Đề cương môn học lý thuyết động cơ đốt trong - Chương III: Môi chất công tác

Nội dung text: Đề cương môn học lý thuyết động cơ đốt trong - Chương III: Môi chất công tác

1. Ch−ơng III. Môi chất công tác Môi chất công tác là chất trung gian để thực hiện chu trình công tác, bao gồm chất ô xy hoá nh− không khí hoặc ô-xy (trong những tr−ờng hợp đặc biệt), nhiên liệu và sản vật cháy. Trong chu trình công tác, môi chất công luôn thay đổi thành phần và tính chất lý hoá. Trong quá trình nạp, môi chất nạp vào xy lanh là không khí đối với động cơ diesel; là hỗn hợp không khí với nhiên liệu đối với động cơ xăng và động cơ gas, đ−ợc gọi là khí nạp mới . Trong quá trình nén, môi chất công tác là một hỗn hợp bao gồm khí nạp mới và khí sót, hỗn hợp khi đó còn đ−ợc gọi là hỗn hợp công tác . Trong quá trình giFn nở và quá trình thải, môi chất công tác là sản vật cháy . 3.1 Nhiên liệu Nhiên liệu là thành phần quan trọng nhất của môi chất công tác, có ảnh h−ởng quyết định đến kết cấu cũng nh− các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ. Động cơ đốt trong thông th−ờng sử dụng chủ yếu nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng. 3.1.1 Nhiên liệu khí Nhiên liệu khí bao gồm khí thiên nhiên nh− khí từ mỏ dầu hoặc mỏ khí đốt; khí công nghiệp nh− khí do ch−ng cất dầu mỏ, luyện than cốc; khí lò ga do khí hoá nhiên liệu rắn nh− gỗ, than; khí sinh vật (biogas). Bất kỳ loại nhiên liệu khí nào cũng là hỗn hợp cơ học của các khí cháy và khí trơ với điều kiện bỏ qua các thành phần tạp chất. Một cách tổng quát có thể coi cấu trúc phân tử của mỗi khí cháy bao gồm các-bon, hy-drô và ô-xy là C mHnOr. Vì vậy, đối với một đơn vị nhiên liệu khí (ví dụ nh− 1 kg, kmol hay m 3 tiêu chuẩn ) ta có: ΣCmHnOr + N 2 = 1 (3-1) Dựa vào nhiệt trị Q (kJ/m 3tc) ng−ời ta phân nhiên liệu khí thành ba loại sau: • Nhiệt trị cao: Q = 23 ữ 28 (kJ/m 3tc) ví dụ nh− khí thiên nhiên, khí phụ phẩm ch−ng cất dầu mỏ. • Nhiệt trị trung bình: Q = 16 ữ 23 (kJ/m 3tc) nh− khí lò luyện than cốc. • Nhiệt trị thấp: Q = 4 ữ 16 (kJ/m 3tc) nh− khí lò ga và khí sinh vật. Động cơ chạy các nhiên liệu khí nh− khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas) hay khí hoá lỏng LPG (Liquidfied Petroleum Gas) có −u điểm là ít ô nhiễm môi tr−ờng và tiết kiệm vì giá khí đốt rẻ hơn so với xăng. Nhiều hFng taxi ở Việt Nam đF và đang chuyển đổi xe chạy xăng sang chạy cả xăng và khí đốt. Tuy nhiên, do giới hạn của giáo trình nên chúng ta không xét động cơ nhiên liệu khí. 3.1.2 Nhiên liệu lỏng 3.1.2.1 Thành phần của nhiên liệu lỏng Phần lớn động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng có nhiều loại nh−ng theo nguồn gốc có thể chia thành hai loại. Loại thứ nhất có gốc hoá thạch nh− xăng, dầu hoả, diesel Loại thứ hai có nguồn gốc thực vật nh− mê-tha-nôl, ê-tha-nôl, dầu thực vật nh− dầu dừa, dầu hạt cải Đa số động cơ nhiên liệu lỏng hiện nay dùng nhiên 19
2. liệu gốc hoá thạch nh− xăng và diesel. Chính vì vậy và mặt khác do hạn chế về khuôn khổ của giáo trình nên sau đây ta chỉ xét hai loại nhiên liệu lỏng là xăng và diesel. Trong quá trình ch−ng cất dầu mỏ, ng−ời ta thu đ−ợc lần l−ợt xăng, dầu hoả, nhiên liệu diesel, dầu máy và nhựa đ−ờng. Về thành phần, xăng và nhiên liệu diesel thực chất là hỗn hợp của các loại các-bua-hy-drô khác nhau chia thành các nhóm sau đây. • Các-bua-hy-drô béo: bao gồm pa-ra-phin còn gọi là an-kan có công thức hoá học là C nH2n + 2 ; ô-lê-phin C nH2n và a-xê-ty-len C nH2n - 2 . Trong đó, ô-lê-phin và a-xê-ty-len là những cac-bua-hy-drô không no th−ờng không chứa trong dầu thô nh−ng xuất hiện trong quá trình ch−ng cất. Trong nhóm này, pa-ra-phin là thành phần đóng vai trò chủ yếu. Pa-ra-phin (an-kan) là các-bua-hy-drô no có hai dạng là an-kan th−ờng và đồng vị còn gọi là i-sô-an-kan. An-kan th−ờng có mạch thẳng hở, ví dụ nh− xê-tan C 16 H34 , hình 3- 1. H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H H H Hình 3 -1. Cấu trúc phân tử của xê-tan C 16 H34 Đặc điểm chung của an-kan th−ờng là có H CH3 H CH3 H tính ổn định hoá học ở nhiệt độ cao kém, do đó dễ dàng tham gia phản ứng với ô-xy tạo nên quá trình H C C C C C H tự cháy. Vì vậy, nếu nhiên liệu diesel càng có H CH3 H CH3 H nhiều an-kan th−ờng thì có tính tự cháy càng cao (xem mục 3.1.3). Hình 3 -2. Cấu trúc phân tử của An-kan đồng vị có mạch nhánh nên cấu trúc i-sô-ốc-tan C H phân tử khá bền vững, có tính ổn định hoá học 8 18 cao, khó tự cháy hay nói cách khác khó bị kích nổ (xem d−ới đây). Ví dụ điển hình của an-kan đồng vị là i-sô-ốc-tan C 8H18 , hình 3-2. Nếu xăng có nhiều thành phần an-kan đồng vị thì tính chống kích nổ càng cao. H H H C H C H H H C C C C H H H C C C H H C C H H C H H H H Hình 3 -3. Cấu trúc phân Hình 3 -4. Cấu trúc phân tử tử xy-clô-pen-tan C 5H10 mê-tyl-ben-zen C 6H5CH 3 20
3. • Náp-ten: C nH2n còn gọi là xy-clan có kết cấu phân tử mạch vòng, ví dụ xy-clô- pen-tan C 5H10 , hình 3-3. Náp-ten do có kết cấu phân tử rất bền vững nên có tính chống kích nổ rất cao. • Các-bua-hy-drô thơm: C nH2n - 6 có cấu trúc phân tử mạch vòng với nhân ben-zen nên rất bền vững, chống kích nổ rất tốt, ví dụ mê-tyl-ben-zen C 6H5CH 3, hình 3-4. Nếu bỏ qua các thành phần tạp chất, nhiên liệu lỏng nói chung kể cả xăng và diesel chỉ bao gồm các-bon, hy-drô và ô-xy. Do đó công thức cấu tạo tính cho một đơn vị đo l−ờng (ví dụ nh− 1 kg, 1 kmol ) nh− sau: C + O + H = 1 (3-2) Ví dụ, nhiên liệu diesel D1 và D2 theo TCVN 5689-92 có C = 0,84 ữ 0,88; H = 0,10 ữ 0,14; phần còn lại là O. Trong xăng và nhiên liệu diesel có tới 80 đến 90% là an-kan và xy-clan. Tỷ lệ các loại các-bua-hy-drô nêu trên phụ thuộc vào loại nhiên liệu cụ thể và quyết định tính chất lý hoá của nhiên liệu đó. D−ới đây sẽ trình bày một số thông số lý hoá cơ bản của nhiên liệu lỏng. 3.1.2.2 Tính chất vật lý của nhiên liệu lỏng a. Khối l−ợng riêng Thông th−ờng, khối l−ợng riêng ρ của nhiên liệu đ−ợc cho ở nhiệt độ 20 oC. Căn cứ vào khối l−ợng riêng cũng có thể sơ bộ biết đ−ợc khả năng bay hơi của nhiên liệu. Đối với nhiên liệu nhẹ, dễ bay hơi nh− xăng, ρ = 0,65 ữ 0,8 g/cm 3. Còn nhiên liệu nặng, khó bay hơi nh− nhiên liệu diesel, ρ = 0,80 ữ 0,95 g/cm 3. b. Độ nhớt Độ nhớt của nhiên liệu cũng th−ờng đ−ợc cho ở 20 oC và ở hai dạng: - Độ nhớt động học: ν (m 2/s và cm 2/s tức St - Stốc). Đối với xăng, ν = 0,6 ữ 2,5 cSt (cSt- xăng ti Stốc bằng 0,01 100 St). Còn nhiên liệu diesel có ν 2 3 = 2,5 ữ 8,5 cSt. (%) 1 80 - Độ nhớt t−ơng đối: là tỷ số 4 giữa thời gian chảy của 200ml nhiên liệu và 200ml n−ớc cất ở lệ Tỷhơi bay 60 cùng 20 oC qua lỗ đo của thiết bị đo độ nhớt. Độ nhớt t−ơng đối còn có 40 tên gọi là độ nhớt Engle ký hiệu là Et và thiết bị đo gọi là Engle kế. 20 o Nếu độ nhớt t−ơng đối lớn hơn 5 E t thì phải hâm nóng nhiên liệu tr−ớc 0 khi sử dụng. 100 200 300 t ( 0C) Khối l−ợng riêng và độ nhớt là hai thông số ảnh h−ởng quyết Hình 3 -5. Đ−ờng cong ch−ng cất định đến đặc tính cháy của nhiên của nhiên liệu liệu. 1. Xăng, 2. Dầu hoả, 3. Diesel, 4. Dầu mỏ 21
4. c. Tính bốc hơi Tính bốc hơi của nhiên liệu quyết định tính chất và thời gian của quá trình hình thành hỗn hợp. Tính bốc hơi phụ thuộc thành phần của nhiên liệu và đ−ợc thể hiện thông qua đ−ờng cong ch−ng cất, hình 3-5. d. Nhiệt độ bén lửa Nhiệt độ bén lửa là nhiệt độ thấp nhất mà hỗn hợp nhiên liệu- không khí với tỷ lệ nhất định bén lửa từ nguồn lửa bên ngoài. Nhiệt độ bén lửa tỷ lệ với thành phần ch−ng cất nhẹ trong nhiên liệu và đ−ợc dùng làm chỉ tiêu phòng hoả khi bảo quản. Trong thực tế, nhiệt độ bén lửa không đ−ợc thấp hơn 65 0C. e. Nhiệt độ tự cháy Nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ thấp nhất mà hỗn hợp nhiên liệu- không khí (với tỷ lệ nhất định) tự bốc cháy (không cần nguồn lửa từ bên ngoài). Nhiệt độ tự cháy th−ờng tỷ lệ nghịch với khối l−ợng riêng ρ. Pa-ra-phin có nhiệt độ tự cháy thấp nhất còn các-bua-hy- drô thơm có nhiệt độ tự cháy cao nhất. f. Nhiệt độ đông đặc Nhiệt độ đông đặc chỉ có ý nghĩa đối với nhiên liệu nặng nh− nhiên liệu diesel. Nếu nhiệt độ đông đặc cao thì phải hâm nóng tr−ớc khi sử dụng. Ng−ời ta th−ờng sử dụng phụ gia để giảm nhiệt độ đông đặc. Đối với nhiên liệu diesel, nhiệt độ đông đặc nằm trong khoảng -60 ữ +5 OC. g. Tạp chất cơ học Đối với nhiên liệu thông th−ờng, tạp chất cơ học không đ−ợc v−ợt quá 1% trọng l−ợng. Còn đối với nhiên liệu cho động cơ cao tốc không cho phép có tạp chất cơ học??. h. Thành phần n−ớc Là một loại tạp chất trong nhiên liệu, n−ớc gây ăn mòn cơ học và hoá học đối với các chi tiết của hệ thống nhiên liệu, nhất là đối với bơm cao áp, vòi phun của động cơ diesel. Ngoài ra, trong quá trình cháy n−ớc bay hơi thu nhiệt làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Vì vậy giới hạn n−ớc trong nhiên liệu đ−ợc qui định không quá 1% trọng l−ợng đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp. Trong thực tế, động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nặng th−ờng trang bị hệ thống hâm nóng kết hợp tách n−ớc và tạp chất cơ học. Còn đối với nhiên liệu cho động cơ cao tốc không cho phép có n−ớc. 3.1.2.2 Tính chất hoá học của nhiên liệu lỏng a. Nhiệt trị Nhiệt trị là nhiệt l−ợng thu đ−ợc khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị đo l−ờng nhiên liệu. Trong tính toán, ng−ời ta phân biệt hai loại nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp. Nhiệt trị cao Q o là toàn bộ nhiệt l−ợng thu đ−ợc, còn nhiệt trị thấp Q H là nhiệt l−ợng thu đ−ợc Q o trừ phần nhiệt l−ợng toả ra khi ng−ng tụ hơi n−ớc trong sản phẩm cháy. Trong tính toán th−ờng sử dụng nhiệt trị thấp Q H vì nhiệt độ khí thải th−ờng lớn hơn nhiều so với nhiệt độ ng−ng tụ hơi n−ớc ở cùng áp suất. Nhiệt trị th−ờng cho trong các tài liệu về nhiên liệu. Đối với nhiên liệu xăng và diesel, trong tính toán có thể lấy Q H = 42,5 MJ/kg. 22
5. b. Tính kết cốc Tính kết cốc phản ánh khuynh h−ớng kết muội than khi đốt cháy nhiên liệu. Muội than có thể gây nên mài mòn và bó kẹt xéc-măng- xy-lanh, xu-páp và đế hoặc làm kẹt tắc vòi phun. Hàm l−ợng cốc trong nhiên liệu cho phép không v−ợt quá 0,03 ữ 0,1% cho động cơ cao tốc và không quá 3 ữ 4% đối với động cơ tốc độ thấp. c. Thành phần l−u huỳnh và tạp chất L−u huỳnh có trong nhiên liệu ở dạng tạp chất còn lại khi ch−ng cất dầu mỏ. L−u huỳnh khi cháy tạo thành SO 2 sẽ kết hợp với hơi n−ớc (cũng tạo thành khi cháy nhiên liệu) tạo thành a-xít yếu H 2SO 3 gây ăn mòn các chi tiết và m−a a-xít. Hiện tại, các n−ớc châu Âu giới hạn tạp chất l−u huỳnh trong xăng không quá 0,1% trọng l−ợng và trong t−ơng lai gần không quá 0,01%, còn trong nhiên liệu diesel không quá 0,15%. Hiện nay, ở n−ớc ta vẫn dùng nhiên liệu diesel có tới 1% l−u huỳnh. d. Độ a-xít Độ a-xít của nhiên liệu đ−ợc biểu thị bằng số mg hy-drô-xyt ka-li KOH cần thiết để trung hoà l−ợng a-xít có trong 1 g nhiên liệu. Độ a-xít càng cao càng gây mòn các chi tiết nh− xéc-măng- xy-lanh, xu-páp và đế xu-páp và làm tăng kết muội than. Đối với nhiên liệu diesel, độ a-xít không đ−ợc v−ợt quá 10mg KOH. e. Thành phần tro Sản phẩm cháy chứa nhiều tro sẽ sinh mài mòn các chi tiết trong buồng cháy. Giới hạn đối với nhiên liệu động cơ tốc độ thấp là 0,08%, còn đối với động cơ cao tốc là 0,02%. 3.1.3 Đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu diesel Trong số các thông số vật lý có nhiệt độ tự cháy phần nào nói lên tính tự cháy của nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhiệt độ tự cháy xác định nh− trên ch−a nêu lên bản chất của quá trình tự cháy trong động cơ diesel, đó là quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không khí trong buồng cháy động cơ tự cháy do nén. Vì thế, ng−ời ta còn sử dụng những thông số đặc tr−ng cho tính tự cháy của nhiên liệu diesel sau đây. a. Tỷ số nén tới hạn εεεth Tỷ số nén tới hạn εth là tỷ số nén của H H một động cơ có kết cấu đặc biệt (có thể thay đổi đ−ợc tỷ số nén) dùng làm động cơ thí H C C nghiệm, làm việc ở một chế độ nhất định và H C C C có góc phun sớm 13 o tr−ớc điểm chết trên H (ĐCT), khi đó hỗn hợp bốc cháy đúng tại ĐCT. Một trong những loại động cơ thí C C C C H nghiệm nh− vậy là động cơ BASF (CHLB H C C Đức). Rõ ràng là εth càng nhỏ thì tính tự H cháy của nhiên liệu càng cao. H H b. Số xê-tan Hình 3-6. α-mê-tyl-naph-ta-lin Số xê-tan Xe của nhiên liệu là phần 23
6. trăm thể tích của xê-tan (C 16 H34 mạch thẳng) trong hỗn hợp với α-mê-tyl-naph-ta-lin ( α- C10 H7CH 3, hình 3-6), hỗn hợp này có tỷ số nén tới hạn εth giống nh− εth của nhiên liệu. Theo định nghĩa trên, xê-tan có Xe = 100, còn α-mê-tyl-naph-ta-lin có số Xe = 0. Nhiên liệu diesel dùng trong thực tế có Xe = 35 ữ 55. Số Xe càng lớn thì tính tự cháy càng cao. c. Chỉ số diesel Chỉ số diesel D là một đại l−ợng qui −ớc xác định trong phòng thí nghiệm theo công thức sau: 1 D = (141 5, − 131 5, γ)( 8,1 A + 32 ) (3-3) 100 γ Trong đó: - γ là trọng l−ợng riêng (g/cm 3) của nhiên liệu ở 15 oC. - A là điểm a-ni-lin của nhiên liệu. Đó là nhiệt độ ( oC) kết tủa của hỗn hợp nhiên D liệu cần thí nghiệm và a-ni-lin (C 6H5NH 2) có tỷ lệ 1:1. Nhiên liệu có càng lớn thì tính tự cháy càng cao. 3.1.4 Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu xăng Tính chống kích nổ biểu thị khả năng giữ cho nhiên liệu không tự cháy tr−ớc khi màng lửa từ bu-gi lan tràn tới. Chúng ta sẽ xét kỹ hiện t−ợng kích nổ ở ch−ơng 4. Tính chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu chất l−ợng của xăng và đ−ợc đánh giá thông qua những thông số sau đây. a. Tỷ số nén có lợi Tỷ số nén có lợi εcl là tỷ số nén lớn nhất cho phép về mặt kích nổ. Tỷ số nén có lợi εcl đ−ợc xác định trên động cơ đặc biệt (có thể thay đổi tỷ số nén) t−ơng tự nh− tỷ số nén tới hạn εth đối với nhiên liệu diesel đF xét ở trên. b. Số ốc-tan Số ôc-tan O của nhiên liệu là phần trăm thể tích của i-sô-ốc-tan C 8H18 (mạch nhánh, hình 3-2) với hép-tan C 7H16 (mạch thẳng), hỗn hợp này có tỷ số nén có lợi bằng với tỷ số nén có lợi của nhiên liệu. Theo định nghĩa trên, i-sô-ốc tan có O = 100 và hép-tan có O = 0. Các loại xăng thông dụng có O = 80 ữ 100. Nhiên liệu cho động cơ c−ờng hoá, ví dụ nh− xe đua chẳng hạn, có thể có O > 100. Hiện nay chúng ta đang sử dụng các loại xăng không chì (hàm l−ợng chì khoáng nhỏ hơn 0,013 g/l) MOGAS 90, 92 và 95 có số ốc-tan RON t−ơng ứng là 90, 92 và 95. (RON - Research Octane Number, phân biệt với MON - Motor Octane Number. Thông th−ờng MON nhỏ hơn RON 5 ữ 10 đơn vị). Đối với mỗi loại nhiên liệu cụ thể nếu tính tự cháy càng cao thì tính chống kích nổ càng kém và ng−ợc lại. Quan hệ này đ−ợc thể hiện qua công thức kinh nghiệm sau đây: O = 120 - 2 Xe (3-4) 24
7. 3.2 Phản ứng cháy của nhiên liệu và sản vật cháy Quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu- không khí diễn ra trong buồng cháy bao gồm hàng loạt các phản ứng hoá học với các sản phẩm trung gian nối tiếp nhau rất phức tạp. Để đơn giản, chúng ta chỉ xét phản ứng cháy của các-bon và hy-drô trong nhiên liệu tạo ra sản phẩm cháy cuối cùng cho hai tr−ờng hợp là cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn. 3.2.1 Nhiên liệu cháy hoàn toàn 3.2.1.1 Phản ứng cháy và l−ợng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu Các-bon và hy-drô trong nhiên liệu phản ứng cháy hoàn toàn với ô-xy theo các phản ứng sau: C + O 2 = CO 2 (3-5) 2H 2 + O 2 = 2H 2O (3-6) Để tính l−ợng không khí cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu (nl), ta sử dụng (3-5) và (3-6) cho hai tr−ờng hợp là L o (kg/kgnl) và M o(kmol/kgnl). ••• L o Từ các ph−ơng trình (3-5) và (3-6), ta có thể viết: 12 kg cac-bon + 32 kg ô-xy → 44 kg cac-bon-nic (3-7) 4 kg hy-drô + 32 kg ô-xy → 36 kg n−ớc (3-8) Theo công thức (3-2), trong 1 kg nhiên liệu có C kg các-bon, H kg hy-drô và O kg ô-xy. Các quan hệ (3-7) và (3-8) tính cho C kg các-bon và H kg hy-drô sẽ có dạng: 8 11 C kg cac-bon + C kg ô-xy → C kg cac-bon-nic (3-9) 3 3 H kg hy-drô + 8H kg ô-xy → 9H kg n−ớc (3-10) L−ợng ô-xy cần thiết O o để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là tổng l−ợng ô-xy của (3-9) và (3-10) trừ l−ợng ô-xy có sẵn trong nhiên liệu O. 8 O = C + 8H − O (kg/kgnl) (3-11) o 3 Trong không khí có thể coi ô-xy chiếm 23% khối l−ợng (m O2 = 0,23). Do đó l−ợng không khí cần thiết L o để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là:   Oo 1 8 (kg/kgnl) (3-12) Lo = =  C + 8H − O mo2 0,23 3  ••• M o Để tính M o ta cũng xuất phát từ các ph−ơng trình (3-5) và (3-6). 12 kg cac-bon + 1kmol ô-xy → 1 kmol cac-bon-nic (3-13) 4 kg hy-drô + 1 kmol ô-xy → 2 kmol n−ớc (3-14) 25
8. T−ơng tự tính cho C kg các-bon và H kg hy-drô: C C C kg cac-bon + kmol ô-xy → kmol cac-bon-nic (3-15) 12 12 H H H kg hy-drô + kmol ô-xy → kmol n−ớc (3-16) 4 2 T−ơng tự nh− trên, l−ợng ô-xy cần thiết M o để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là tổng l−ợng ô-xy của (3-15) và (3-16) trừ l−ợng ô-xy có sẵn trong nhiên liệu (l−u ý rằng phân tử l−ợng của ô-xy là 32). C H O O = + − (kmol/kgnl) (3-17) o 12 4 32 Thành phần thể tích của ô-xy trong không khí có thể lấy bằng 0,21 (r O2 = 0,21). Do đó l−ợng không khí cần thiết M o để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu sẽ là:   Oo 1 C H O (kmol/kgnl) (3-18) Mo = =  + −  rO2 0,2112 4 32  3.2.1.2 Hệ số d− l−ợng không khí Tỷ lệ giữa l−ợng không khí thực tế nạp vào động cơ và l−ợng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn cùng một l−ợng nhiên liệu là một đại l−ợng đặc tr−ng cho mức độ đậm nhạt của hỗn hợp nhiên liệu-không khí (từ đây gọi tắt là hỗn hợp) gọi là hệ số d− l−ợng không khí λ. L M λ = = (3-19) Lo Mo L và M là l−ợng không khí thực tế nạp vào động cơ ứng với 1 kg nhiên liệu còn L o và M o là l−ợng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu đ−ợc xác định theo (3-12) và (3-18). Với định nghĩa hệ số d− l−ợng không khí λ nh− trên ta có thể nói: khi nhiên liệu cháy hoàn toàn tức là đủ và thừa không khí thì λ ≥ 1, còn khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn tức là thiếu không khí thì λ < 1. 3.2.1.3 L−ợng khí nạp mới L−ợng khí nạp mới M 1 là số kmol môi chất nạp vào động cơ ứng với 1 kg nhiên liệu. Đa số động cơ xăng hiện nay tạo hỗn hợp từ bên ngoài xy lanh động cơ (trừ động cơ phun xăng trực tiếp, xem ch−ơng VII) nên khí nạp mới bao gồm không khí và nhiên liệu: 1 1 M1 = M + = λMo + (3-20) ànl ànl với ànl là phân tử l−ợng của xăng, có thể lấy bằng 114 kg/kmol. Đối với động cơ diesel, khí nạp mới chỉ có không khí nên: 26
9. M1 = M = λMo (3-21) 3.2.1.4 Sản vật cháy Sản vật cháy của quá trình cháy hoàn toàn nhiên liệu bao gồm các-bon-nic CO 2, hơi n−ớc H 2O, ô-xy thừa O 2 và ni-tơ N 2. Một cách gần đúng, có thể coi không khí chỉ bao gồm ô-xy và ni-tơ, do đó thành phần thể tích của ni-tơ r N2 = 0,79. Xét cho 1 kg nhiên liệu, ta có: C từ (3-15) M = (kmol/kgnl) CO2 12 H từ (3-16) M = (kmol/kgnl) H2O 2 l−ợng ô-xy thừa M O2 = 0,21(M - M o) = 0,21( λ - 1)M o và l−ợng ni-tơ (trơ) M N2 = 0,79M = 0,79 λMo L−ợng sản vật cháy M 2 sẽ là tổng các thành phần cấu thành: C H M2 = ∑Mi = + + 0,21(λ − )1 Mo + 0,79λMo 12 2 (3-22) C H = + + λM − 0,21M 12 2 o o Thay 0,21M o từ (3-18) vào (3-22) và rút gọn ta đ−ợc: H O M = λM + + (3-23) 2 o 4 32 3.2.2 Nhiên liệu cháy không hoàn toàn Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn ( λ < 1) chúng ta coi gần đúng rằng sản phẩm cháy sẽ gồm các thành phần sau: các-bon-níc CO 2, mô-nô-xit-cac-bon CO, hơi n−ớc H 2O, hy-drô H 2 và ni-tơ N 2. Do cháy thiếu ô-xy, một phần các-bon cháy tạo thành CO 2 và phần còn lại cháy tạo thành CO. T−ơng tự, một phần hy-drô cháy tạo thành hơi n−ớc, phần còn lại ở dạng khí hy-drô H 2. Thí nghiệm phân tích khí thải động cơ chỉ ra rằng, tỷ lệ thành phần H 2 và CO chỉ H phụ thuộc loại nhiên liệu (phụ thuộc tỷ lệ ) mà không phụ thuộc vào λ nên có thể đặt C bằng một hằng số k: M k = H2 = const (3-24) MCO H H Ví dụ, khi = 0,17 ữ 0,19 thì k = 0,45 ữ 0,5; còn khi = 0,13 thì k = 0,3. C C 27
10. Để tính toán các thành phần trong sản vật cháy, ta sử dụng thêm ph−ơng trình phản ứng cháy không hoàn toàn của cac-bon sau đây: 2C + O 2 = 2CO (3-25) Gọi k C là tỷ lệ các-bon cháy tạo thành CO. Vậy l−ợng cac-bon (tính cho 1 kg nl) cháy tạo thành CO là k CC, phần còn lại (1- k C)C cháy tạo thành CO 2. Để tính M CO ta dựa vào (3-25) thiết lập quan hệ: 24 kg cac-bon + 1 kmol ô-xy → 2 kmol mô-nô-xýt-các-bon (3-26) k C k C k C kg các-bon + C kmol ô-xy → C kmol mô-nô-xýt-các-bon (3-27) C 24 12 Nh− vậy: k C M = C (kmol/kgnl) (3-28) CO 12 Để tính M CO2 ta phải dựa vào (3-15) với chú ý thay C bằng (1-kC)C, ta có: C C (1-k )C kg các-bon + (1-k ) kmol ô-xy → (1-k ) kmol cac-bon-nic (3-29) C C 12 C 12 Nh− vậy C M = (1-k ) (kmol/kgnl) (3-30) CO2 C 12 Gọi k H là tỷ lệ hy-drô không cháy và do đó tồn tại ở dạng khí. L−ợng hy-drô không cháy sẽ là k HH (kg/kgnl). Với chú ý rằng phân tử l−ợng của hy-drô bằng 2, ta có: k H M = H (kmol/kgnl) (3-31) H2 2 Phần hy-drô còn lại (1- k H)H (kg/kgnl) cháy tạo thành H 2O. Để tính MH2O ta dựa vào (3-16) với chú ý thay H bằng (1-kH)H: (1 - k )H (1 - k )H (1-k )H kg hy-drô + H kmol ô-xy → H kmol n−ớc (3-32) H 4 2 Nh− vậy: (1 - k )H M = H (kmol/kgnl) (3-33) H2O 2 Thành phần ni-tơ: MN2 = 0,79M = 0,79 λMo (3-34) Tổng sản vật cháy M 2 sẽ là: M2 = ∑Mi = MCO 2 + MCO + MH2 + MH2O + M N2 C H (3-35) = + + 0,79λM 12 2 o 28
11. Để có thể tính toán từng thành phần cụ thể, không phụ thuộc vào các tỷ lệ k C và k H ta thiết lập hệ ph−ơng trình sau: Từ (3-28) và (3-30) ta đ−ợc: C M + M = (3-36) CO2 CO 12 Từ (3-31) và (3-33) ta đ−ợc: H M + M = (3-37) H2 H2O 2 M Các ph−ơng trình (3-36), (3-37) cùng với (3-24) ( k = H2 = const ) tạo thành một MCO hệ 3 ph−ơng trình với 4 ẩn số là M CO2 , M CO , M H2 , M H2O . Để tìm các thành phần, ta phải thiết lập thêm một ph−ơng trình độc lập xuất phát từ điều kiện tổng l−ợng ô-xy cho các phản ứng cháy tạo thành CO 2, CO và H 2O bằng tổng l−ợng ô-xy do không khí và nhiên liệu cung cấp. O MCO 2 + MCO + MH2O = 0,21λM + (3-38) O2 O2 O2 o 32 Từ (3-29) ta có thể viết: 1( − k )C MCO 2 = C = M (3-39) O2 12 CO 2 T−ơng tự, từ (3-27) k C M MCO = C = CO (3-40) O2 24 2 và từ (3-32) ta có: 1( − k )H M MH2O = H = H2O (3-41) O2 4 2 Thay (3-39), (3-40) và (3-41) vào (3-38) ta đ−ợc: M M O M + CO + H2 = 0,21λM + (3-42) CO 2 2 2 o 32 Giải hệ ph−ơng trình (3-24), (3-36), (3-37) và (3-42) ta đ−ợc: 1− λ M = 0,42 M (3-43) CO 1+ k O C 1− λ M = − 0,42 M (3-44) CO 2 12 1+ k O 1− λ M = 0,42k M (3-45) H2 1+ k O 29
12. H 1− λ M = − 0,42k M (3-46) H2O 2 1+ k O Kết thúc phần tính toán sản vật cháy cho cả hai tr−ờng hợp cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn chúng ta cần l−u ý một số điểm sau đây. Thứ nhất, các phản ứng cháy đF đ−ợc đơn giản hoá là các phản ứng ô-xy hoá thông th−ờng và chỉ xét đến sản phẩm cuối cùng, không qua các phản ứng trung gian theo lý thuyết động học phản ứng. Ngoài ra, phản ứng của ni-tơ với ô-xy trong điều kiện nhiệt độ cao cũng không đ−ợc xét đến. Trong thực tế, khí thải của động cơ xăng và diesel đều chứa ô-xýt-ni-tơ NO x là một trong những thành phần độc hại cần phải khống chế. Vấn đề này sẽ đ−ợc khảo sát trong chuyên đề "Khí thải động cơ và vấn đề ô nhiễm môi tr−ờng". Thứ hai, các phản ứng ô-xy hoá chỉ xảy ra trong một giới hạn nhất định của hệ số d− l−ợng không khí λ gọi là giới hạn cháy. Giới hạn trên của λmax là là giá trị mà ngoài giới hạn này hỗn hợp quá nhạt không cháy đ−ợc. Đối với nhiên liệu xăng λmax nằm trong khoảng 1,2 ữ 1,6 còn đối với nhiên liệu diesel λmax có thể đến 10. Giới hạn d−ới λmin là giá trị mà d−ới đó hỗn hợp quá đậm (quá thiếu ô-xy) nên không thể cháy đ−ợc. Trong tính toán khi cháy không hoàn toàn ( λ < 1) ứng với tr−ờng hợp động cơ xăng, ng−ời ta coi λmin là giá trị mà tại đó toàn bộ cac-bon trong nhiên liệu chỉ cháy tạo thành CO. Nói các khác, MCO2 = 0. Từ (3-45): C 1− λ M = − 0,42 min M = 0 (3-47) CO 2 12 1+ k O ta rút ra: C 1+ k λmin = 1− . (3-48) 12 0,42Mo Ví dụ, với xăng có C = 0,855; H = 0,145 (O = 0) và k = 0,5 thì λmin ≈ 0,5. 3.2.3 Thay đổi thể tích khi cháy L−ợng sản phẩm cháy là M 2 nói chung khác với l−ợng khí nạp mới M 1. Do đó có thể kết luận rằng môi chất có sự thay đổi thể tích khi cháy. Sau đây ta sẽ xét một cách cụ thể. 3.2.3.1 L−ợng biến đổi phân tử ∆M = M 2 - M 1 a. Cháy hoàn toàn ( λ ≥ 1) Xét hai tr−ờng hợp: • Xăng M2 tính theo (3-23) còn M 1 theo (3-20) H O 1 M2 − M1 = λMo + + − λMo − 4 32 ànl 30
13. H O 1 ∆M = + − (3-49) 4 32 ànl ••• Diesel M2 tính theo (3-23) còn M 1 theo (3-21) H O ∆M = + (3-50) 4 32 b. Cháy không hoàn toàn ( λmin < λ < 1) Tr−ờng hợp này chỉ có ở động cơ xăng vì λ của động cơ diesel luôn lớn hơn 1 (xem phần quá trình cháy, mục 4.3). M 2 tính theo (3-35) còn M 1 theo (3-20). C H 1 ∆M = + + 0,79λM − λM − 12 2 o o à nl C H 1 = + − 0,21λMo − 12 2 ànl O Ta thêm vào và bớt đi rồi biến đổi: 32 C H 1 O O ∆M = + − 0,21λM − + − 12 2 o à 32 32 nl C H O H O 1 = + − + − 0,21λMo + − 12 4 32 4 32 ànl Từ (3-18) ta có: C H O + − = 0,21M . Vậy cuối cùng ta có: 12 4 32 o H O 1 ∆M = 0,21M − 0,21λM + + − o o 4 32 à nl (3-51) H O 1 = 0,21 1( − λ)Mo + + − 4 32 ànl 3.2.3.2 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết Ng−ời ta định nghĩa hệ số biến đổi phân tử lý thuyết đặc tr−ng cho mức độ thay đổi thể tích t−ơng đối khi cháy nh− sau: M2 M1 + ∆M ∆M βo = = = 1 + (3-52) M1 M1 M1 Để tính βo ta phân biệt các tr−ờng hợp cụ thể. a. Xăng Đối với xăng, ta phân biệt hai tr−ờng hợp sau: 31
14. ••• Cháy hoàn toàn ( λ ≥ 1) ∆M tính theo (3-49) còn M 1 theo (3-21) H O 1 + − 4 32 à β = 1 + nl (3-53) o 1 λMo + ànl ••• Cháy không hoàn toàn ( λmin < λ < 1) ∆M tính theo (3-51) còn M 1 theo (3-21) H O 1 0,21 1( − λ)M + + − o 4 32 à β = 1 + nl (3-54) o 1 λMo + ànl b. Diesel ∆M lấy từ (3-50) còn M 1 theo (3-21): H O + 4 32 βo = 1 + (3-55) λMo 3.2.3.3 Hệ số biến đổi phân tử thực tế Thực tế trong động cơ tr−ớc và sau quá trình cháy luôn có một l−ợng khí sót M r trong thành phần của môi chất công tác. Vì vậy, để tính đến sự thay đổi thể tích diễn ra trong động cơ có kể đến vai trò của khí sót ng−ời ta định nghĩa hệ số biến đổi phân tử thực tế nh− sau: M + M β = 2 r (3-56) M1 + Mr Chia tử và mẫu số của (3-56) cho M 1 và gọi: Mr γr = (3-57) M1 là hệ số khí sót, ta đ−ợc: β + γ β = o r (3-58) 1 + γr Trong quá trình cháy, tính đến thời điểm khi tỷ lệ nhiên liệu cháy cháy hết là x (-) thì hệ số biến đổi phân tử lúc đó đ−ợc gọi là hệ số biến đổi phân tử tức thời βx . Giả thiết gần đúng rằng, l−ợng biến đổi phân tử tức thời tỷ lệ với l−ợng nhiên liệu đF cháy, ta có thể viết: 32
15. M1 + Mr + x∆M (x M2 − M1) βo − 1 βx = = 1 + = 1 + x (3-59) M1 + Mr M1 + Mr 1 + γr Sau khi tính toán sự thay đổi phân tử của quá trình cháy, ta có thể rút ra một số nhận xét sau đây: • ∆M > 0 và βo , β, βx > 1 do đó có thể kết luận rằng khi cháy thể tích tăng dẫn tới có lợi về công. • Khi cháy hoàn toàn ( λ ≥ 1) ∆M chỉ phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu (C, H, O). Còn khi cháy không hoàn toàn ( λmin < λ < 1) ∆M không những phụ thuộc thành phần nhiên liệu mà còn phụ thuộc λ. 3.3 Tỷ nhiệt của môi chất công tác Tỷ nhiệt của môi chất là một thông số vật lý cần thiết trong tính toán nhiệt động. Vấn đề này đF đ−ợc đề cập kỹ l−ỡng ở trong các giáo trình vật lý hoặc nhiệt kỹ thuật. Sau đây chúng ta chỉ nhắc lại tóm tắt những ý chính cần thiết cho việc tính toán chu trình công tác thực tế của động cơ. 3.3.1 Tỷ nhiệt phụ thuộc nhiệt độ Tỷ nhiệt của môi chất nói chung phụ thuộc vào nhiệt độ. Một cách gần đúng chúng ta có thể coi đây là quan hệ tuyến tính: CàvT = a v + bT (3-60) với CàvT là tỷ nhiệt đẳng tích của một kmol (kJ/kmol.K), T i (K) là nhiệt độ tuyệt đối của môi chất, a v và b là các hằng số thực nghiệm. Ví dụ, đối với không khí, N 2, O 2, CO là các khí có hai nguyên tử có thể sử dụng công thức: CàvT = 19 ,806 + ,0 00419 T (kJ/kmol.K) (3-61) Trong tính toán ng−ời ta th−ờng sử dụng giá trị tỷ nhiệt trung bình trong khoảng từ 0 đến nhiệt độ T (K) đang khảo sát: b C = a + T (kJ/kmol.K) (3-62) àvT v 2 Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình đ−ợc xác định theo công thức sau: CàpT = CàvT + ,8 314 (kJ/kmol.K) (3-63) 3.3.2 Tỷ nhiệt của khí nạp mới Khí nạp mới trong động cơ diesel là không khí còn khí nạp mới trong phần lớn động cơ xăng là hỗn hợp xăng-không khí. Nói chung tỷ lệ nhiên liệu trong hỗn hợp rất nhỏ nên có thể bỏ qua khi tính toán tỷ nhiệt. Vì vậy có thể coi tỷ nhiệt của khí nạp mới nói chung cho cả hai loại động cơ là tỷ nhiệt của không khí tính toán theo công thức (3-61). 3.3.3 Tỷ nhiệt của sản vật cháy 33
16. Sản vật cháy là một hỗn hợp khí phức tạp. Khi tính toán có thể sử dụng những công thức kinh nghiệm sau: • λ ≥ 1  ,1 634   184 ,36  C′′ = 19 ,867 +  + 427 ,38 + 10 −5 T (kJ/kmol.K) (3-64) àvT  λ   λ  • 0,7 ≤ λ < 1 −5 Cà′′ vT = (17 ,997 + ,3 504 λ) + (360 ,34 + 251 4, λ)10 T (kJ/kmol.K) (3-65) 3.3.4 Tỷ nhiệt của hỗn hợp công tác Trong quá trình nén, hỗn hợp công tác gồm khí nạp mới và khí sót. Tỷ nhiệt đẳng tích của hỗn hợp công tác khi đó đ−ợc tính toán theo công thức sau: n C′àvT = ∑riCàvTi (3-66) i=1 Trong tr−ờng hợp này n = 2, ta có: ′′ ′′ M1 Mr M1CàvT + MrCàvT CàvT + γrCàvT C′àvT = CàvT + Cà′′ vT = = (3-67) M1 +Mr M1 + Mr M1 + Mr 1 + γr Sau khi thay CàvT và C′à′vT vào (3-67) và rút gọn, ta lại đ−ợc C′àvT có dạng tuyến tính nh− (3-60): C′àvT = a′v + b′T (3-68) Tỷ nhiệt đẳng tích trung bình của hỗn hợp Cà′vT đ−ợc xác định theo (3-62): b′ C′ = a′ + T (3-69) àvT v 2 Tỷ nhiệt đẳng áp trung bình của hỗn hợp Cà′pT đ−ợc xác định theo (3-63): b′ b′ C′ = a′ + T + ,8 314 = a′ + T (3-70) àpT v 2 z 2 với: a′z = a′v + ,8 314 (3-71) Chú ý: C tại z, công thức của thầy Phú. 34