh giá tính chất sử dụng, thường sử dụng độ nhớt động học (tỷ số giữa độ nhớt động lực học và khối lượng riêng của dầu bôi trơn ở Ttính toán). Trong mã hiệu, độ nhớt động học được biểu thị bằng centistok (Cst) ở 1000C. Ví dụ dầu nhờn M10 có độ nhớt động học là 10 Cst ở 1000C.  Độ nhớt  khi giảm  T  làm tăng tổn thất ma sát. Mức độ tăng độ nhớt khi  T phụ thuộc vào tính chất lý hóa của dầu.  Để ĐC làm việc tin cậy ở những vùng có T khác nhau yêu cầu độ nhớt ít thay đổi theo T. Để đánh giá sự thay đổi độ nhớt tùy thuộc vào T, ngoài trị số độ nhớt động học ở 1000C còn sử dụng độ nhớt động học ở 00C và tỷ số độ nhớt ở 50 và 1000C ( 50/  100).  Độ nhớt của dầu nhờn còn phụ thuộc vào p, khi p  độ nhớt . 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 p:  = 0 .a trong đó:  và 0 là độ nhớt của dầu ứng với áp suất p và áp suất môi trường; a là hằng số (a = 1,002  1,004).  Độ nhớt của dầu được lựa chọn tùy theo kích thước, điều kiện làm việc của các ổ trục cũng như điều kiện khí hậu sử dụng ĐC.  ĐC xăng thường dùng dầu có độ nhớt 6, 8, 10, 12 Cst; còn ĐC diesel dùng dầu có độ nhớt 8, 10, 12, 14, 16, 20 Cst. Dầu có độ nhớt cao dùng cho những ĐC chịu phụ tải lớn; những ĐC làm việc ở vùng có Tmôi trường cao.  Độ nhớt ảnh hưởng đến sự lưu động của dầu nhờn qua khe hở trong các mối ghép  ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt và làm mát các chi tiết. Dầu có độ nhớt cao sẽ truyền nhiệt tốt hơn và khả năng tẩy rửa tạp chất khỏi các bề mặt làm việc tốt hơn.  Sự tổn hao dầu nhờn do cháy cũng liên quan đến độ nhớt của dầu. Do tác dụng bơm dầu của XM, dầu sẽ được đưa vào BC và bị đốt cháy. Đồng thời một lượng dầu khác cũng bị hút vào BC qua khe hở giữa XP và ống dẫn hướng dầu nhờn có độ nhớt lớn sẽ ít bị cháy hơn. Lượng tiêu hao dầu nhờn do cháy có thể đạt tới 85% toàn bộ lượng dầu nhờn tiêu hao của ĐC. Chất lượng bôi trơn của dầu nhờn  Đ.kiện làm việc của một số cặp lắp ghép PT –XL, XM–XL không đảm bảo được chế độ bôi trơn ổn định  trạng thái bôi trơn của chúng thường là ma sát tới hạn.  Trạng thái ma sát tới hạn xuất hiện khi thay đổi CĐ làm việc của ĐC (khi không đủ dầu, khi tăng ptrên bề mặt, khi tăng T trong mối ghép, khi giảm tốc độ chuyển dịch tương đối giữa 2 bề mặt). Khi đó, hệ số ma sát không còn phụ thuộc vào độ nhớt mà phụ thuộc vào hàm lượng các chất hoạt tính trên bề mặt làm việc. Lớp màng các chất hoạt tính tránh được sự tiếp xúc trực tiếp của các bề mặt làm việc giảm được tổn thất ma sát và mài mòn các chi tiết.  Khả năng đảm bảo tác dụng bôi trơn trong điều kiện ma sát tới hạn, được gọi là “tính bôi trơn”. Đối với các ĐC cường hóa hoặc làm việc ở CĐ không ổn định trong thời gian dài cần phải sử dụng dầu nhờn có tính bôi trơn cao. Sự già hóa của dầu nhờn  Dầu nhờn do tác dụng của T và p cao, do bị ô xy hóa, do sản phẩm cháy lọt xuống cac-te, lẫn nước và bụi bẩn làm cho tính chất hóa lý của dầu bị thay đổi. QT lão hóa bắt đầu từ khi rót dầu vào HT bôi trơn và kéo dài trong suốt thời gian sử dụng.  Các sản phẩm ô xy hóa do NL cháy không hết bám trên bề mặt BC, trên đế XP, vòi phun, buji, là nguồn chính tạo ra muội than.  Muội than sẽ làm giảm khả năng trao đổi nhiệt của BC. Trong trường hợp muội than rơi vào bề mặt tiếp xúc giữa tán nấm và đế XP XP sẽ bị kênh (thậm chí bị cháy). Với ĐC 2 kỳ do kết cốc xung quanh các cửa nạp và cửa thải (chủ yếu là cửa thải) mà chất lượng trao đổi khí sẽ rất kém, Ne giảm nghiêm trọng. + Dầu nhờn trong khe hở giữa PT-XL, XM-XL chịu T khá lớn. Các sản phẩm ô xy hóa của dầu nhờn (dạng keo) bám trên thành XL  làm loãng dầu và làm giảm khả năng truyền nhiệt từ PT cho thành XL; làm cho XM bị kẹt (hoặc cháy); phá hủy khả năng bao kín; làm giảm Ne. + Dầu lưu thông trong ĐC bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất cơ học (1 phần của các tạp chất này tồn tại ở dạng dung dịch, một phần ở dạng chất nhầy)  làm bẩn các bề mặt chi tiết, bầu lọc dầu, làm tắc nghẽn các đường dẫn dầu làm giảm lưu lượng dầu cung cấp tới các bề mặt làm việc. + Khi NL có chứa lưu huỳnh (S), trong khí cháy lọt xuống các-te sẽ có khí SO2 + hơi nước axit  gây han gỉ các chi tiết, đặc biệt là bạc lót ổ trục khuỷu (ổ trục chính). Tuổi thọ của dầu nhờn và chất lượng bôi trơn sẽ được cải thiện nếu thông gió các-te tốt và đảm bảo làm mát dầu nhờn hợp lý. Các chất phụ gia của dầu nhờn  Chất phụ gia được dùng nhằm giảm mức độ mài mòn của các chi tiết cũng như các QT ăn mòn hóa học. Theo công dụng có thể chia các chất phụ gia như sau: + Tăng độ nhớt và cải thiện “độ nhớt nhiệt độ”. + Giảm Tđóng băng của dầu. + Tránh kết cốc, tạo màng keo trên bề mặt chi tiết. + Chống ô-xy hóa để tăng tính ổn định của dầu. + Chống gỉ. + Cải thiện bôi trơn và để bảo vệ bề mặt chi tiết. + Tránh tạo bọt trong dầu khi lưu động trong HT bôi trơn. + Chất phụ gia tổng hợp có khả năng đồng thời cải thiện một vài tính chất sử dụng của dầu nhờn. Một số thông số sử dụng của dầu bôi trơn (theo TC Mỹ) Chỉ số SAE: là chỉ số phân loại theo độ nhớt ở 1000C và -180C của Hiệp hội kỹ sư ô tô Hoa kỳ (Society of Automobile Engineers) ban hành 6/1989. Tại T nhất định chỉ số SAE lớn  độ nhớt của dầu bôi trơn cao và ngược lại Chỉ số SAE bao gồm 2 cấp độ: -Loại đơn cấp (1chỉ số): ví dụ SAE-40, SAE-50, SAE-10W, SAE-20W. W (winter– mùa đông) dựa trên cơ sở độ nhớt ở T thấp tối đa (ở Tkhởi động từ -30 đến-50C). Không có chữ W chỉ dựa trên cơ sở độ nhớt ở 1000C. -Loại đa cấp (2 chỉ số): SAE-20W/50;SAE-10W/40Ví dụ: SAE-20W/50 ở T thấp có cấp độ nhớt giống như loại đơn cấp SAE-20W, còn ở T cao có độ nhớt cùng loại đơn cấp SAE-50. -Dầu nhờn có chỉ số đa cấp có phạm vi Tmôi trường sử dụng rộng hơn loại đơn cấp. Ví dụ: SAE-40 dùng cho môi trường có T từ 2642 0C, trong khi SAE-20W/50 có thể sử dụng ở môi trường có T từ 0 400C. Tại Việt nam, dầu nhờn thường dùng là SAE-20W/40.  Chỉ số API: là chỉ số đánh giá chất lượng dầu nhờn của Viện hoá dầu Hoa kỳ (American Petroleum Institute), cho biết cấp chất lượng dầu nhờn khác nhau theo chủng loại ĐC; được phân thành 2 loại: - Dầu chuyên dụng: chỉ dùng cho một trong hai loại ĐC (xăng hoặc diesel). Ví dụ: API-SH và API-CE (chữ SĐC xăng, CĐC diesel); chữ thứ 2 chỉ cấp chất lượng tăng dần theo thứ tự chữ cái (cấp cao nhất hiện nay là SH và CF). - Dầu đa dụng: có thể dùng cho cả 2 loại ĐC. Ví dụ: API-SG/CD có nghĩa là dùng cho ĐC xăng với cấp chất lượng G còn dùng cho ĐC diesel với cấp chất lượng D, chỉ số nào viết trước thì ưu tiên dùng cho loại ĐC đó.  Trong quá trình khai thác, phải tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất ĐC về chỉ số SAE, API và thời gian thay dầu bôi trơn. Phải sử dụng dầu bôi trơn có đúng chỉ số SAE theo yêu cầu, còn chỉ số API càng cao (chất lượng dầu càng tốt) thời gian thay dầu dài hơn 2.3. Chất lỏng làm mát Yêu cầu:  Có nhiệt dung riêng lớn  cho phép dùng một khối lượng chất lỏng không lớn trong hệ thống làm mát (HTLM) mà vẫn giữ được trạng thái nhiệt ổn định của ĐC.  Có độ nhớt hợp lý để giảm tổn thất dẫn động HTLM và tránh rò rỉ chất lỏng qua đệm bao kín và các đầu nối.  Tsôi của chất lỏng phải lớn hơn T lớn nhất cho phép của HTLM từ 25300C để tránh hiện tượng tạo bọc hơi trong HTLM và giảm mất mát chất lỏng do bay hơi.  Tđông đặc phải thấp hơn Tmôi trường không khí xung quanh để dễ dàng khởi động ĐC.  Để đảm bảo sự làm việc tin cậy của HTLM, không được đóng cặn trên các bề mặt tiếp xúc để tránh làm giảm tiết diện lưu thông và làm xấu điều kiện trao đổi nhiệt, không độc hại, giá thành rẻ.  Nước là loại chất lỏng được dùng rất phổ biến cho ĐC. Tsôi của nước ở ĐK bình thường là 1000C và giảm dần khi tăng độ cao so với mặt biển. ở độ cao 2500 m so với mặt biển, pkhí quyển là 74,7 kPa thì Tsôi của nước là 910C  ở vùng núi cao, Tcho phép của nước trong HTLM được chọn xấp xỉ bằng 700C.  Tđóng băng của nước tương đối cao (00C) khó khăn khi sử dụng ở khu vực có Tmôi trường xung thấp ( Khi đông đặc thể tích tăng lên khoảng 10%  có thể dẫn tới phá hỏng két làm mát của ĐC).  Tcho phép lớn nhất của nước trong HTLM phụ thuộc vào lượng muối khoáng chứa trong nước (độ cứng).  Để tránh hiện tượng sôi của nước trong HTLM--> dùng nước mềm hoặc dùng nước cứng có pha thêm các chất phụ gia đặc biệt.  Để giảm Tđóng băng, sử dụng dung dịch của nước với etylen-glycol (có Tsôi 1980C và T bốc hơi là 11,50C, nhiệt dung riêng 2,93 kJ/kg.0C)  giảm Tđóng băng 0  -750C. ĐC ôtô, người ta thường dùng dung dịch có Tđóng băng từ - 40  -650C.  Etylen-glycol là một chất lỏng có hệ số giãn nở thể tích lớn (ở Tlàm việc, thể tích có thể tăng lên 6 8%)  cần phải tính đến khi nạp chất lỏng cho HTLM. Ngoài ra, etylen-glycol độc và có Tbắt lửa thấp (1220C).  Để làm mát phần đầu PT động cơ diesel (ứng suất nhiệt lớn), có thể sử dụng dầu nhờn (có áp, dẫn lên từ TK dọc theo thân TT).  Để làm mát Vòi phun, Bơm cao áp  dùng luôn NL diesel.