Hóa dầu - Chương 2: Nhiên liệu xăng

Chương2. Nhiên liệu xăng 2.1. Đặc điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng. Xăng là sản phẩm của dầu mỏ, là loại nhiên liệu nhẹ, tồn tại dưới dạng lỏng có nhiệt độ bốc hơi trong khoảng từ (30 – 40) oC có khối lượng riêng ở 15 oC là = (0,65 – 0,80) g/cm3 xăng chứa khoảng 80 – 90 % Cacbuahydro nhóm Ankan và Cycloalkan. Đặc điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng là: - Tỷ số nén thấp, số vòng quay động cơ cao. - Hỗn hợp cháy hòa trộn trước, đồng nhất. - Cháy cưỡng bức, tâm cháy xuất hiện tại bugi, cháy lan đều ra toàn bộ thể tích buồng cháy và kết thúc tại khu vực ngoài cùng của buồng cháy - Qúa trình cháy diễn ra nhanh (tốc độ lan truyền màng lửa 20- 25 m/s) 2.2 Các yêu cầu với nhiên liệu động cơ xăng - Đảm bảo động cơ dễ khởi động và chạy ổn định trong mọi điều kiện thời tiết không bị đông đặc trong mọi điều kiện thời tiết. - Thành phần đồng nhất bắt cháy nhanh có nhiệt trị cao. - Cung cấp đủ công suất thiết kế mà không bị gõ ( kích nổ). - Chất lượng khí xả động cơ theo tiêu chuẩn quy định. - Chất lượng xăng ít bị thay đổi khi lưu trữ vận chuyển. - Không ăn mòn kim loại, không tạo cặn muội ban lên các chi tiết trong buồng đốt. 2.3. Những tính chất cơ bản của nhiên liệu xăng Tính chất cơ bản là những chỉ tiêu chất lượng ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ xăng. 2.3.1. Nhiệt trị. Nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt được giải phóng ra khi nó cháy hoàn toàn với oxi. nhiệt trị là tính chất quan trọng nhất của nhiên liệu xăng, nó ảnh hưởng trực tiếp công suất của động cơ. Nhiệt trị có thể xác định trực tiếp bằng phương pháp đo nhiệt trị, hoặc có thể tính gián tiếp bằng công thức Men-đê-lê-ép: 2.3.2. Tính bay hơi Xăng phải có tính bay hơi thích hợp, nếu xăng bay hơi quá dễ sẽ hoá hơi ngay trên đường ống dẫn, gây hiện tượng nút hơi (nghẽn khí), làm xăng phun ra lẫn bọt, không đảm bảo hơi xăng cung cấp cho động cơ nên động cơ hoạt động không ổn định. Trong bảo quản, bơm hút, vận chuyển sẽ xảy ra hao hụt quá mức. Xăng bay hơi kém, làm khó khởi động máy, khó điều chỉnh máy, gây lãng phí nhiên liệu do cháy không hết, tạo muội than, làm loãng dầu nhờn gây hiện tượng mài mòn động cơ nhiều hơn mức bình thường. Tính bay hơi của xăng được đánh giá thông qua các chỉ tiêu sau: 2.3.2.1 Thành phần điểm sôi: Chỉ tiêu này được xác định trong dụng cụ chưng cất đã được tiêu chuẩn hoá. Đối với xăng cần xác định các thành phần điểm sôi như sau: + Điểm sôi đầu (tsđ hay IBP): đặc trưng cho tính khởi động của động cơ, khả năng gây nghẽn hơi và hao hụt tự nhiên. Điểm sôi đầu thấp hơn qui định càng nhiều thì xăng càng dễ hao hụt, sẽ sinh nghẽn khí. + Điểm sôi 10% V đặc trưng cho tính khởi động của động cơ, khả năng gây nghẽn hơi và hao hụt tự nhiên. Điểm sôi 10% cao hơn qui định càng nhiều, càng khó khởi động máy. Đối với ôtô, việc khởi động máy có liên quan tới nhiệt độ không khí và t10%Vtheo công thức kinh nghiệm sau: Trong đó: - tmin: Nhiệt độ tối thiểu của không khí, ở đó máy có thểkhởi động được. - t10%V : Điểm sôi 10%V + Điểm sôi 50% V: biểu thị khả năng thay đổi tốc độ của máy. Nếu điểm sôi 50%V cao quá qui định, khi tăng tốc lượng hơi xăng vào máy nhiều nhưng đốt cháy không kịp do khó bốc hơi, do đó máy yếu, điều khiển máy khó khăn. + Điểm sôi 90% V: biểu thị độ bay hơi hoàn toàn của xăng. Nếu điểm sôi này lớn quá qui định, xăng khó bay hơi hoàn toàn, làm pha loãng dầu nhờn,làm máy dễ bị mài mòn cũng như lãng phí nhiên liệu. + Điểm sôi cuối: biểu thị độ bay hơi hoàn toàn của xăng. Nếu điểm sôi này lớn quá qui định, xăng khó bay hơi hoàn toàn, làm pha loãng dầu nhờn, làm máy dễ bị mài mòn cũng như lãng phí nhiên liệu. Trên cơ sở ý nghĩa thành phần điểm sôi cho thấy các loại xăng phải có độ bay hơi thích hợp. Theo quy định điểm sôi đầu không dưới 35 ÷400C. Để có thể dễ dàng khởi động khi động cơ còn nguội yêu cầu 60 ÷70 0C xăng phải bay hơi được 10%V.Để dễ dàng tăng tốc, đưa động cơ vào chế độ làm việc ổn định yêu cầu ở115÷1200C phải bay hơi được 50%V. Để xăng cháy hết hoàn toàn trong động cơ,yêu cầu ở 180 ÷1900C xăng phải bay hơi được 90%V và ở 195 ÷200 0 C phải bay hơi hoàn toàn. 2.3.2.2.Áp suất hơi bão hoà (Reid): Áp suất hơi bão hòa là áp suất của hơi trong trạng thái cân bằng với thể lỏng trong một thiết bị chuyên dùng (bomb REID) được đo tại nhiệt độ xác định là 37,8 oC ( hay 100oF). Đơn vị đo áp suất hơi bão hòa REID là: Psi, Bar, KPa, mmHg, KG/cm2 Qua áp suất hơi bão hòa (REID) đánh giá được tính khởi động, khả năng tạo nút hơi, hao hụt khi bảo quản, nguy hiểm khi cháy, áp suất hơi bão hòa càng cao thì khả năng bay hơi càng mạnh. Yêu cầu các loại xăng có áp suất hơi bão hòa (REID) phù hợp không quá cao không quá thấp. Quy định áp suất hơi bão hòa của xăng không quá 500 mmHg ( theo tiêu chuẩn xăng của liên xô cũ), trong khoảng 44 - 78 kPa (330 – 585) mmHg( xăng thương phẩm của các nước khác) 2.3.2.3. Khối lượng riêng và tỷ trọng: Biểu thị cho tính bay hơi của nhiên liệu càng nhẹ bay hơi càng cao. Khối lượng riêng ở 15 oC là = (0,65 – 0,80) g/cm3 Tỷ trọng xăng ô tô 150C là: 0,700 – 0,740. 2.3.3. Tính chống kích nổ 2.3.3.1.Hiện tượng cháy kích nổ: Trong động cơ xăng hoà khí được hình thành bên ngoài trước khi được đưa vào buồng cháy nên hoà khí là tương đối đồng nhất. Trong xylanh hoà khí bị nén tới một thời điểm thích hợp thì nến điện (bugi) đánh lửa, tại thời điểm đó hỗn hợp hơi xăng bắt cháy rất nhanh. Thể tích khí cháy trong xy lanh tăng lên đẩy piston xuống, còn khí thải theo cửa xả ra ngoài. Như vậy quá trình cháy của hơi xăng trong buồng đốt của động cơ xăng là một quá trình cháy cưỡng bức, thực hiện được là nhờ tia lửa điện của bugi. Quá trình cháy như vậy diễn ra rất nhanh, nhưng không phải xảy ra tức khắc trong toàn bộ thể tích xy lanh, mà bắt đầu cháy từ bugi sau đó cháy lan dần ra toàn bộ thể tích xy lanh, lúc đó chu trình cháy kết thúc.Tốc độ lan truyền của mặt cầu lửa bình thường là 20 ÷25 m/s. Với tốc độ lan truyền của mặt cầu lửa như vậy, áp suất hơi trong xylanh tăng đều đặn, động cơ hoạt động bình thường. Vì một lý do khách quan nào đó như dùng xăng không đúng chất lượng yêu cầu hoặc cấu tạo động cơ không được chuẩn xác hoặc điều kiện làm việc của động cơ không thuận lợi (góc đánh lửa đặt sớm, thành phần hỗn hợp khí thay đổi, áp suất, nhiệt độ máy cao) sẽ tạo điều kiện cháy không bình thường trong động cơ. Khi đó sẽ xuất hiện cháy kích nổ, tức là tại một điểm nào đó trong xylanh dù mặt cầu lửa chưa lan tới, hoà khí đã bốc cháy đột ngột với tốc độ cháy lan truyền nhanh gấp trăm lần cháy bình thường. Tốc độ cháy truyền lan khi kích nổ lên tới 1.500÷2.500m/s. Áp suất trong xylanh vọt tăng tới 160 kG/cm2 . Chính sự tăng áp suất đột ngột đó tạo ra các sóng áp suất va đập vào vách xyl anh, phát tiếng kêu lách cách, máy nổ rung giật và nóng hơn bình thường rất nhiều. Cháy kích nổ trong động cơ phá vỡ chế độ làm việc bình thường, làm giảm công suất máy, tiêu hao năng lượng do máy cháy không hết, mài mòn các chi tiết máy, thậm chí gây nứt rạn piston, chốt piston, vòng găng (séc măng), tạo ra nhiều muội than làm bẩn xylanh, piston làm bẩn máy Để bảo đảm cho động cơ làm việc bình thường, tránh được hiện tượng kích nổ,đòi hỏi động cơ phải có cấu tạo và điều kiện sử dụng phù hợp. Ngoài ra nhiên liệu cũng phải đạt được chất lượng theo đúng yêu cầu. 2.3.3.2.Trị số oc tan: Thực tế cho thấy hiện tượng cháy kích nổ của động cơ xăng có quan hệ chặt chẽ với thành phần hoá học của xăng. Để đánh giá khả năng cháy kích nổ của một nhóm hydrocacbon hoặc một loại xăng nào đó người ta phát minh ra một phương pháp thực nghiệm dựa trên sự so sánh quá trình cháy của các loại nhiên liệu cụ thể với một loại nhiên liệu tiêu chuẩn, từ đó xác định một chỉ tiêu chất lượng có tên là trị số oc tan (TSOT). TSOT là một đơn vị đo quy ước dùng để đặc trưng cho tính chống kích nổ của nhiên liệu khi đốt cháy trong động cơ. TSOT của một loại xăng càng cao càng khó bị kích nổ khi cháy trong động cơ, nghĩa là xăng đó có tính chống kích nổ tốt. Ngược lại TSOT càng thấp càng dễ bị cháy kích nổ, loại xăng đó có tính chống kích nổ kém. Nhiên liệu chuẩn để xác định TSOT bao gồm hai hợp phần: + Hợp phần n – heptan (n-C7H14) có công thức cấu tạo mạch cacbon thẳng: CH3– CH2– CH2– CH2– CH2– CH2- CH3 n – heptan có tính chống kích nổ kém, quy ước n – heptan có TSOT = 0. + Hợp phần iso – octan (2.2.4 trimetyl pentan) có công thức cấu tạo mạch nhánh. Iso – octan có tính chống kích nổ tốt, quy ước iso – octan có TSOT=100. Khi pha chế hai hợp phần này với nhau theo tỷ lệ thể tích nhất định sẽ suy ra được TSOT của nhiên liệu hỗn hợp đó. Ví dụ nhiên liệu chuẩn có 30% thể tích là n-heptan và 70% thể tích là iso-octan, có TSOT = 70. Người ta đo TSOT của một loai nhiên bằng máy đo TSOT . Máy đo TSOT là một động cơ chuyên dùng có cấu tạo đặc biệt một xilanh, loại động cơ này có thể thay đổi đựơc tỷ số nén và trên động cơ có gắn một số thiết bị cảm biến đặc biệt để có thể ghi lại được hiện tượng cháy kích nổ của động cơ. Khi tiến hành đo người ta tăng tỷ số nén đến khi xảy ra cháy kích nổ. 2.3.3.3 Các loại trị số octan: Theo phương pháp xác định người ta phân TSOT thành các loại sau đây: + Phương pháp motor (Motor Octan Number – MON). Trị số MON thể hiện đặc tính của xăng dùng cho động cơ hoạt động trong điều kiện tải lớn, tốc độ cao . + Phương pháp nghiên cứu (Reseach Octan Number - RON).Trị số RON thể hiện đặc tính của xăng dùng cho động cơ hoạt động ở chế độ tốc độ thấp tải trung bình . Cùng một loại xăng trị số RON bao giờ cũng lớn hơn MON. Vì vậy khí nói TSOT của một loại xăng nào đó cần phân biệt RON và MON để tránh nhầm lẫn. Hiệu số của hai trị số RON và MON (RON – MON) biểu thị cho tính thay đổi tính chất của xăng khi động cơ hoạt động ở hai điều kiện khác nhau như đã nói ở trên và được gọi là độ nhạy cảm của xăng. Độ nhạy cảm của xăng càng thấp có nghĩa là loại xăng đó ít thay đổi khả năng cháy trong các điều kiện hoạt động khác nhau của động cơ. Độ nhạy thay đổi từ 8 ÷10 đơn vị. Đối với xăng tốt, độ nhạy không được quá 10 đơn vị octan và càng nhỏ càng tốt. Độ nhạy phản ánh tính thay đổi của nhiên liệu phụ thuộc vào động cơ. + Trị số octan thông dụng (Popullar Octan Number – PON). Ở một số nước,sử dụng PON bằng trung bình cộng của MON và của RON ([RON + MON]/2) để đặc trưng cho tính chống kích nổ của xăng thay vì dùng MON và RON riêng biệt. 2.3.3.4. Quan hệ giữa trị số octan với tỷ số nén của động cơ: Việc lựa chọn TSOT của xăng sử dụng phụ thuộc vào tỷ số nén của động cơ. Động cơ có tỷ số nén cao là động cơ tạo ra công suất lớn đòi hỏi phải sử dụng loại xăng có TSOT cao. Nếu đem dùng loại xăng có TSOT thấp sẽ gây hiện tượng kích nổ. Nếu dùng xăng có tỷ số nén cao hơn yêu cầu cũng không tốt, gây lảng phí xăng và còn làm cho động cơ hoạt động không ổn định, dễ nóng máy. Tóm lại, để tạo ra hiện tượng cháy bình thường trong buồng cháy của động cơ, cho động cơ hoạt động ổn định, cần phải sử dụng xăng có TSOT phù hợp với tỷ số nén của động cơ(xem bảng 2.4). 2.3.4. Nhiệt độ bén lửa Nhiệt độ bén lửa là nhiệt độ thấp nhất để hòa khí bén lửa, nhiệt độ bén lửa phản ánh thành phần chưng cất nhẹ của xăng, là chỉ tiêu để đánh giá tính an toàn của nhiên liệu. 2.3.5. Tính ổn định hoá học Tính ổn định hoá học của xăng biểu thị ở khả năng xăng duy trì được chất lượng ban đầu trong quá trình bơm hút, vận chuyển, tồn chứa, bảo quản, Đánh giá tính chất ổn định hoá học của xăng bằng các chỉ tiêu chất lượng: hàm lượng nhựa thực tế và độ bền oxy hoá. 2351.Hàm lượng nhựa thực tế: Nhựa thực tế là lượng căn rắn còn lại sau khi làm bay hơi một thể tích xăng nhất định, tại những điều kiện xác định, bằng cách thổi dòng không khí và hơi nước ở nhiệt độ quy chuẩn qua mẫu xăng thí nghiệm. Đo bằng mg/100ml. Xăng mới có lượng nhựa nhỏ hơn xăng đã tồn chứa bảo quản lâu. Hàm lượng nhựa tăng là do dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng, không khí, kim loại các hợp phần kém ổn định trong xăng bị oxy hoá tạo ra các hợp chất keo nhựa. Các loạixăng có tính ổn định hoá học khác nhau tuỳ thuộc thành phần của chúng. Xăng có hàm lượng nhựa thực tế nhỏ thì tính ổn định tốt và ngược lại. Hàm lượng nhựa của các loại xăng không được vượt quá quy định: 4 –5mg/100ml tại nơi sản xuất và 8mg/100ml tại nơi tồn chứa. Nếu hàm lượng nhựa thực tế vượt quá quy định sẽ có ảnh hưởng không tốt tới các chỉ tiêu chất lượng khác của xăng như tính chống kích nổ, tính ăn mòn và bay hơi 2.3.5.2.Tính ổn định ôxy hoá: Tính ổn định oxy hoá được đánh giá bằng phương pháp đo chu kỳ cảm ứng. Chu kỳ cảm ứng là khoảng thời gian (đo bằng phút) mà trong xăng không xảy ra sự kết tủa và vẩn đục khi bị oxy hoá bởi oxy của không khí tại áp suất và nhiệt độ xác định. Chu kỳ cảm ứng của mẫu xăng thí nghiệm càng dài thì tính ổn định oxy hoá của xăng càng tốt. Nếu xăng được bảo quản trong điều kiện không tốt thì bị biến chất và chu kỳ cảm ứng sẽ tăng lên. Quy định chu kỳ cảm ứng của xăng ôtô không được vượt quá 240 phút. Ở một số nước còn quy định và khống chế chỉ tiêu hàm lượng olefin(% kl) để biểu hiện cho tính ổn định hoá học của xăng. Xăng có hàm lượng olefin cao thì tính ổn định hoá học kém. 2.3.6. Tính ăn mòn kim loại. Thành phần chủ yếu của xăng là các hydrocacbon hoàn toàn không có tác dụng ăn mòn kim loại. Tuy vậy trong xăng còn có một tạp chất chưa loại bỏ triệt để khỏi xăng, hoặc trong quá trình vận chuyển tồn chứa xăng bị nhiễm bẩn. Những tạp chất này có tính ăn mòn kim loại, làm ảnh hưởng tới tuổi thọ của động cơ. Do đó cầm kiểm nghiệm các chỉ tiêu chất lượng này. Để đánh giá tính ăn mòn kim loại của các loại xăng, người ta sử dụng các chỉ tiêu sau đây: + Hàm lượng lưu huỳnh tổng số + Độ axit (Tolal Acid Number-TAN) 2.4. Ký hiệu và cách chọn xăng. 2.4.1.Ký hiệu Ký hiệu A92, A95 hay Mogas 92, Mogas 95 hoặc RON 92, RON 95, Xăng E5 RON92 hay Xăng RON92-E5 là gì ? +"A": là ký hiệu xăng theo Nga, + "Mogas" = Motor gasoline- ký hiệu xăng của Mỹ; + RON thì đó là viết tắt của từ "research Octance Number" :trị số Octance theo phương pháp nghiên cứu (còn phương pháp khác là MON: trị số Octance bằng phương pháp môtơ). Các con số "92", "95".....(trước đây có 90 và 83) đó là trị số Octance: đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của xăng. Trị số Octance càng cao thì khả năng chống kích nổ của xăng càng lớn. * Xăng E5 RON92 hay Xăng RON92-E5 có nghĩa là: - Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng không chì truyền thống và cồn sinh học (bio-ethanol), trong đó 95 đến 90% thể tích là xăng không chì truyền thống và 5 đến 10% thể tích là cồn sinh học được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong như xe máy, ô tô. - Xăng sinh học được ký hiệu là “Ex”, trong đó “x” là tỷ lệ % cồn sinh học. Ví dụ: xăng sinh học E5 tức là nhiên liệu được pha trộn từ 4 ÷ 5% thể tích cồn sinh học. - Các ký hiệu Xăng E5 RON92 hay Xăng RON92 E5 là Xăng sinh học E5 có trị số Ốc tan (RON) bằng 92.                                                      Chỉ tiêu chất lượng của xăng không chì TT Tên chỉ tiêu Xăng không chì Phương pháp thử 90 92 95 1 Trị số Octan, min - theo phương pháp nghiên cứu (RON) - theo phương pháp môtơ (MON) 90 79 92 81 95 84 TCVN 2703:2002 (ASTM D 2699) ASTM D 2700 2 Hàm lượng chì, g/l, max 0,013 TCVN 7143:2002 (ASTM D 3237) 3 Thành phần cất phần đoạn: - Điểm sôi đầu, oC - 10% thể tích, max - 50% thể tích, max - 90% thể tích, max - Điểm sôi cuối, oC, max - Cặn cuối, % thể tích, max reported 70 120 190 215 2.0 TCVN 2698:2002 (ASTM D 86) 4 Ăn mòn lá đồng ở  50oC/3 giờ, max Loại 1 TCVN 2694:2000 (ASTM D 130) 5 Hàm lượng nhựa thực tế (đã rửa dung môi), mg/ 100ml, max. 5 TCVN 6593:2000 (ASTM D 381) 6 Độ ổn định ôxy hóa, phút, min. 480 TCVN 6778:2000 (ASTM D 525) 7 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 500 TCVN 6701:2000 (ASTM D 2622)/ ASTM D5453 8 Áp suất hơi (Reid) ở 37,8 oC, kPa 43 - 75 TCVN 7023:2002 (ASTM D 4953)/ ASTM D 5191 9 Hàm lượng benzen, %thể tích, max 2,5 TCVN 6703:2000/ (ASTM D 3606)/ ASTM D4420 10 Hydrocacbon thơm, %thể tích, max 40 TCVN 7330:2003 (ASTM D1319) 11 Olefin, %thể tích, max 38 TCVN 7330:2003 (ASTM D1319) 12 Hàm lượng ôxy, % khối lượng, max 2,7 TCVN 7332:2003 (ASTM D4815) 13 Hàm lượng Metal content (Fe, Mn), mg/l 5 TCVN 7331:2003 (ASTM D3831) 14 Khối lượng riêng (ở 15oC), kg/m3 Báo cáo TCVN 6594:2000/ (ASTM D 1298) 15 Ngoại quan Trong, không có tạp chất lơ lửng ASTM D 4176 2.4.2. Cách chọn xăng. Mỗi thế hệ xe có 1 tỷ số nén đặc trưng, trước đây tỷ số nén của các dòng xe thấp, ngày nay tỷ số nén cao hơn, tỷ số nén càng cao thì sinh công càng cao, khi tỷ số nén cao thì áp suất buồng đốt khi cháy sẽ lớn, để động cơ hoạt động êm không rung giật gây giảm tuổi thọ thì áp suất buồng đốt khi cháy phải tăng ổn định- điều hòa, không xảy ra tăng áp đột ngột- cục bộ, đồng nghĩa với việc khả năng chống kích nổ lúc này phải đáp ứng phù hợp. Vì vậy có sự phù hợp giữa tỷ số nén và khả năng chống kích nổ (trị số Octance), động cơ có tỷ số nén thấp thì chỉ cần dùng xăng có trị số Octance thấp, ngược lại tỷ số nén cao thì cần xăng có trị số Octance cao hơn, nhưng cao quá thì không cần thiết- chỉ cần phù hợp theo yêu cầu nhà sản xuất đề nghị