Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong - Đặng Tiến Hòa

Nội dung text: Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong - Đặng Tiến Hòa

1. Đặng Tiến Hòa Chu trình làm việc của động cơ bốn kỳ đ−ợc thực hiện nh− sau (hình 1.3): - Kỳ một – hút : đầu kỳ một, pittông còn nằm ở ĐCT. Lúc ấy trong thể tích Vc của buồng cháy, choán đầy khí sót (sản vật cháy) do chu trình tr−ớc để lại, áp suất khí sót hơi cao hơn áp suất khí trời. Trên đồ thị công, vị trí bắt đầu kỳ một t−ơng ứng với điểm r (hình 1.3 a). Khi trục khuyủ quay (theo chiều mũi tên), thanh truyền làm cho pittông chuyển dịch từ ĐCT xuống ĐCD, cơ cấu phân phối khí mở thông đ−ờng qua xupáp nạp, nối không gian bên trên pittông với đ−ờng ống nạp. Cùng với mức tăng tốc độ của pittông, áp suất môi chất trong xilanh cũng nhỏ dần so với áp suất môi chất trên đ−ờng nạp pk (chênh lệch áp suất giữa đ−ờng nạp và xilanh vào khoảng 0,01 – 0,03Mpa). Chênh lệch áp suất kể trên tạo nên quá trình hút (nạp), môi chất mới (không khí đối với điêden và hoà khí đối với động cơ xăng) từ đ−ờng ống nạp vào xilanh. Trên đồ thị công (hình 1.3 a), kỳ nạp đ−ợc thể hiện qua đ−ờng r-a. áp suất môi chất trên đ−ờng nạp có thể bằng áp suất khí trời pk ≈ 0,1 Mpa (động cơ không tăng áp) hoặc lớn hơn áp suất khí trời tuỳ thuộc ở mức độ tăng áp (pk = 0,13 ữ 0,35 Mpa trong động cơ tăng áp). Sử dụng tăng áp sẽ làm tăng mật độ môi chất trên đ−ờng nạp và nhờ đó làm tăng l−ợng môi chất mới nạp vào động cơ trong quá trình hút so với động cơ không tăng áp. Việc tăng l−ợng môi chất mới nạp vào xilanh động cơ trong quá trình hút sẽ làm tăng công của chu trình và công suất của động cơ, nh−ng sẽ làm tăng áp suất và nhiệt độ môi chất trong chu trình. Kỳ hai – nén : pittông chuyển dịch từ ĐCD lên ĐCT, môi chất bên trong xilanh bị nén. Cuối kỳ một khi pittông ở vị trí ĐCD áp suất môi chất trong xilanh pa còn nhỏ hơn pk. Đầu kỳ hai, pittông từ ĐCD đi lên một đoạn (tới điểm m) áp suất môi chất trong xilanh mới đạt tới giá trị pk. Do đó để hoàn thiện quá trình nạp ng−ời ta vẫn để xupáp nạp tiếp tục mở (mở một thời gian ở đầu kỳ hai phía tr−ớc điểm m). Việc đóng muộn xupáp nạp nh− trên để nạp thêm môi chất mới vào xilanh là nhờ tác dụng của chênh áp giữa xilanh và đ−ờng nạp cùng động năng của dòng khí đang vận động trên đ−ờng nạp. Sau khi đóng xupáp nạp, chuyển động đi lên của pittông sẽ làm cho áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối kỳ nén (áp suất pc tại điểm c) phụ thuộc vào tỉ số nén ε , độ kín khít của không gian, chứa môi chất, mức độ tản nhiệt của thành xilanh và áp suất môi chất đầu kỳ nén pa. Việc đốt cháy và bốc cháy của hoà khí trong động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, cũng nh− loại hình thành hoà khí bên trong xilanh đều cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ít. Muốn tận dụng tốt nhiệt l−ợng do nhiên liệu đ−ợc đốt cháy tạo ra, thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy cần nằm ở khu vực sát ĐCT. Do đó việc đốt cháy hoà khí trong động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, nhờ tia lửa điện, cũng nh− việc phun nhiên liệu vào xilanh trong động cơ hình thành hoà khí bên trong đều đ−ợc thực hiện tr−ớc khi pittông tới ĐCT. Nh− vậy trong kỳ hai, bên trong xilanh, chủ yếu thực hiện quá trình nén môi chất. Ngoài ra ở đầu kỳ nén còn thực hiện việc nạp thêm và cuối kỳ thì bắt đầu đốt cháy hoà khí hoặc phun nhiên liệu. Trên đồ thị công (hình 1.3 b) kỳ hai đ−ợc thể hiện qua đ−ờng a-c. - Kỳ ba – cháy và giãn nở, đ−ợc thực hiện khi pittông từ ĐCT xuống ĐCD (hình 1.3 c). Đầu kỳ ba số hoà khí nạp vào xilanh hoặc đ−ợc chuẩn bị ở cuối kỳ ba đ−ợc bốc cháy nhanh. Do đó có một nhiệt l−ợng lớn đ−ợc nhả ra, khiến áp suất và nhiệt độ môi chất tăng mạnh, mặc dù thể tích xilanh đã tăng lên chút ít (đ−ờng c-z trên đồ thị công). D−ới tác dụng - 11 -
2. Đặng Tiến Hòa đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đ−ợc đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ ba còn đ−ợc gọi là hành trình công tác (sinh công). Trên đồ thị công kỳ ba đ−ợc thể hiện qua đ−ờng c-z-b (hình 1.3 c) . - Kỳ bốn – xả : trong kỳ bốn thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh (hình 1.3 d). Pittông chuyển dịch từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí thải từ xilanh qua xupáp xả đang mở vào ống thải. Do áp suất môi chất trong xilanh cuối kỳ cháy giãn nở còn khá cao nên xupáp xả phải bắt đầu mở ở cuối kỳ giãn nở khi pittông còn cách ĐCD khoảng 40 ữ 600 góc quay trục khuỷu. Nhờ đó giảm đ−ợc lực cản đối với chuyển động của pittông trong kỳ xả và cải thiện việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ. Trên đồ thị công, kỳ bốn đ−ợc thể hiện qua đ−ờng b-r (hình 1.3 d). Kỳ bốn kết thúc chu trình công tác, tiếp theo chuyển động của pittông sẽ lặp lại theo trình tự của chu trình công tác giới thiệu ở trên. Các loại động cơ, mà chu trình công tác đ−ợc thực hiện trong bốn hành trình pittông hoặc hai vòng quay trục khuỷu đ−ợc gọi là động cơ bốn kỳ. Trong bốn kỳ ấy chỉ có kỳ cháy và giãn nở là kỳ công tác (sinh công), còn lại ba kỳ khác của xilanh, là các kỳ cản đ−ợc thực hiện nhờ động năng của bánh đà và của các chi tiết quay hoặc nhờ công của các xilanh khác (động cơ nhiều xilanh). Càng thải sạch sản vật cháy ra khỏi xilanh thì nạp càng nhiều môi chất mới và nhờ đó càng thu đ−ợc nhiều công trong mỗi chu trình. Để thải sạch sản vật cháy ra khỏi xilanh, xupáp xả không đóng tại vị trí ĐCT mà chậm hơn một chút (khi khuỷu trục đã quay quá ĐCT vào khoảng 5 – 300 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một). Để giảm cản cho quá trình nạp, có nghĩa là đảm bảo cho đ−ờng thông qua xupáp nạp đã đ−ợc mở rộng dần trong khi pittông đi xuống trong kỳ một, xupáp nạp cũng đ−ợc mở sớm một chút (tr−ớc khi pittông đến ĐCT khoảng 10 - 400góc quay trục khuỷu). Nh− vậy vào cuối kỳ bốn và đầu kỳ một cả xupáp nạp và xả đều mở. Giai đoạn cùng mở của các xupáp nạp và xả đ−ợc gọi là thời kỳ cùng mở (trùng điệp) của các xupáp. Thời kỳ này có tác dụng tốt với sự thải sạch khí xả và nạp đầy môi chất mới vào xilanh nhờ tác dụng hút của dòng khí xả trên đ−ờng ống thải. Giai đoạn từ lúc mở đến lúc đóng các xupáp (tính bằng góc quay trục khuỷu) đ−ợc gọi là pha phân phối khí. Hình 1.5 giới thiệu pha phân phối khí của động cơ bốn kỳ, trong đó : O – là tâm quay của trục khuỷu. Các tia xuất phát từ tâm quay, đánh đấu vị trí của khuỷu trục, - 12 -
3. Đặng Tiến Hòa ví dụ : 01 – vị trí mở xupáp nạp ; 02 – vị trí đóng xupáp nạp ; 03* - vị trí bật tia lửa điện hoặc phun nhiên liệu ; 03’ – vị trí ĐCT ; 05 – vị trí mở xupáp xả ; 06 – vị trí đóng xupáp xả. Các góc ϕ 1, ϕ 2, ϕ 3. ϕ 4, thể hiện các giá trị : ϕ 1 – góc mở sớm xupáp nạp ; ϕ 2 – góc đóng muộn xupáp nạp ; ϕ 1-2 – thời gian mở xupáp nạp ; ϕ 3 – góc đánh lửa sớm hoặc phun sớm nhiên liệu ; ϕ 2-3 – thời gian quá trình nén ; ϕ 4 – vị trí cuối quá trình cháy ; ϕ 5 – góc mở sớm xupáp xả ; ϕ 3-4-5 – thời gian quá trình cháy, giãn nở ; ϕ 6 – góc đóng muộn xupáp xả ; ϕ 5-6 – thời gian quá trình thải ; ϕ 1 + ϕ 6 – thời kỳ trùng điệp của các xupáp nạp và xả. Trên hình 1.6a giới thiệu đồ thị công khai triển p-ϕ của động cơ bốn kỳ. Hình 1.6b giới thiệu đồ thị khai triển của pha phân phối khí động cơ bốn kỳ. - 13 -
4. Đặng Tiến Hòa 1.4.3. Nguyên lý làm việc của động cơ hai kỳ Qua khảo sát hoạt động của chu trình động cơ bốn kỳ thấy rằng : động cơ bốn kỳ chỉ sử dụng một nửa thời gian của chu trình làm chức năng chu trình của động cơ nhiệt (kỳ nén và kỳ giãn nở). Thời gian còn lại (kỳ hút và kỳ xả), động cơ làm việc nh− một bơm khí. Thời gian cho chu trình công tác đ−ợc sử dụng triệt để hơn trong động cơ hai kỳ, tức động cơ mà chu trình công tác đ−ợc thực hiện trong một vòng quay trục khuỷu (hoặc hai hành trình pittông). Khác với động cơ bốn kỳ, trong động cơ hai kỳ việc thải sạch sản vật cháy khỏi xilanh và nạp đầy môi chất mới vào xilanh (nói khác đi là quá trình thay đổi môi chất) đ−ợc thực hiện trong khu vực chuyển động của pittông ở gần ĐCD. Lúc đấy việc xả sạch khí thải ra khỏi xilanh đ−ợc thực hiện không phải nhờ pittông đẩy khí thải ra ngoài mà là nhờ không khí hoặc hoà khí đ−ợc nén tr−ớc tới một áp suất nhất định. Việc nén tr−ớc không khí hoặc hoà khí đ−ợc thực hiện trong một bơm khí quét riêng. Trong động cơ hai kỳ cỡ nhỏ ng−ời ta dùng không gian cácte của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền và pittông động cơ làm bơm khí quét. Trong quá trình thay đổi môi chất trong động cơ hai kỳ, một phần môi chất mới (không khí hoặc hoà khí) ch−a tham gia cháy đã cùng khí xả rời khỏi xilanh qua đ−ờng thải gây nên tổn thất môi chất mới. Hình 1.7 giới thiệu sơ đồ hoạt động của động cơ điêden hai kỳ quét thẳng qua xupáp xả. Phần cấu tạo đặc biệt của động cơ có : - 14 -
5. Đặng Tiến Hòa 1. Cửa quét 8, đặt ở phần d−ới của xilanh, chiều cao của cửa quét chiếm 10 – 15% hành trình pittông. Việc mở hoặc đóng các cửa quét đ−ợc thực hiện nhờ pittông khi chuyển dịch trong xilanh. 2. Xupáp xả 4, đặt trên nắp xilanh, do trục cam của cơ cấu phối khí dẫn động, số vòng quay của trục cam đảm bảo cho xupáp xả đ−ợc mở một lần trong mỗi vòng quay trục khuỷu. 3. Bơm khí quét 2, nén không khí có áp suất vào không gian 7, sau đó vào xilanh quét sạch khí xả ra ống thải và nạp đầy môi chất mới vào xilanh. Chu trình làm việc của động cơ hai kỳ đ−ợc thực hiện nh− sau : - Kỳ một : giãn nở t−ơng ứng với hành trình pittông từ ĐCT xuống ĐCD. Trong xilanh vừa mới thực hiện quá trình cháy (đ−ờng cz của đồ thị công) và bắt đầu thực hiện quá trình giãn nở tức là thực hiện quá trình công tác (sinh công). Khi pittông sắp mở cửa quét thì xupáp xả 4 đ−ợc mở tr−ớc, sản vật cháy bắt đầu từ xilanh thoát ra ống thải; lúc ấy áp suất trong xilanh tụt nhanh (đoạn mn trên đồ thị công). Pittông mở cửa quét muộn hơn khi áp suất môi chất trong xilanh xấp xỉ bằng áp suất khí quét trong không gian 7. Không khí quét qua cửa quét đi vào xilanh, tiếp tục đẩy sản vật cháy còn lại qua xupáp xả ra đ−ờng thải và thay thế khí xả nạp đầy xilanh. Quá trình đó đ−ợc gọi là quá trình thay đổi môi chất (đoạn na trên đồ thị công). Nh− vậy trong thời gian của kỳ một trong xilanh thực hiện quá trình cháy của nhiên liệu và nhả nhiệt, giãn nở của môi chất, xả khí thải, quét và nạp đầy môi chất mới. - Kỳ hai – nén : t−ơng ứng với hành trình pittông từ ĐCD lên ĐCT (hình 1.9b).Đầu kỳ hai, tiếp tục quá trình quét và nạp đầy môi chất mới vào xilanh (đ−ờng ak trên đồ thị công). Thời điểm đóng kín cửa quét và đóng xupáp xả quyết định thời điểm kết thúc quá trình thay đổi môi chất (điểm k trên đồ thị công). Cửa quét có thể đóng đồng thời hoặc muộn hơn so với xupáp xả. áp suất môi chất trong xilanh động cơ cuối thời kỳ thay đổi môi chất th−ờng lớn hơn áp suất khí trời và phụ thuộc vào áp suất khí quét pk. Từ lúc kết thúc quá trình thải và đóng kín cửa quét sẽ bắt đầu quá trình nén. Tr−ớc khi pittông tới ĐCT (tr−ớc ĐCT khoảng 10 - 300 góc quay trục khuỷu) nhiên liệu đ−ợc phun qua vòi phun 5 vào xilanh động cơ. Nh− vậy trong thời gian của kỳ hai, trong xilanh thực hiện các quá trình sau : kết thúc các quá trình thải, quét và nạp đầy môi chất mới vào xilanh ở đầu hành trình, sau đó thực hiện quá trình nén. Khác với động cơ bốn kỳ, trong động cơ hai kỳ không có các kỳ nạp và xả riêng, các kỳ này đòi hỏi một vòng quay trục khuỷu. ở động cơ hai kỳ, quá trình thay đổi môi chất đ−ợc thực hiện trên đoạn nhỏ của các kỳ chính, cuối kỳ giãn nở và đầu kỳ nén. Ph−ơng án quét thẳng qua xupáp xả vừa giới thiệu, không phải là ph−ơng án duy nhất. Trong động cơ hai kỳ còn sử dụng nhiều ph−ơng án khác của sơ đồ thay đổi môi chất (hình 1.8). Ph−ơng án quét vòng, cửa khí đặt ngang theo h−ớng song song (hình 1.8a) đã đơn giản hoá cấu tạo động cơ so với ph−ơng án đã nghiên cứu (không có xupáp và cơ cấu dẫn động xupáp), nh−ng làm giảm chất l−ợng thay đổi môi chất và mất nhiều môi chất mới đi ra đ−ờng thải. Ph−ơng án quét vòng, cửa khí đặt ngang theo h−ớng lệch tâm (hình 1.8b) giảm đ−ợc l−ợng môi chất mới lọt ra đ−ờng thải, ngoài ra còn tạo ra chuyển động quay của môi chất mới vào xilanh làm cho nhiên liệu và không khí đ−ợc hoà trộn tốt hơn. Các ph−ơng án nàu đ−ợc dùng trên động cơ hai kỳ của xe máy hoặc động cơ ôtô. - 15 -
6. Đặng Tiến Hòa Ph−ơng án quét thẳng dùng trong động cơ pittông đối đỉnh, trong đó một pittông điều chỉnh cửa quét còn pittông kia điều khiển cửa thải, có thể đạt chất l−ợng cao về thay đổi môi chất (hình 1.8d). Trong động cơ hai kỳ có thể dùng không gian cácte làm thiết bị tạo khí quét đ−ợc gọi là động cơ dùng cácte tạo khí quét, trong đó cácte đ−ợc dùng làm bơm tạo khí quét. Khi pittông đi từ ĐCD lên ĐCT sẽ làm tăng không gian bên d−ới pittông khiến áp suất ở đây thấp hơn áp suất khí trời (có độ chân không). Nhờ đó không khí ngoài môi tr−ờng đ−ợc hút trực tiếp (động cơ điêden) hoặc qua bộ chế hoà khí (động cơ xăng) đi vào không gian cácte khi pittông mở cửa hút 12, (hình 1.9). Trong hành trình ng−ợc lại (pittông từ ĐCT xuống ĐCD), pittông nén môi chất mới trong cácte tr−ớc khi mở cửa quét. Sau khi cửa quét mở môi chất mới đ−ợc đẩy vào xilanh thực hiện quá trình quét và nạp đầy xilanh. Hình 1.9 giới thiệu sơ đồ phân phối khí của ph−ơng án quét vòng, vị trí đóng và mở các cửa quét và cửa thải đối xứng qua ĐCD. Ưu điểm chính của động cơ dùng cácte làm bơm khí quét là cấu tạo đơn giản. Nh−ng so với các ph−ơng án có bơm khí quét riêng thì chất l−ợng thay đổi môi chất rất kém, vì vậy gây ảnh h−ởng xấu tới công suất và hiệu suất động cơ. - 16 -
7. Đặng Tiến Hòa Trong động cơ hai kỳ một phần hành trình Sn dùng để thay đổi môi chất, sẽ không thực hiện quá trình sinh công. Do đó thể tích công tác thực tế của xilanh V’h khi pittông từ k đi lên ĐCT (hình 1.7b) sẽ là : V’h = Vh - Vn (1 – 4) trong đó Vn – thể tích xilanh t−ơng ứng với phần hành trình Sn. Tỉ số nén thực tế của động cơ hai kỳε ’ sẽ là : V ' +V ε ’ = h c Vc Phần hành trình tổn thất ψ , là tỉ lệ giữa Vn và Vh : V ψ = n Vh Trong động cơ hai kỳ ψ = 10 ữ 38%. So sánh động cơ hai kỳ với động cơ bốn kỳ thấy rằng : với cùng kích th−ớc xilanh và số vòng quay n của động cơ, công suất của động cơ hai kỳ về mặt lý thuyết có thể gấp hai lần động cơ bốn kỳ. Trên thực tế chỉ đạt khoảng 1,5 – 1,7 lần do phần hành trình tổn thất ψ cho quá trình thay đổi môi chất, vì chất l−ợng quét thải kém và vì cần tốn một ít công suất dẫn động bơm cấp khí quét. Ưu điểm chính của động cơ hai kỳ là mômen quay đều hơn vì mỗi chu trình chỉ cần hai hành trình pittông hoặc một vòng quay trục khuỷu (thay cho hai vòng quay của động cơ bốn kỳ). Nh−ợc điểm chính của động cơ hai kỳ là thời gian thay đổi môi chất rất ngắn, quá trình quét và thải lại xảy ra đồng thờinên chất l−ợng quét sạch sản vật cháy từ xilanh và nạp đầy môi chất mới vào xilanh không hoàn hảo bằng động cơ bốn kỳ. Trong động cơ hình thành hoà khí bên ngoài, dùng hoà khí để quét xilanh, không tránh khỏi việc mất mát một phần hoà khí cùng khí xả thoát ra đ−ờng thải, vì vậy chu trình động cơ hai kỳ th−ờng chỉ dùng trong động cơ điêden. Tr−ờng hợp động cơ xe máy, thuyền máy công suất nhỏ do cấu tạo đơn giản và gọn có yêu cầu cao hơn so với tính kinh tế nên ng−ời ta th−ờng dùng động cơ xăng. - 17 -
8. Ch−ơng 2 Nhiên liệu vμ môi chất công tác của động cơ đốt trong 2.1 Khái niệm môi chất Môi chất công tác là môi chất giới dùng để thực hiện quá trình chuyển hoá từ nhiệt năng sang cơ năng trong chu trình thực tế của động cơ đốt trong. Khác với chu trình lý t−ởng, trong chu trình thực tế môi chất công tác là những khí thực mà tính chất lý hoá luôn biến động trong suốt chu trình, chúng gồm có: không khí, nhiên liệu và sản vật cháy. ở hành trình nạp, tuỳ thuộc vào loại hình thành hoà khí mà ng−ời ta đ−a vào xilanh không khí (động cơ hình thành hoá bên trong) hoặc hoà khí (động cơ hình thành hoà khí bên ngoài). Không khí hoặc hoà khí mới nạp đ−ợc gọi là môi chất mới. Trong hành trình nạp môi chất mới hoà trộn với khí sót còn lại trong xilanh của chu trình tr−ớc, tạo nên môi chất công tác của quá trình, về thực chất khí sót là sản vật cháy của nhiên liệu và không khí. ở hành trình nén, môi chất công tác cuối quá trình nạp đ−ợc dùng làm môi chất của quá trình nén. ở quá trình cháy, môi chất cuối quá trình nén đ−ợc chuyển dần thành sản vật cháy. ở các hành trình giãn nở và thải, môi chất công tác là sản vật cháy. Nhiệt năng đ−ợc dùng để chuyển biến thành cơ năng trong động cơ là do phản ứng cháy của hoà khí (hỗn hợp giữa hơi nhiên liệu và không khí ) tạo ra. Cần tạo mọi điều kiện để phản ứng cháy này đ−ợc diễn ra đúng lúc, kịp thời, triệt để, đồng thời đảm bảo cho máy chạy êm. Tất cả những điều đó lại phụ thuộc vào chất l−ợng hình thành hoà khí và tính chất của nhiên liệu dùng trong động cơ. Đối với động cơ đốt trong, ng−ời ta chỉ sử dụng nhiên liệu dễ hoà trộn với không khí để tạo thành hoà khí, ngoài ra trong sản vật cháy không đ−ợc có tro, vì tro sẽ làm cho vòng găng bị liệt và làm tăng độ mài mòn của xilanh, piston và vòng gãy. Nhiên liệu thể rắn chỉ có thể sử dụng sau khi đã đ−ợc hoá lỏng hoặc đ−ợc khí hoá trong lò ga. Trong ch−ơng này sẽ nghiên cứu tính chất lý hoá của nhiên liệu và môi chất dùng cho động cơ. 2.2 Nhiên liệu thể khí Nhiên liệu thể khí dùng cho động cơ đốt trong gồm có: khí thiên nhiên (sản phẩm của các mỏ khí), khí công nghiệp (sản phẩm xuất hiện trong quá trình luyện cốc, luyện gang (khí lò cao) và tinh luyện dầu mỏ) và khí lò ga (khí hoá nhiên liệu thể rắn trong các lò ga). Một nhiên liệu thể khí đều là hỗn hợp cơ học của các loại khí cháy và khí trơ khác nhau. Thành phần chính của nhiên liệu thể khí gồm có: ôxít cácbon (CO), mêtan (CH4), các loại hydrôcacbon (CmHm), khí cácbônich (CO2), ôxy (O2), hyđrô (H2), hyđrôsunfua (H2S) và các loại khí trơ, chủ yếu là nitơ (N2) với những tỷ lệ khác nhau. Nhìn chung, công thức hỗn hợp của các chất trong nhiên liệu thể khí có chứa cácbon C0, hyđrô H hoặc ôxy O, đều có thể viết d−ới dạng: 3 CnHmOr + N2 = 1 kmol (1m tiêu chuẩn) (2-1) Nhiên liệu khi dùng cho động cơ đốt trong đ−ợc chia làm ba loại ( theo nhiệt trị thấp): Đặng Tiến Hòa - 18 -
9. 3 a. Loại có nhiệt trị lớn ( Qm- nhiệt trị của 1m nhiên liệu khí ), 3 Qm≥23 MJ/m tiêu chuẩn. Loại này gồm khí thiên nhiên và khí thu đ−ợc khi khai thác hoặc tinh luyện dầu mỏ và khí nhân tạo. Thành phần chính của nó là khí mêtan chiếm từ 30 ữ 99%, còn lại là các khí hydrôcacbon khác. b. Loại có nhiệt trị vừa (chiếm vị trí trung gian): 3 Qm = 16 ữ 23 MJ/m tiêu chuẩn Loại này chủ yếu là khí thu đ−ợc từ luyện cốc, thành phần chính có H2 (khoảng 40 ữ 60%) còn lại là CO, CH4 c. Loại có nhiệt trị nhỏ: 3 Qm = 4 ữ 16 MJ/m tiêu chuẩn Loại này bao gồm khí lò hơi và khí lò ga. Thành phần chủ yếu là CO và H2 chiếm tới 40%, còn lại khí trơ N2và CO2. 2.3 Nhiên liệu thể lỏng Nhiên liệu thể lỏng dùng cho động cơ đốt trong chủ yếu là các sản phẩm đ−ợc tạo ra từ dầu mỏ vì loại này có nhiệt trị lớn, ít tro, dễ vận chuyển và bảo quản. Mỗi loại nhiên liệu lỏng kể trên đều là một hỗn hợp của nhiều loại hyđrôcacbon có cấu tạo hoá học rất khác nhau, chính cấu tạo đó gây ảnh h−ởng lớn tới các tính chất lý - hoá cơ bản, đặc biệt là tới quá trình bay hơi, tạo hoà khí và bốc cháy của nhiên liệu trong động cơ. Trong dầu mỏ có các hyđrô các bon sau : paraphin (anlan) CnH2n+2; hyđrôcacbon vòng xyclôankan CnH2n và hyđrôcacbon thơm (aren), CnH2n - 6 và CnH2n - 12. Ngoài ra trong dầu mỏ còn chứa rất ít chất ôlêphin (anken) CnH2n điôlêphin (ankan đien) CnH2n-2. Trong hyđrôcacbon no (bão hoà) các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo mạch thẳng (ankan chính) hoặc mạch nhánh (izôan kan) chất đồng phân của (ankan chính) hoặc mạch kín vòng (xyclôankan) bằng các mạch đơn, số mạch (hóa trị) còn lại của C đ−ợc bão hoà bằng các nguyên tử H. Trong dầu mỏ ngoài ankan chính trong phân tử đ−ợc liên kết theo mạch thẳng đơn còn có các chất đồng phân. Ví dụ d−ới đây là cấu tạo phân tử của butan chính, 2 - izôbutan, ôctan chính là 2,2,4 - izôôctan. Butan chính 2- izôbutan (số 2 là thứ tự của nguyên tử cacbon có mạch nhánh) Đặng Tiến Hòa - 19 -
10. Ankan chính, do các nguyên tử C đ−ợc liên kết đơn theo mạch thẳng nên các mạch C (dễ gẫy phản ứng hoá học) làm cho nó dễ tự cháy (Mạch liên kết càng dài càng dễ tự cháy), vì vậy không phải là thành phần lý t−ởng của nhiên liệu dùng trong động cơ xăng đốt cháy c−ỡng bức, nh−ng nó lại rất thích hợp với động cơ điêden. Với izôankan (chất đồng phân của ankan) thì hoàn toàn trái ng−ợc, rất khó bị gãy mạch, tức là khó tự cháy. Trong ankan do tỉ số C/H nhỏ nên tính cất của nó rất ổn định khó biến chất. Nhiên liệu dùng trong động cơ xăng đốt cháy c−ỡng bức, cần có nhiều izôankan để tránh kích nổ. Ng−ời ta đã dùng 2,2,4 - izôôctan làm nhiên liệu chuẩn để đo tính chống kích nổ của các loại xăng. Trong đó động cơ điêden lại dùng thành phần t−ơng đối nặng của sản phẩm dầu mỏ làm nhiên liệu (vì chứa nhiều ankan chính dễ tự cháy). bằng các mạch thẳng đơn tạo nên một vòng kín nh− ví dụ d−ới đây: P araphin vòng có tính cháy tự nằm giữa ankan chính và izoankan, còn khối l−ợng riêng hơi lớn C hơn và nhiệt trị hơi nhỏ hơn so với ankan, vì tỉ lệ lớn. H Hyđrôcacbon thơm (aren) là loại hyđrôcabon không no, các nguyên tử C cũng nối với nhau thành một vòng kín nh−ng bằng các liên kết đôi và liên kết đơn xen kẽ nhau, cấu tạo điển hình là chất benzen và mêtylbenzen: Đặng Tiến Hòa - 20 -