nhiên liệu, dầu bôi trơn, chất lỏng làm mát

Nhiªn liÖu ®­îc dïng cho ®éng c¬ cã thÓ lµ nhiªn liÖu láng hoÆc nhiªn liÖu thÓ khÝ mµ thµnh phÇn chñ yÕu cña chóng lµ c¸c hydrocacbon. hydrocacbon cã ®Æc ®iÓm lµ cã nhiÖt trÞ lín, dÔ dµng hßa trén víi kh«ng khÝ vµ ch¸y víi tèc ®é cao. S¶n phÈm ch¸y hoµn toµn cña hydrocacbon hoµn toµn kh«ng ®éc h¹i. ë ®iÒu kiÖn b×nh th­êng hydrocacbon lµ c¸c hîp chÊt æn ®Þnh, ®¶m b¶o cho tÝnh chÊt lý hãa cña nhiªn liÖu kh«ng ®æi khi b¶o qu¶n vµ vËn chuyÓn dµi ngµy.

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 đã chuyển nó sang thể lỏng hoặc thể khí Trong những năm gần đây, ngời ta đã 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 đã 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 việc với nhiên liệu lỏng, tùy theo nhiên liệu sử dụng 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

đ-ợc tính trên một mét khối 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

đ-ợc 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 đã 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 đã cho trớc

4.1.1 Nhiên liệu lỏng

Nhiên liệu lỏng có thể nhận 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 3050C dùng để chế tạo nhiều loại nhiên 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

ôtô

Diesel cao tốc

Diesel

xe vận tải

Diesel tốc độ thấp

10% nhiên liệu 15% nhiên liệu 50% nhiên liệu 90% nhiên liệu 95% nhiên liệu

5579 -100125 160195

-<200 -25529 0 -33036 0

-24028 0 -33036 0

-250

-Độ nhớt động học (CSt) ở nhiệt độ:

200C

500C

-1,51,8

-1,51,6

-36150

-55

-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

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 tr-ờng hợp có sấy nóng hỗn hợp cháy trên đtr-ờng 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 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 И để chỉ trị số octan xác định bằng phơng pháp thứ hai, ví dụ AИ-93, AИ-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 liệu, ví dụ 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 đã 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 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 (CH4), các loại hydrocacbon (CnH2n), khí cacbonic (CO2), oxi (O2), hydro (H2), sunfua hidro (H2S) và các loại khí trơ mà chủ yếu là nitơ (N2) với những tỷ lệ khác nhau Nói chung có thể biểu diễn thành phần hoá học của một loại khí bất kỳ có chứa cacbon, hidro, oxi theo công thức hóa học tổng quát

CnHmOr Lấy ví dụ khi n = 1, m = 0 và r = 2 ta có khi CO2, khi n = 2, m = 6 và r =

0 ta có khí 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 O r N2  1kmol

Trong bảng 4.2 giới thiệu các thông số đặc trng của một số nhiên liệu thể khí dùng cho động cơ đốt trong ở nhiệt độ 150C 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

Metan

CH 4

Etan

C 2 H 6

Propan

C 3 H 8

Butan

C 4 H 10

Pentan

C 5 H 12

Etilen

C 2 H 4

Propilen

C 3 H 6

Butilen

C 4 H 8

Hidro

H 2

Oxit cacbon CO Khối lợng

riêng ở

trạng thái

hơi

(kg.m -3 )

0,67 1,237 1,867 2,46 3,05 1,187 1,78 2,37 0,086 1,18

Khối lợng

riêng ở

trạng thái

lỏng (kg/l)

0,415 0,446 0,51 0,58 0,626 0,58 0,522 0,6 0,71

Nhiệt độ

sôi ( 0 C) -161 -88,6 -42,2 -0,5 36 -103,5 -47 1,4 -253 -190 Nhiệt hóa

hơi

(MJ/kg)

0,513 0,431 0,394 0,481 0,431 0,410

Nhiệt trị

thấp (MJ/

m 3 )

33,87 60,04 85,77 111,70 137,91 55,60 81,19 107,04 10,23 12,04

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 CH4 (chiếm khoảng 80  95%)

- Nhiên liệu có nhiệt trị trung bình: QH = 16  23 MJ/m3

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 mã 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 giống nhau và phụ thuộc vào tính chất lý hóa 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 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 biết độ nhớt của nó ở hai nhiệt độ 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 đã cho Trên hình 4.1 là đồ thị để xác

định độ nhớt của dầu nhờn ở các nhiệt độ khác nhau

Hình 4-1 Đồ thị xác định độ nhớt của dầu nhờn

1000C 90

80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 0 10 15 20 25 30 40 50 60 80 100 200 300 400 500

Cst

104 5.103 3.103 2.103

103

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 biểu diễn sự thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ của dầu cần thử nghiệm với đờng cong tơng tự của hai loại dầu mẫu có cùng độ nhớt với dầu thử nghiệm ở 98,80C 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 độ nhớt lớn thờng đợc dùng ở vùng có nhiệt độ 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:

p a

0



 

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 độ nhớt 8, 10, 12,

14, 16, 20 Cst Dầu 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 đến sự lu động của dầu nhờn qua khe hở 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 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

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 liệu nh bụi, chất chống kích nổ, các chất phụ 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 nhiệt từ piston cho thành xylanh Sự tích tụ của chất 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 SO2 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 của dầu nhờn

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 ở 1000C, tính bằng cSt

- Chữ số ngay sau chữ 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

- Chữ A chỉ dầu dùng cho động cơ xăng và đông cơ diesel không cờng hóa, chữ Б 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 Г chỉ dầu dùng cho động cơ cờng hóa cao, chữ Д 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

Giới hạn độ nhớt

(Cst) Các nhóm dầu theo tính chất sử dụng

Б 1 Б c B 1 B c Г 1 Г c

8 80,5 M-8A M-8Б 1 M-8Б c M-8B 1 M-8B c M-8Г 1 M-8Г c M-8Д

10 101 M-10A M-10Б 1 M-10Б c M-10B 1 M-10B c M-10 Г 1 M-10Г c M-10Д

12 120,5 M-12Бc M-12Bc M-12Гc M-12Д M-12E

14 141 M-14Бc M-14Bc M-14Гc M-14Д M-14E

16 161 M-16Б c M-16B c M-16Г c M-16Д M-16E

20 202 M-20Б c M-20B c M-20Г c M-20Д M-20E 4/6 60,5 1300 và<2600 M-4/6Б 1 M-4/6B 1

4/8 80,5 M-4/8Б 1 M-4/8Б c M-4/8B 1 M-4/8B c

4/10 100,5 M-4/10B 1 M-4/10B c