Đang tải... (xem toàn văn)
Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng
Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng 1.1 Tổng quan về xăng 1.2 Khái niệm cơ bản về xăng Xăng là hỗn hợp của các chất hydrocarbon. Nói cách khác, xăng là nhóm hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C n H 2n+2 , gồm mạch carbon thẳng chứa từ 7 – 11 nguyên tử C, và các nguyên tử hydrogen. Ngoài ra ta cũng có thể định nghĩa, Xăng, hay còn gọi là ét-xăng (phiên âm từ tiếng Pháp: essence), là một loại dung dịch nhẹ chứa Hyđrocacbon, dễ bay hơi, dễ bốc cháy, cất từ dầu mỏ. Xăng được sử dụng như một loại nhiên liệu, làm chất đốt cho các loại động cơ xăng. Xăng được chế biến từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất trực tiếp và cracking,… có tỷ trọng d 15 = từ 0.07 đến 0.75, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35-200 o C. Khi chúng ta đốt xăng cháy hoàn toàn, trong điều kiện đủ oxigen, nó sẽ tạo ra khí carbonic (CO 2 ) từ các nguyên tử C, và hơi nước (H 2 O) từ các nguyên tử H, đồng thời phản ứng cháy này sẽ tỏa ra rất nhiều nhiệt. Một gallon xăng (3,85 lit), khi cháy hoàn toàn sẽ tỏa ra 132x106 joules nhiệt năng, hay tương đương 36.650 watt-hours. Để dễ hình dung năng lượng chứa trong 1 gallon xăng (3,85 lít) nhiều ít ra sao, chúng ta thử làm vài so sánh như sau: Sống ở Hà Nội, Đà Lạt hay ở những vùng núi cao, vào những ngày mùa đông lạnh lẽo bạn muốn sưởi ấm căn phòng của mình. Bạn lấy ra một máy sưởi 1500 W, cắm điện và bật quạt sưởi ở số mạnh nhất. Lượng nhiệt tỏa ra trong 24 giờ từ chiếc máy sưởi này khi hoạt động như vậy, sẽ tương đương với nhiệt năng của 1 gallon xăng khi cháy tỏa ra. Chúng ta cũng thường nói về calorie của thực phẩm, tức năng lượng do thực phẩm cung cấp khi cơ thể chúng ta tiêu hóa và hấp thu hoàn toàn lượng thực phẩm đó. Nếu qui CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 1/25 Hình 1: Các loại phân tử hydrocarbon phổ biến trong thành phần của xăng Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng đổi năng lượng tạo ra khi đốt cháy 1 gallon xăng ra số calorie, con số này sẽ là 31.000 calorie. Tương đương với năng lượng của 110 chiếc bánh mì kẹp thịt hamburger của tiệm Mac Donalds, hay của Kentucky Fried Chicken – KFC. 1.3 Phân loại xăng và một số tính chất đặc trưng 1.4 phân loại Căn cứ vào Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6776: 2005 – Tiêu chuẩn chất lượng xăng không chì, xăng sử dụng tại Việt Nam được phân thành 3 loại cơ bản: − Xăng mogas 95 (M95): Có mùi đặc trưng, màu vàng, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén trên 9,5/1 như các xe hơi đời mới, xe đua, có trị số ốctan là 95. − Xăng mogas 92 (M92): Có mùi đặc trưng, màu xanh lá, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 9,5/1, có trị số ốctan là 92. − Xăng mogas 83 (M83): Có mùi đặc trưng, màu vàng, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 8/1, có trị số ốctan là 83. Hịện xăng này ít được sử dụng trên thị trường 1.5 Các chỉ tiêu chất lượng đặc trưng Tính chống kích nổ Có hai hiện tượng cháy có thể xảy ra: Cháy bình thường, cháy kích nổ Trị số ốctan của xăng biểu hiện tính chống kích nổ của xăng. Xăng có trị số ốctan càng cao thì tính chống kích nổ càng cao VD: M95 Xăng có trị số ốctan cao sử dụng cho động cơ có tỉ số nén cao. Tính bay hơi thích hợp Xăng muốn cháy được trong máy thì phải bay hơi. Xăng bay hơi thích hợp thì sẽ cháy tốt trong máy. Nếu xăng bay hơi không thích hợp thì máy sẽ không phát huy được hết công suất, hao xăng nhiều và gặp phải những sự cố kỹ thuật sau: Hiện tượng nghẹt xăng hay nút hơi Hiện tượng ngộp xăng (sặc xăng) Tính ổn định hóa học cao Khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của môi trường xung quanh gọi là tính ổn định hóa học của xăng. Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 2/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng mức độ tồn chứa và thời gian tồn chứa Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa học càng thấp. Thông có sự ăn mòn, tạp chất cơ học và nước Xăng có tính ăn mòn kim lọai do sự có mặt của các hợp chất lưu hùynh, các axít, keo nhựa chưa tinh chế hết trong quá trình chế biến Tạp chất cơ học có trong xăng gồm những chất từ bên ngòai rơi vào trong quá trình bơm rót, vận chuyển như cát, bụi, v.v… Nước từ bên ngoài rơi vào xăng trong quá trình xuất, nhập, tồn chứa . 1.6 Nguồn gốc của xăng Xăng là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô. Dầu thô được khoan và bơm lên từ lòng đất, là một chất lỏng hơi sệt, màu nâu sẫm, nó là một hỗn hợp của rất nhiều loại hydrocarbon có công thức cấu tạo khác nhau. Mỗi loại hydrocarbon có chiều dài và cấu tạo phân tử khác nhau sẽ có các tính chất hóa, lý khác nhau. Mạch carbon càng dài, trọng lượng phân tử càng lớn hơn. Hợp chất hydrocarbon có từ 1 đến 4 nguyên tử C như Methane (CH 4 ), Ethane (C 2 H 6 ), Propane (C 3 H 8 ), và Butane (C 4 H 10 ) là các chất khí ở nhiệt độ thường. Với số nguyên tử C từ 5 – 18, là các hydrocarbon ở dạng lỏng. Với số nguyên tử C ≥ 19, hợp chất hydrocarbon là các chất rắn ở nhiệt độ thường. Tất nhiên chúng ta dễ suy luận là các hydrocarbon có mạch carbon càng dài sẽ có độ sôi càng cao. Dựa vào đặc tính này mà các kỹ sư có thể thiết kế tháp chưng cất để tách các loại hydrocarbon khác nhau ra từng nhóm riêng biệt từ dầu thô. Trong nhà máy lọc dầu như Dung Quất ở Bình Sơn, Quảng Ngãi, quá trình chưng cất dầu thô xãy ra như vậy. Dầu thô được đun nóng liên tục và các loại hydrocarbon như các chất khí, dung môi hữu cơ, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu nhờn, paraffin… được tách ra từ cột tháp chưng cất ở những tầng có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau. Nhóm hydrocarbon ở nhiệt độ sôi thấp sẽ được tách ra trước tiên nằm ở phần cao nhất của tháp chưng cất. Về phía đáy tháp là các hydrocarbon nặng hơn được tách ra. Chúng ta có thể hiểu rõ hơn qui trình chưng cất dầu thô, hay còn gọi là qui trình lọc dầu, từ sơ đồ bên dưới. CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 3/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Hình 2: Sơ đồ tháp chưng cất dầu thô. Dầu thô (crude oil) được đun nóng bốc hơi và tách ra theo từng nhóm trong tháp chưng cất phân đoạn (distillation column), ở các khoảng nhiệt độ khác nhau, có thể diễn tả sơ lược: 1. Cao nhất là các chất khí (gas) với số nguyên tử C ≤ 4, được tách ra ở nhiệt độ 20º C. 2. Nhóm hỗn hợp dung môi (naphtha) có số nguyên tử C từ 5 - 8, được tách ra khi đun dầu thô từ 40ºC - 70ºC. 3. Nhóm hợp hỗn hợp, gồm các hydrocarbon có công thức phân tử C 7 H 16 đến C 11 H 24 trộn lẫn vào nhau, được gọi là xăng, và được dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Nhiệt độ bốc hơi của hỗn hợp này thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, do vậy khi ta làm đổ xăng trên đất nó sẽ bốc hơi rất nhanh. 4. Tiếp theo nhóm xăng là các hydrocarbon thuộc nhóm dầu hỏa (kerosene), công thức cấu tạo của chúng có từ 12 – 15 nguyên tử C. 5. Tiếp theo dầu hỏa, xuống bên dưới của tháp chưng cất, là dầu diesel, và kế bên dưới dầu diesel là loại dầu nặng hơn dùng để đốt lò sưởi. 6. Tiếp xuống phía dưới là dầu nhờn bôi trơn động cơ, còn gọi với tên thông dụng là nhớt máy, nhớt động cơ (lubricating oil). Mạch carbon của nhóm này khá lớn, do vậy mà chúng không thể bốc hơi ở nhiệt độ thường. Bạn cũng biết rằng bên trong động cơ đang hoạt động, dầu nhờn thường xuyên ở nhiệt độ 121ºC mà không bị bốc hơi (nhìn lại trên sơ đồ tháp chưng cất, bạn sẽ hiểu vì sao). Các chất bôi trơn này gồm nhiều loại, từ loại lỏng cho động cơ; đặc sánh hơn cho các hộp số mạnh (gear oil); dặc hơn nữa như mỡ bôi trơn cơ phận (grease). Va-zơ-lin (vasoline) dùng để bôi chống khô da khi trời lạnh cũng thuộc về nhóm này. Khi mạch phân tử dài hơn 20 nguyên tử C, các hydrocarbon ở thể rắn và có tên gọi là paraffin hay sáp. 7. Cuối cùng là nhựa đường, hay dầu hắc dùng để trải đường cho xe chạy. Tất cả các sản phẩm trên đều lấy ra từ dầu thô. Và các bạn thấy là chỉ dựa vào chiều dài khác nhau CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 4/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng của mạch Carbon (C) mà chúng ta có thể tách các nhóm hợp chất hữu cơ Hydrocarbon ra, bằng phương pháp chưng cất theo cột bốc hơi phân đoạn. 1.7 Sự phát triển của xăng pha chì Xăng pha chì ra đời giúp ngành công nghiệp ôtô chuyển sang một bước phát triển mới nhưng nó đã bị cấm sử dụng do gây tác động xấu đến sức khoẻ con người. Phát hiện của Charles F. Kettering, trưởng phòng nghiên cứu, sáng chế viên cao cấp hãng General Motors và đồng nghiệp Thomas Midgley về nguyên nhân của hiện tượng kích nổ vào những năm đầu của thập niên 1910 đã đưa ra thách thức mới cho ngành công nghiệp ôtô thời kỳ đó: Tìm kiếm giải pháp nâng cao tính chất chống kích nổ của nhiên liệu. Trong suốt khoảng thời gian gần 10 năm sau đó, các hãng xe hơi, các công ty dầu khí, công ty hoá chất đã huy động rất nhiều nhà nghiên cứu, chi những khoản tiền khổng lồ để giúp họ tập trung vào nghiên cứu, thử nghiệm hàng loạt các đề án nhằm loại bỏ hiện tượng kích nổ. Lịch sử ngành công nghiệp ôtô lại một lần nữa ghi tên những nghiên cứu viên xuất sắc của hãng General Motor. Thomas Midgley, ngày 9/12/1921, đã khám phá ra tính chất chống kích nổ đặc biệt của hợp chất cơ kim chứa chì mang tên “chì tetra-ethyl”. Một thành công ngoài sức tưởng tượng của Thomas Midgley sau hơn 5 năm tiến hành thử nghiệm với hàng trăm chất phụ gia khác nhau. Tuy nhiên, Thomas Midgley không chỉ khám phá ra “chì tetra-ethyl”, trước đó ông còn phát hiện ra rằng cồn cũng là một chất có những khả năng tương tự. Năm 1921, trong thư gửi cho Charles F. Kettering, lúc đó là Phó chủ tịch General Motors, Thomas Midgley viết “cồn là nhiên liệu của tương lai”. Lý do ông đưa ra là hợp chất đó cực kỳ phổ biến và đồng thời nó được điều chế dễ dàng từ hợp chất cũng phổ biến không kém: tinh bột. Thomas Midgley coi đó như là sự thay thế hoàn hảo cho nhiên liệu động cơ khi nguồn tài nguyên dầu cạn kiệt. Nhưng vào thời kỳ đó, người ta không thể điều chế được cồn hoàn toàn tinh khiết để làm nhiên liệu vì trong cồn luôn luôn tồn tại một tỷ lệ nước nhất định, chúng tạo thành một hỗn hợp đẳng phí và thành phần đó không bị phá vỡ dưới mọi dạng chưng cất và mọi công nghệ tinh chế. Ý tưởng về nguồn nhiên liệu dùng cồn bị phá sản, Detroit (nơi đặt trụ sở chính của General Motors cũng như hai hãng xe lớn khác của nước Mỹ là Ford và Chrysler) lựa chọn “chì tetra-ethyl” làm giải pháp cho hiện tượng kích nổ. Chỉ cần 3-4 cc hợp chất này trong một gallon nhiên liệu (3,79 lít), hiện tượng kích nổ hoàn toàn biến mất. Detroit không cần biết nguyên lý hoạt động của “chì tetra-ethyl” và cũng không quan tâm đến việc Thomas Midgley vẫn bảo vệ cho quan điểm dùng cồn làm nhiên liệu. General Motor CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 5/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng đã nâng ngành công nghiệp ôtô lên tầm cao mới, một thời kỳ phát triển mới với những động cơ có tỷ số nén cao hơn, mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Năm 1923, song song với việc cải tiến động cơ, thiết kế những mẫu xe mới, General Motor bắt đầu sản xuất “chì tetra-ethyl” thương mại và sau khi liên kết với hãng dầu khí Standard Oil (Exxon Mobil ngày nay) vào năm 1924 để thành lập lên công ty Ethyl Corp. Hàng loạt công ty hoá chất khác tham gia vào liên minh này với tư cách là thành viên thứ 3. Xăng pha chì bắt đầu chiếm lĩnh thị trường, sản lượng “chì tetra-ethyl” không ngừng tăng và chỉ một thời gian ngắn sau đó tất cả các loại xăng trên thế giới đều pha “chì tetra- ethyl”. Nó mang về cho General Motors lợi nhuận khổng lồ, đến nỗi Charles F. Kettering đã phải thốt lên: “Đó là món quà từ thiên đường!”. Sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô gắn liền với “chì tetra-ethyl” trong suốt một thời gian dài. Nhưng, như bao hoá chất thông dụng khác, bên cạnh những tính năng vượt trội, “chì tetra-ethyl” bắt đầu có những ảnh hưởng đến sức khoẻ con người trên diện rộng. Không phải đến tận khi có những số liệu thống kê về số người bị chết, bị thương do hít phải quá nhiều khí thải từ xăng pha chì người ta mới biết đến những tính chất độc hại của nó. Ngay từ những năm 1925, trong cuộc hội thảo về “chì tetra-ethyl” do Cục sức khoẻ cộng đồng Mỹ tổ chức, Hamilton đã gọi General Motors và Charles F. Kettering là “những kẻ giết người không hơn, không kém” khi cho phổ biến “chì tetra-ethyl”. Năm 1975, Mỹ chính thức phê chuẩn quyết định cắt giảm hàm lượng “chì tetra- ethyl” trong xăng, và đến năm 1986 cấm hoàn toàn việc sử dụng xăng pha chì. Ở châu Âu, xăng pha chì bị cấm sử dụng vào những năm 1990. Còn ở Việt Nam, ngày 1/11/2001, Thủ tướng cũng đã ra quyết định cấm sử dụng xăng pha chì trên phạm vi toàn quốc. Quyết định khai tử “chì tetra-ethyl” mang lại cho chúng ta sự yên tâm về sức khoẻ, nhưng lại đặt ra cho các nhà phát triển năng lượng một câu hỏi hóc búa: dùng chất gì để nâng cao chỉ số octan của nhiên liệu mà không làm ảnh hưởng đến sức khoẻ con người? Thế giới một lần nữa quay lại với nhận định của Thomas Midgley “Cồn: nhiên liệu của tương lai”. 2. Chỉ số Octane 2.1 Chỉ số octane của xăng Nếu bạn có kiến thức về động cơ đốt trong, bạn hiểu rắng đa phần động cơ ô tô là loại động cơ xăng 4 -Thì, tức là quá trình hoạt động của động cơ xãy ra theo chu trình 4 giai đoạn: Nén, Nổ, Xả và Nạp. Ở giai đoạn Nén (compression stroke), pit-tông (piston) ép hỗn hợp gồm không khí và hơi xăng trong xy-lanh (cylinder) trước khi hỗn hợp này bị CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 6/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng đốt bằng tia lửa điện từ bu-gi (spark plug) và gây nổ. Hệ số nén của động cơ (compression ratio) thông thường là 8. Chỉ số Octane của xăng sẽ nói lên được áp suất mà hỗn hợp xăng và không khí có thể bị nén trong xi-lanh động cơ, trước khi bu-gi đánh lửa gây nổ. Nếu hỗn hợp hơi xăng và không khí này bị nén chưa đạt tới tỉ số nén 8 và đã phát nổ (nổ trước khi bu-gi đánh lửa), nó sẽ tạo ra các va đập bên trong và có thể gây hư hại, cũng như làm giảm công suất động cơ. Loại xăng có chỉ số Octane thấp, như xăng 92 bán trên thị trường hiện nay, có tỉ số nén thấp nhất trước khi bị kích nổ bởi bu-gi. Tỉ số nén của động cơ sẽ xác định chỉ số Octane của nhiên liệu dành cho nó. Nếu chúng ta muốn tăng mã lực của động cơ, chỉ bằng cách thay đổi nhiên liệu, chúng ta phải chọn loại xăng nào có chỉ số Octane cao, tức tỉ số chịu nén cao. Tóm lại, động cơ sẽ hoạt động tối hảo ở tỉ số nén cao nhất của nó, sẽ đòi hỏi nhiên liệu tốt hơn, với chỉ số octane cao. Và sự bất tiện ở đây, khi chúng ta muốn động cơ xe hoạt động hoàn hảo, đó là chúng ta phải mua loại xăng tốt hơn với giá đắt hơn. Xăng là một hỗn hợp của các hydrocarbon có mạch Carbon từ C 7 đến C11. Trong đó, thành phần Heptane - C 7 H 16 , chịu nén rất dở, chỉ cần tăng áp suất lên một chút là nó đã phát nổ mà không cần tia lửa điện của bu-gi trong xi-lanh động cơ. Octane ngược lại, chịu nén được dưới áp suất rất cao. Lọai xăng Octane 92 bán trên thị trường có nghĩa là gồm 92% Octane và 8% Heptane (hay của một hỗn hợp hydrocarbon có khả năng chịu nén tương đương với tỉ lệ 92/8 của 2 loại trên). Nếu động cơ của xe bạn hoạt động với tỉ số nén cao hơn, bạn nên chọn loại xăng có chỉ số Octane cao hơn xăng 92. 2.2 Lịch sử chỉ số octane Gần hai thập kỷ từ sau khi Carl Benz chế tạo chiếc xe chạy bằng động cơ xăng đầu tiên, các chuyên gia kỹ thuật mới nhận ra rằng hiện tượng kích nổ không cho phép họ tuỳ ý tăng sức mạnh của động cơ đốt trong. Những năm cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, lịch sử của động cơ đốt trong bước sang một trang mới. Người khởi xướng cho cuộc cách mạng công nghệ ôtô - xe máy thời kỳ đó là Gottlieb Wilhelm Daimler, nhà thiết kế động cơ người Đức, khi vào năm 1885, ông thử nghiệm thành công loại xe hai bánh chạy bằng động cơ đốt trong một xi-lanh. CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 7/25 Hình 3: Bộ đốt nhiên liệu taọ áp suất Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Song song và độc lập với Wilhelm Daimler, năm 1886, Carl Freidrich Benz nhận được bằng sáng chế về phát minh “vận chuyển bằng động cơ dùng xăng” với chiếc xe 4 bánh, động cơ làm lạnh trong một xi-lanh. Và ở bên kia bờ Đại Tây Dương, năm 1903, đánh dấu sự ra đời của một trong những hãng xe nổi tiếng nhất hiện nay, Ford Motor Company do Henry Ford thành lập. Lợi nhuận kếch xù thu được từ việc sản xuất xe hơi cộng với sự xuất hiện của hàng loạt các phát minh sáng chế đã kéo tất cả các hãng xe và các nhà phát triển động cơ vào cuộc cạnh tranh gay gắt về công nghệ. Các hãng xe thường xuyên nâng cấp cấu tạo của động cơ bằng cách tích hợp thêm nhiều tính năng mới như hệ thống làm lạnh trong, hệ thống đánh lửa tự động, và điều quan trọng hơn, luôn tin tưởng rằng sức mạnh của động cơ đốt trong có thể tăng lên một cách tuỳ ý, vì theo lý thuyết nhiệt động học, với tỷ số nén càng cao, hiệu suất nhiệt càng gần đến cực đại. Nhưng, vào năm 1912, họ đã phải khống chế tỷ số nén ở dưới một giá trị tới hạn cho phép. Nguyên nhân đưa ra quyết định đi ngược với xu thế phát triển đó là những tiếng nổ “lốc cốc” xuất hiện khi động cơ đang làm việc, nguy hiểm hơn, hiện tượng này còn phá hủy động cơ chỉ sau vài phút xuất hiện. Vào thời điểm đó, các kỹ sư cho rằng những tiếng “lốc cốc” có nguyên nhân từ hệ thống đánh điện được cung cấp cho các loại xe có chức năng “đề”, còn những nhà phát triển động cơ cho biết họ có thể nâng cao sức mạnh và hiệu suất của động cơ nếu hiện tượng đó được khắc phục. Đứng trước thách thức đó, Charles F. Kettering, trưởng phòng nghiên cứu của hãng General Motor đã giao cho người đồng nghiệp Thomas Midgley nhiệm vụ phải tìm ra một cách chính xác nguyên nhân của hiện tượng. Ban đầu, họ sử dụng máy ghi áp lực Dobbie-McInnes và đã chứng minh rằng những tiếng “lốc cốc” đó không xuất hiện do sự đánh lửa sớm của hệ thống điện, mà nó xuất hiện đúng thời điểm áp suất tăng một cách mãnh liệt sau khi bugi đánh lửa. Tuy nhiên, máy ghi áp lực không thích hợp cho các nghiên cứu sâu hơn, vì vậy Midgley và Bob đã dùng một camera tốc độ cao để quan sát chính xác những gì đang diễn ra khi động cơ làm việc, đồng thời, phát triển một máy hiển thị năng lượng cao để đo mức độ của tiếng nổ. Song song với những thử nghiệm của Thomas Midgley, Sir Harry Ricardo - chuyên gia động cơ của quân đội Hoàng gia Anh - đưa ra khái niệm lựa chọn tỷ số nén tối ưu cho các động cơ có tỷ số nén biến đổi. Tuy nhiên, tỷ số mà Ricardo đưa ra không phải là tuyệt đối vì còn rất nhiều các thông số khác như thời gian đánh lửa, tình trạng sạch sẽ, vị trí của chốt đánh lửa, nhiệt độ động cơ… CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 8/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Các hãng xe, những nhà nghiên cứu động cơ cuối cùng phải thừa nhận rằng, họ đã quên không nghiên cứu, không phát triển một thành phần quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ đốt trong: nhiên liệu. Nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong tồn tại một tính chất đặc biệt: nó sẽ tự cháy, tự kích nổ khi bị nén trong xi-lanh dưới áp suất cao, trước cả khi bugi đánh lửa. Từ kết quả của những nhà nghiên cứu đi trước, năm 1927, Graham Edgar, một nhân viên trẻ của hãng Ethyl Corporation tại Mỹ, đưa ra đề nghị sử dụng 2 hydrocacbon để đánh giá mức độ kích nổ cho nhiên liệu: n-heptan và 2,4,4-trimetylpentan, hay còn được gọi một cách không chính xác là iso-octan. Iso-octan có chỉ số chống kích nổ cao, còn n-heptan có khả năng chống kích nổ rất kém và Edgar đã đề nghị sử dụng tỷ số của hai chất này để đánh giá khả năng chống kích nổ của nhiên liệu sử dụng trong các động cơ đốt trong. Ông cũng đã chứng minh rằng, trị số chống kích nổ của tất cả các loại xăng thương mại ngày đó đều có thể quy về tỷ số thể tích n-heptan: octan nằm trong khoảng 60:40 đến 40:60. Như vậy, nếu chúng ta ra quầy xăng vào những năm 30 của thế kỷ trước, chúng ta chỉ có thể mua được các loại xăng từ A40 đến A60 mà thôi. Lý do mang tính kỹ thuật mà Edgar đưa ra khi dùng hai chất này là chúng có những tính chất vật lý rất gần nhau như tính chất bay hơi và đặc biệt là nhiệt độ sôi, chính vì vậy, khi ta thay đổi tỷ số “heptan: iso-octan” từ 100:0 đến 0:100 thì hầu như các thông số trên thay đổi không đáng kể. Điều này rất quan trọng đối với quá trình thử nghiệm, vì khả năng bay hơi của nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của động cơ. Edgar đã thu được rất nhiều thông số từ thử nghiệm này, tuy nhiên, hiện nay, phổ biến nhất vẫn là hai thông số RON (Research Octane Number-chỉ số octan nghiên cứu) và MON (Motor Octane Number-chỉ số octan động cơ). 2.3 Hai chỉ số octane: RON và MON Giữa những năm 20 của thế kỷ trước, vào thời điểm General Motors quyết định thương mại hoá sản phẩm chất phụ gia "chì tetraetyl", hãng nhận ra sự cần thiết phải có một thông số định lượng xác định tính chất chống kích nổ của xăng. Thông số này phải dễ hiểu, dễ xác định và hơn hết phải có độ chính xác cao vì nó được dùng làm cơ sở hàng đầu để phân loại, định giá cho các sản phẩm xăng thương mại, cũng như là yếu tố đóng một vai trò quan trọng đối với các nhà phát triển động cơ. CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 9/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Năm 1927, Graham Egar đã hoàn tất những nghiên cứu của Thomas Midgley khi ông giới thiệu phương pháp xác định khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thoả mãn tất cả các điều kiện của Detroit, dựa trên tỷ số thể tích của hai chất n- heptan và iso-octan và tên gọi “chỉ số Octan” bắt nguồn từ đây. Hiện nay, sau gần 80 năm ra đời, phương pháp do Edgar đề nghị vẫn là phương pháp xác định chỉ số chống kích nổ duy nhất được dùng trong các phòng tiêu chuẩn, phòng kiểm định chất lượng xăng trên thế giới. Trải qua nhiều thập niên, có rất nhiều phương pháp đo chỉ số Octan được giới thiệu, ngoài sự phong phú về thiết kế của động cơ còn có cả sự phong phú về các điều kiện vận hành. Giai đoạn 1950-1960, người ta cố gắng thiết lập một phương pháp đo chỉ số Octan tiêu chuẩn mang tính toàn cầu, nhằm giảm thiểu sự tồn tại của quá nhiều phương pháp đo, quá nhiều tiêu chuẩn đánh giá riêng của mỗi nước, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của ngành thương mại dầu khí. Trong bối cảnh đó, phương pháp do ASTM (American Society for Testing Materials - Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Hoa Kỳ) đề nghị dần trở nên thông dụng và cuối cùng các nhà kiểm định chất lượng đã thống nhất dùng MON (Motor Octane Number - chỉ số Octan động cơ) và RON (Research Octane Number - chỉ số Octan nghiên cứu). Điều kiện đo của phương pháp MON rất khắc nghiệt, tốc độ động cơ cao và duy trì trong một thời gian dài, mang tải trọng lớn. Do vậy, thông số này thích hợp đối với các loại xe vận tải đường trường, tốc độ vận hành cao và ổn định. Ngược lại, phương pháp RON vận hành ở điều kiện nhẹ nhàng hơn, không thích hợp với các trường hợp mang tải trọng lớn. RON phù hợp cho các loại xe chạy trong thành phố, thường xuyên thay đổi tốc độ và tải trọng nhẹ. Giai đoạn 1940-1960, các kết quả đo RON trở thành một chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng xăng do nó có sự tương ứng với chỉ số Octan mà các nhà thiết kế động cơ yêu cầu. Nhưng, những năm cuối của thập niên 60 thế kỷ trước, các nhà chế tạo động cơ Đức khám phá ra rằng động cơ của họ tự phá huỷ khi chạy trên các xa lộ dài, thậm chí ngay cả khi chỉ số RON vẫn nằm trong yêu cầu kỹ thuật. Thiết kế của động cơ có ảnh hưởng đáng kể đến yêu cầu về chỉ số Octan tối ưu của động cơ đó (cả về RON và MON). Những năm 1930, hầu hết các phương tiện giao thông vận tải có sự nhạy cảm đặc biệt với chỉ số RON, và người ta quên đi thông số MON. Trong khi đó, từ năm 1990, động cơ cần cả hai thông số này, điều đó có nghĩa là động cơ không thể làm việc bình thường chỉ với một thông số độc lập (RON hoặc MON) khi mà sự thay đổi RON sẽ kéo theo sự thay đổi MON. CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 10/25 Hình 4: Thiết bị phân tích chỉ số octane [...]... đổi chỉ số Octan ở các mùa khác nhau (chọn loại xăng có chỉ số Octan thấp hơn về mùa đông) để tiết kiệm tiền mà không làm giảm sức mạnh của động cơ 3 Phụ gia tăng chỉ số Octane 3.1 Tiến trình sử dụng phụ gia trong xăng Trong thời gian Chiến Tranh Thế Giới lần I, các nhà hóa học đã tìm ra rằng nếu cho thêm chất phụ gia là Tetra-Ethyl Chì (tetraethyl lead - TEL) vào trong xăng, sẽ làm tăng chỉ số Octane. .. PT – 10515G thì trị số octan của xăng tăng lên 3,8 Khi pha lên 40ml/l thì chỉ số octan của xăng lên 104,1 RON, độ tăng là 10,9 Trị số RON và MON tăng đều Với những xăng gốc có trị số octan càng thấp thì khả năng tăng trị số octan lại càng cao CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 17/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Bảng 5: Thử nghiệm khả năng tăng chỉ số octan của phụ gia PT-10515G Condensate Bạch Hổ... nhựa trong động cơ và các bộ phận đốt nhiên liệu Làm tăng sự mài mòn và hư hỏng ở bộ phận đánh lửa và trong buồng đốt chính Trang 15/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Các loại phụ gia tăng trị số octan khi pha chế vào xăng có một số hiệu ứng tác động khác nhau đối với các thành phần của xăng cũng như với các loại phụ gia khác Bảng 2 cho biết khả năng tương thích của các hợp chất tăng trị số octan... sản xuất xăng rẻ tiền với chỉ số Octane CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 13/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng thấp được nữa (tại Bắc Mỹ và một số nước châu Âu xăng chứa chì bị cấm sử dụng vào đầu thập niên 1990) Tuy vậy, ngày nay loại máy bay cánh quạt vẫn còn phải sử dụng xăng pha chì Lý do là động cơ máy bay cánh quạt hoạt động ở tỉ số nén cực lớn, cần loại xăng có chỉ số Octane 115 Trong trường... loại phụ gia tương ứng, vừa đảm bảo trị số octane cao phù hợp cho động cơ vừa giảm thiểu lượng khí độc ra môi trường bên ngoài, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và thế giới 3.2 Phân loại phụ gia tăng chỉ số octane Phụ gia có chứa hợp chất oxygenat Methanol Ethanol Isopropyl alcohol n- butanol Gasoline grade tbutanol CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 14/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng. .. Trang 19/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng So sánh về chi phí cho các biện pháp tăng trị số octan được trình bày trong hình I.4 Cụ thể thấy rằng việc sử dụng phụ gia MMT cho chi phí thấp nhất Một số kết quả thử nghiệm về khả năng làm tăng trị số octan của MMT đối với xăng gốc có trị số octan từ 86 đến 88 và từ 92 đến 94 lần lượt được trình bày trong các bảng 5 và 6 Ta thấy rằng , độ tăng RON cao... Nguyễn Thành Trung Trang 16/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng – Nồng độ sử dụng tối đa 6% thể tích Được cơ quan bảo vệ Mỹ EPA cho phép sử dụng ở Mỹ – Khả năng tăng Ron: khoảng 20 điểm, tùy thành phần và trị trí octan xăng gốc Chức năng của phụ gia – Tăng trị số octan của tất cả các loại xăng – Tạo độ ổn định cho xăng – Làm giảm bớt hoặc loại trừ các tạp chất trong xăng – Có thể sử dụng thay thế... của phụ gia Sunazocene# (nồng độ tối đa 30 ppm Ferocene, 9 mg Fe/l) được trình bày trong hình 2 Ta thấy độ tăng RON cao nhất là 1,7 Sunazocene và MMT lần lượt là 1 và 1,1 Có thể thấy rằng, so với phụ gia MMT thì phụ gia chứa sắt có chi phí làm tăng RON thấp hơn, nhưng không nhiều Như vậy, đây là hai loại phụ gia tăng trị số octan cần được xem xét để đưa vào xăng Bảng 10: So sánh lựa chọn phụ gia Phụ gia. .. (Mn)… ), với những tính năng tương ứng, số lượng pha chế thích hợp, phụ gia này vẫn đảm bảo tiêu chuẩn Hiện nay loại phụ gia này vẫn được sử dụng tại các nhà máy chế biến xăng dầu lớn Bảng 2 Các loại phụ gia tăng trị số octan Chất phụ gia Hợp chất thơm amin Hợp chất chứa sắt Hợp chất chứa mangan Giới hạn trong xăng Khả năng tăng trị số octane 1-1.3% thể tích 6 6% thể tích nếu có xúc tác 1 8 30 mg Fe/lit... không khí để điều chỉnh hỗn hợp xăng- gió, ra lệnh cho bugi đánh lửa sớm hay muộn (độ đánh lửa sớm tỷ lệ thuận với chỉ số Octan, 60 đối với xăng 93, 80 với xăng 96 và muộn 40 với xăng 91) Tuy nhiên, trên thực tế, vẫn có một giá trị về chỉ số Octan tối ưu dành cho từng loại động cơ ở từng điều kiện vận hành CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 12/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng nhất định, giá trị này . 15/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng Các loại phụ gia tăng trị số octan khi pha chế vào xăng có một số hiệu ứng tác động khác nhau đối với các thành phần của xăng cũng như với các loại phụ gia. tăng chỉ số Octane của xăng lên một cách “trên cả tuyệt vời”. Các loại xăng rẻ tiền, chỉ cần cho vào một ít phụ gia này, là có tỉ số chịu nén tăng lên rất cao, tương tự như loại xăng có chỉ số Octane. còn có thể sản xuất xăng rẻ tiền với chỉ số Octane CBHD: Nguyễn Thành Trung Trang 13/25 Phụ gia tăng chỉ số octane trong xăng thấp được nữa (tại Bắc Mỹ và một số nước châu Âu xăng chứa chì bị cấm