báo cáo về nhiên liệu, cấu tạo và hoạt động của động cơ diezel

báo cáo về nhiên liệu, cấu tạo và hoạt động của động cơ diezel

I NHIÊN LIỆU DIESEL:

1 Nhiên liệu Diesel.

Khi chưng cất sơ cấp dầu thô ta thu được phân đoạn sôi giữa200 oC và 320 oC.Phân đoạn này được gọi là gas oil hay dầu diesel Dầu gas oil thu được từ các sảnphẩm cracking nhiệt vàcracking xúc tác rất khác với gas oil thu được từ chưng cấttrực tiếp dầu thô do thành phần của chúng đã bị biến đổi Hàm lượng parafin đã bịgiảm đi do sự hình thành các hiđrocacbon không bão hoà và hiđrocacbon thơm,chất lượng nổ và chỉ số cetan của dầu bị giảm đi

Tên gọi dầu gas oil có nguồn gốc từ việc dùng dầu này để sản xuất khí thắpsáng bằng cracking và mặc dầu ngày nay người ta không còn dùng nữa nhưng tênphân đoạn này vẫn được giữ nguyên vì những lượng lớn dầu vẫn được dùng đểsản xuất khí ướt Vì mục đích này, dầu gas oil phải có đặc trưng parafin để khicracking nhiệt người ta thu được hiệu suất cao khí có nhiệt trị lớn Bởi vậy, dầugas oil phải là distillate cất trực tiếp từ dầu mỏ parafin

Nhiên liệu diesel (Diesel fuel) có cùng một khoảng nhiệt độ chưng cất (200 ÷

dụng cho động cơ nén - nổ (được gọi là động cơ diesel) vì thế chúng được gọi lànhiên liệu diesel Các động cơ diesel có rất nhiều dạng và tốc độ, sử dụng mộtkhoảng rất rộng các nhiên liệu từ các distillat của dầu thô đến các phân đoạnchưng cất dầu than đá và các dầu thực vật

Vì là một sản phẩm thu được từ chưng cất nên dầu gas oil thay đổi về thànhphần tuỳ theo bản chất của dầu thô nhưng một số tính chất đặc trưng phải được

Bảng dưới đây minh hoạ một số tính chất của dầu gas oil khác nhau tùy theo khốilượng riêng của chúng

Công dụng chính của dầu gas oil là dùng để sản xuất khí ướt và tách benzen từkhí than, nhưng dầu gas oil có thể được dùng làm nhiên liệu cho động cơ dieseltuỳ thuộc vào chỉ số cetane của nó Nếu chỉ số cetane cao thì nó rất thích hợp chocác động cơ diesel cỡ nhỏ và tốc độ cao Nếu độ nhớt của dầu gas oil cao thìkhông thích hợp cho các động cơ diesel chạy đường biển, trong công nghiệp cótốc độ thấp vì việc bơm nhiên liệu khó khăn

2.Thành phần hóa học của diesel:

Phần lớn trong phân đoạn này là các n-parafin, iso-parafin, còn hidrocacbonthơm thì rất ít Ở cuối phân đoạn có những n-parafin có nhiệt độ kết tinh cao,chúng là những thành phần gây mất tính linh động của phân đoạn ở nhiệt độ thấp.Trong gasoil ngoài naphten và thơm 2 vòng là chủ yếu, những chất có 3 vòng bắtđầu tăng lên và còn các hợp chất hỗn hợp

Hàm lượng các chất chứa S, N, O tăng nhanh Lưu huỳnh chủ yếu dạngdisuafua Các chất chứa oxy (ở dạng axit naphtenic) có nhiều và đạt cực đại ởphân đọa này Ngoài ra còn các chất dạng phenol như dimetylphenol Trong gasoil

đã xuất hiện nhựa, song còn ít, trọng lượng phân tử của nhựa còn thấp 300 – 400dvc

2 Quan hệ giữa thành phần và tính chất sử dụng của phân đoạn Gas-oil.

Phân đoạn gasoil của dầu mỏ được sử dụng chủ chủ yếu làm nhiên liệu chođộng cơ diesel Khác với phân đoạn xăng, phân đoạn gasoil lấy trực tiếp từ dầu

mỏ là phân đoạn được xem là thích hợp để sản xuất nhiện liệu diesel mà khôngphải áp dụng những quá trình biến đổi hoá học phức tạp cả

Để có thể xem xét ảnh hưởng của thành phần hoá học của phân đoạn gasoilđến tính chất sử dụng của chúng trong động cơ diesel, trước hết cần phải khảo sátnguyên tắc làm việc của động cơ diesel và những đặc điểm của quá trình cháy củacác hydrocacbon trong động cơ

3 Ảnh hưởng của thành phần hydrocacbon trong phân đoạn gasoil đến quá trình cháy trong động cơ diesel.

Đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ diesel là nhiên liệu không đượchỗn hợp trước với không khí ngoài buồng đốt mà được đưa vào buồng đốt sau khikhông khí đã có một nhiệt độ cao do quá trình nén Nhiên liệu được phun vàodưới dạng các hạt sương mịn, được không khí truyền nhiệt, và bay hơi rồi biến đổisau đó sẽ tự bốc cháy Vì vậy, nhiên liệu được đưa vào xilanh sẽ không tự bốccháy ngay, mà có một khoảng thời gian nhất định để chuẩn bị, khoảng thời giannày chủ yếu là nhằm thực hiện một quá trình oxy hoá sâu sắc để có khả năng tựbốc cháy

Vì vậy, khoảng thời gian này dài hay ngắn, phụ thuộc rất nhiều vào thành phầncác hydrocacbon có trong nhiên liệu, dễ hay khó bị oxy hoá trong điều kiện nhiệt

độ của xilanh lúc đó khoảng thời gian này được gọi là thời gian cảm ứng hay thờigian cháy trễ

Thời gian cảm ứng của nhiên liệu càng ngắn, quá trình cháy của nhiên liệutrong động cơ diesel càng điều hoà Vì rằng nhiên liệu được đưa vào xilanh đượcthực hiện trong một khoảng thời gian nhất định, nếu nhiên liệu có thời gian cảmứng dài thì nhiện liệu đưa vào lúc đầu không tự bốc cháy ngay, làm cho số lượngnhiên liệu chưa làm việc ở trong xilanh quá lớn, nếu khi đó hiện tượng tự bốccháy mới bắt đầu xảy ra, sẽ làm cho cả một khối lượng nhiên liệu lớn cùng bốccháy đồng thời, quá trình cháy xảy ra với một tốc độ gần như cháy nổ vì vậy dẫnđến áp suất, nhiệt độ tăng cao một cách đột ngột nên hậu quả của nó cũng gầngiống như hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ xăng Trong trường hợp đó,

công suất động cơ sẽ giảm, động cơ thải nhiều khói đen, xilanh bị đóng cặn nhiều

do sự phân hủy nhiên liệu

Do đó, khác với nhiên liệu dùng cho động cơ xăng, nhiên liệu dùng cho động

cơ diesel phải có thành phần hydrocacbon sao cho dễ bị oxy hóa nhất tức là dễ tựbốc cháy nhất, nghĩa là phải có nhiều thành phần hydrocacbon n-parafin Nhữngaromatic và những iso parafin đều là những thành phần làm tăng thời gian cháy trểcủa của nhiên liệu và khả năng tự bốc cháy kém Nói chung, những quy luật đãkhảo sát đối với thành phần và cấu trúc hydrocacbon ảnh hưởng đến khả năngcháy kích nổ trong động cơ xăng, đều đúng trong trường hợp động cơ dieselnhưng với một ảnh hưởng ngược trở lại: loại nào tốt cho quá trình cháy trongđộng cơ xăng, thì không tốt cho quá trình cháy trong động cơ diesel và ngược lại

Vì vậy, có thể sắp xếp theo thứ tự chiều tăng dần thời gian cháy trễ của cáchydrocacbon trong động cơ diesel như sau:

Parafin mạch thẳng< naphten<olefin mạch thẳng<naphten có nhánh khôngno<parafin có mạch nhánh<oleffin có nhánh<hydrocacbon thơm

4 Trị số xetan:

Để đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu trong động cơ diezel,người ta đưa ra khái niệm chỉ số xetan, đó là đại lượng quy ước được tính bằngphần trăm thể tích của n-xetan (n-C16H34) trong hỗn hợp của nó với α-metylnaphtalen (C11H10) khi hỗn hợp này có khả năng bắt cháy tương đương vớinhiên liệu đang xem xét Trong đó n-xetan là cấu tử có khả năng tự bắt cháy tốtnên chỉ số xetan của nó được quy ước bằng 100, ngược lại α-metylnaphtalen làcấu tử có khả năng bắt cháy kém nên chỉ số xetan của nó được quy ước bằng 0

Để xác định trị số xetan của từng loại nhiên liệu, thường tiến hành đo thời giancháy trễ của chúng trong động cơ thí nghiệm tiêu chuẩn với số vòng quay 900vòng/ phút và so sánh với thời gian cháy trể của của hỗn hợp nhiên liệu chuẩn nóitrên

Trị số xêtan của một số hydrocacbon:

Phân đoạn gasoil của dầu mỏ họ parafinic bao giờ cũng có trị số xetan rất cao.Trong khi đó yêu cầu về tri số xetan của động cơ diesel tốc độ nhanh (500-1000vòng/phút) chỉ cần trên 50, động cơ diesel tốc độ chậm (<500 vòng/phút) chỉ cần30-40 Do đó phân đoạn gasoil lấy trực tiếp từ dầu mỏ thông thường được sử dụnglàm nhiên liệu cho động cơ diesel là thích hợp nhất, mà không cần phải qua nhữngquá trình biến đổi hoá học phức tạp Tuy nhiên khi cần tăng tri số xetan của nhiênliệu diesel, người ta cũng có thể cho thêm vào trong nhiên liệu một số phụ giathúc đẩy quá trình oxy hoá như isopropylnitrat, n-butylnitrat, n-amylnitrat,nhexylnitrat v.v với số lượng khoảng 1,5% thể tích chất phụ gia cũng có thể làmtăng trị số xêtan lên 15-20 đơn vị với trị số xêtan ban đầu của nó là 40-44 Mặtkhác ở những nước mà biên độ giao thông về nhiệt độ giữa mùa đông và mùa hèrất lớn, mùa đông thường nhiệt độ rất thấp so hơn 0oC, thì thành phần parafin cónhiệt độ kết tinh cao trong phân đoạn này có nhiều, sẽ gây một trở ngại cho việc

sử dụng chúng vì chúng làm cho nhiên liệu mất tính linh động, khó bơm chuyển,thậm chí các tinh thể parafin còn làm tắc các bầu lọc, đường dẫn nhiên liệu, làmgián đoạn quá trình cung cấp nhiên liệu cho buồng đốt Do đó, hàm lượng các n-parafin có trọng lượng phân tử cao trong nhiên liệu cần phải khống chế ở một mức

độ nhất định, khi cần thì có thể tiến hành quá trình tách loại bớt nparafin hoặc sửdụng thêm phụ gia giảm nhiệt độ kết tinh

5 Ảnh hưởng cuả các thành phần không phải hydrocacbon của phân đoạn gasoil đến quá trình cháy trong động cơ diezel.

Lưu huỳnh là một thành phần làm cho tính chất của nhiên liệu khi sử dụngtrong động cơ xấu đi Dù lưu huỳnh nằm ở dạng nào, khi chúng có trong thành

sang SO3 Hầu hết các khí này sẽ được thải ra ngoài cùng khói thải của động cơ,một phần nhỏ có thể lọt qua xéc măng vào cacter dầu và khi động cơ ngừng hoạtđộng, nhiệt độ trong xilanh giảm xuống các khí này sẽ kết hợp với hơi nước để tạo

ra các axit tương ứng đó là các axit có khả năng gây ăn mòn rất mạnh, cũngtươngtự như vậy, sau mỗi lần động cơ hoạt động rồi dừng lại thì các khí oxit lưuhuỳnh sẽ nằm lại trong hệ thống ống xã và khi nhiệt độ giảm thì chúng sẽ kết hợpvới hơi nước để tạo các axit gây ăn mòn hệ thống Ngoài ra những hợp chất củalưu huỳnh phân hủy còn tạo ra những lớp cặn rất cứng bám vào xéc măng củapiston gây xước các bề mặt này

Trong phân đoạn gasoil của dầu mỏ oxy tồn tại chủ yếu ở dạng axit naphtenic,điểm đáng chú ý ở đây là hàm lượng các axit này khá lớn đạt được cực đại trongthành phần của dầu mỏ Các axit này gây ăn mòn thùng chứa, đường ống dẫnnhiên liệu trong động cơ, sản phẩm ăn mòn của nó (các muối kim loại) lại lànhững chất hòa tan được trong nhiên liệu, nên làm cho nhiên liệu biến màu, kém

ổn định Mặt khác, chúng có thể đóng cặn trong buồng đốt, vòi phun hoặc khi cácmuối kim loại cháy, để lại các oxit rắn, làm tăng khả năng xước các bề mặt xilanh

Vì vậy, cần tiến hành loại bỏ thành phần này ra hỏi phân đoạn bằng cách cho tácdụng với kiềm để tạo thành các muối kiềm Muối kiềm này có tính chất tẩy rữatốt, tạo bọt tốt nên được thu hồi làm chất tẩy rữa công nghiệp, chủ yếu cho côngnghiệp dệt, và thường có tên gọi là xà phòng naphten Ngoài ra, dung dịch muối

Na của axit naphtenic với nồng độ 40% thu hồi được còn dùng làm chất vổ béocho gia súc và gia cầm Các hợp chất của nitơ thì làm tăng khả năng nhuộm màucủa nhiên liệu dođố làm mất tính ổn định của nhiên liệu trong quá trình tồn chứa.Các hợp chất nhựa và asphalten khi tồn tại trong nhiên liệu thì trong quá trìnhcháy chúng dễ bị ngưng tụ tạo ra các hợp chất đa vòng ngưng tụ gây nhiều ảnhhưởng xấu đến động cơ

6 Xu thế hoàn thiện phẩm cấp nhiên liệu diesel:

- Hiện nay trên thế giới có xu hướng diesel hóa các loại động cơ.Như vậy nhiênliệu diesel sẽ được sử dụng ngày càng nhiều hơn So vậy so với nhiên liệu xăng:

- Động cơ diesel có tỷ số nén cao hơn so với động cơ xăng, nên cho công suất lớnhơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu hơn

- Nhiên liệu diezel rẻ tiền hơn so với xăng do không phải qua các quá trình chếbiến

- Khí thải của động cơ diesel không độc hại bằng khí thải của động cơ xăng, donhiên liệu không có chất phụ gia

- Vì các lý do trên, động cơ diesel ngày càng phát triển và có ứng dụng rộng rãi

- Việc hoàn thiện phẩm cấp, chất lượng nhiên liệu diesel có ý nghĩa to lớn trongviệc nâng cao nâng suất thiết bị, tuổi thọ động cơ, bảo vệ môi trường sinh thái,bao gồm các vấn đề sau:

cách tuần hoàn khí thải sử dụng bộ xúc tác

 Giảm tối thiểu lượng lưu huỳnh (S<=0,5%)

 Giảm hàm lượng hydrocacbon thơm xuống còn thấp hơn 20% thể tích

II CẤU TẠO ĐỘNG CƠ DIESEL

Hệ thống làm mát: - Bộ tản nhiệt và bộ điều hòa.

- Bơm nước và dây đai.

- Quạt làm mát.

Hệ thống nạp và thải: - Lọc gió và bơm áp suất.

- Ống nạp và thải.

- Ống thải và ống khói.

Hệ thống nhiên liệu: - Bơm tiếp vận.

- Bơm cao áp và kim phun.

- Thùng nhiên liệu, lọc nhiên liệu.

cơ có áo nước làm mát, đường dẫn dầu bôi trơn và chỗ để bắt các chi tiết phụ.Trong xi lanh có đặt một pittông, pittông đươc nối với trục khuỷu nhờ thanhtruyền, cơ cấu pittông thanh, trục khuỷu có tác dụng biến chuyển động tịnh tiếncủa pittông thành chuyển động quay của trục khuỷu.

 Khối xylanh:

Được chế tạo bằng gang, có độ bền cao, để chống lại nhiệt, áp suất cao vàrung động lớn Vì vậy nó thường được sử dụng ở các loại xe tải nặng Xung quanhxylanh có áo nước để làm mát trực tiếp bên trong xylanh hoặc sử dụng áo nướccách vách xylanh qua một lớp kim loại (loại khô) Một số khối xylanh được chếtạo bằng gang đặc biệt để chống mài mòn và chịu tải Như vậy khoảng cách giữa 2xylanh được làm ngắn lại để gảm kích thước và trọng lượng của động cơ

 Nắp máy:

Nắp máy có cấu trúc vững chắc và nặng để chống lại áp suất khí cháy lớn và

sự rung động mạnh Trong động cơ diesel dung buồng đốt xoáy lốc, mỗi buồngđốt của một xylanh được bố trí trong nắp máy Kim phun được bố trí trên nắp máy

để phun nhiên liệu vào xylanh và một bugi xông để tạo ra năng lượng nhiệt banđầu để dễ dàng khởi động khi thời tiết lạnh

để làm mát rãnh xéc-măng số1 Dầu được phun vào từ vòi phun dầu, qua rãnh làmmát này và làm mát pít tông

 Xéc măng:

Vai trò của xéc măng có vát mặt trên :

Bề mặt trên cùng của xec-măng được làm côn để ngăn xéc-măng không bịdính muội than Khi động cơ chạy, pít tông cũng chuyển động một chút theo chiềungang, làm khe hở giữa rãnh xéc-măng và xéc măng thay đổi Điều này làm bongmuội than bên trong rãnh xéc-măng và đẩy chúng ra ngoài rãnh xéc-măng cùngvới dầu

2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu gồm: bầu lọc, bơm tiếp vận, bơm cao áp, kim

phun, các đường ống dẫn dầu Trong đó bơm cao áp là thiết bị quan trọng nhất

- Bơm tiếp vận: Dùng để hút nhiên liệu từ thùng chứa và đẩy nhiên liệu qua lọc

nhiên liệu để cung cấp cho bơm cao áp Bơm tiếp vận được bố trí bên cạnh bơmcao áp và được dẫn động bởi trục bơm cao áp

- Bơm cao áp:Thường được bố trí bố bên hông động cơ Nó được dẫn động từ trục

khuỷu bằng các bánh răng hoặc dây đai cam Có 2 kiểu bơm cao áp là kiểu bơmphân phối và kiểu bơm thẳng hàng

Chức năng: nén nhiên liệu và bơm đến vòi phun đồng đều nhau theo đúng thứ tự

thì nổ động cơ, ấn định lưu lượng nhiên liệu tạo áp suất cao để nhiên liệu có thểphun sương, bơm hiên liệu vào buồng đốt đúng thời điểm

-Lọc sơ cấp :Thông thướng, trên động cơ diesel nhiên liệu phải qua 3 lần lọc: lọc

sơ cấp, thứ cấp và nơi kim phun Bình lọc sơ cấp đặt giữa thùng nhiên liệu và bơmtiếp vận Lõi bộ lọc thường làm bằng lưới thau có lỗ thưa khoảng 0,1mm

-Lọc thứ cấp:Lõi thường làm bằng giấy xốp xếp thành nhiều lớp để tăng diện tíchtiếp xúc Có loại làm bàng vải hay nỉ, có loại làm bằng sợi quấn quanh ống đục lỗ.Lõi bình lọc thứ cấp có 2 loại :

 Loại rửa sạch được và có thể dùng lại

 Loại phải thay mới sau khi hết thời gian sử dụng

- Kim phun: bao gồm thân kim và van ki.

Kim phun là một loại van có độ chính xác rất cao 1/1000mm và được bôi trơnbằng nhiên liệu Lỗ dầu đến kim phun được bố trí chặt tới vòi kim bằng một đai

ốc, lò xo điều tiết áp lực mở kim được điều chỉnh bởi các vòng đệm

Cấu tạo vòi phun: 1-đầu phun; 2-đai ốccủa đầu phun; 3,5-chốt định vị; 4-tấmđệm; 6-cần nén kim phun; 7-thân; 8-vành khít; 9-ống nối; 10-lưới lọc;11-bạclót; 12-vòng điều chỉnh; 13-lò xo; 14-ống dẫn nhiên liệu;15-kim;16-buồnghình vành khăn

Chức năng: phun nhiên liệu vào buồng đốt, giới hạn áp suất phun nhiên liệu do

bơm cao áp cung cấp đến Tán nhuyễn nhiên liệu thành sương và phân phối lượngnhiên liệu này thật đều trong buồng đốt giúp nhiên liệu được cháy trọn vẹn

3.Hệ thống phân phối khí:

Ở động cơ diesel, trục cam, bơm cao áp được dẫn động bằng các bánh răng hoặc

dây đai, chúng được bố trí ở phía trước thân máy

 Kiểu dùng bánh răng:

Bánh răng trục khuỷu dẫn động trực tiếp bánh răng trục cam Bánh răng trụckhuỷu truyền công suât đến bánh răng bơm cao áp qua một bánh răng trung gian.Được thiết kế là bánh răng trụ răng nghiêng để giảm tiếng ồn

 Kiểu dùng dây đai:

Được chế tạo bằng cao su chịu nhiệt và ma sát, bên trong được gia cố để chống

co dãn Các răng được bao phủ bởi một lớp vải chống mòn Lực căng của dây đaiđược điều chỉnh bởi bánh căng đai Lực căng ban đầu là lực lò xo

4.Hệ thống bôi trơn

 Lọc nhớt:

- Có hai phần tử lọc full-flow và bypass

- Phần tử full-flow được đặt giữa bơm nhớt và động cơ, phần tử bypass đặt giữabơm nhớt và cacter của động cơ

- Phần tử full-flow dùng để gạn lọc các tạp chất có trong nhớt để không làm ảnhhưởng đến các chi tiết chuyển động của động cơ Phần tử bypass có tác dụng giữlại các chất lắng, cặn, muội than…lẫn trong dầu nhớt

- Trong két làm mát nhớt có bố trí một van giảm áp để tránh sự hư hỏng do giatăng tốc nhớt ở nhiệt độ thấp

- Làm sạch: Khi làm việc, bề mặt ma sát sinh ra mùn kim loại Nhờ dầu nhờn lưuchuyển tuần hoàn qua các bề mặt ma sát, cuôn theo các tạp chất đưa về cacte dầu

và được lắng lại

- Làm kín: Nhờ khả năng bám dính tạo màng, dầu nhờn làm kín các khe hở, khôngcho hơi bị rò rỉ.

- Bảo vệ kim loại: Dầu nhờn tạo thành màng mỏng phủ kín bề mặt kim loại ngănkhông cho động cơ tiếp xúc với không khí

- Đối với động cơ Diesel cỡ nhỏ dùng hệ thống làm mát bằng gió

Tốt nhất là nhiệt độ dầu động cơ không lên cao quá 1000C Nếu nhiệt độ dầu lên trên 1250 C thì các đặc tính bôi trơn của dầu sẽ bị huỷ hoại ngay.Vì vậy, một số động cơ có trang bị bộ làm mát dầu để duy trì đặc tính bôi trơn

Thông thường, toàn bộ dầu đều chảy qua bộ làm mát rồi sau đó đi đến các bộ phận