1

Tiểu luận về CHỈ SỐ OCTAN

Mục lục

I-Giới thiệu: ............................................................................................................................. 2

1/ Hiện tượng kích nổ: ..............................................................................................................2

2/ Chỉ số octan: ........................................................................................................................3

3/ Động cơ CFR: ......................................................................................................................4

II-Phân loại: ............................................................................................................................. 5

1/ RON : ...................................................................................................................................5

2/ MON: ...................................................................................................................................5

3/ AKI: .....................................................................................................................................5

4/ RdON hoặc IOR: ...................................................................................................................5

III-Lịch sử hình thành chỉ số octan: ...................................................................................... 6

IV-Lựa chọn chỉ số octan phù hợp: ....................................................................................... 9

V-Nâng cao chỉ số octan: ...................................................................................................... 11

1/Xăng pha chì: ...................................................................................................................... 11

2/MTBE, ETBE và TAME: ......................................................................................................... 13

3/Ethanol: .............................................................................................................................. 15

4/ Phụ gia Metanol: ................................................................................................................ 15

5/ Phụ gia TBA: ....................................................................................................................... 15

6/Phụ gia dimetyl ete (DME): .................................................................................................. 16

7/Phụ gia Plutocen G: ............................................................................................................. 17

8/Phụ gia MMT (metylxyclopentadienyl Mangan Tricacbonyl): ................................................. 18

9/Nâng cao chỉ số octan thông qua quá trình lọc dầu: .............................................................. 19

VI- GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO CHỈ SỐ OCTAN: ......................................... 23

1/ OCTANE meter SX-200: ....................................................................................................... 23

2/ Máy đo chỉ số OCTAN cầm tay - Mỹ: MODEL ZX-101XL ............................................... 25

VII- Tài liệu tham khảo: ....................................................................................................... 26

2

I-Giới thiệu:

1/ Hiện tượng kích nổ:

Hiện tượng kích nổ bắt nguồn từ việc sử dụng nhiên liệu có khả năng chống kích nổ

quá thấp, khiến cho hỗn hợp khí - nhiên liệu không được đốt cháy một cách điều hoà để tạo

ra nguồn năng lượng tối đa. Để đạt được năng lượng tối đa từ xăng, hỗn hợp khí nén nhiên

liệu - không khí trong buồng đốt cần phải được đốt cháy một cách điều hoà. Bắt đầu từ khi

bugi đánh lửa, bề mặt ngọn lửa lan toả một cách đồng đều trong xi-lanh với tốc độ khoảng

20-25 m/s và đốt cháy hết hoà khí nhiên liệu - không khí ở những vùng mà nó đi qua.

Quá trình cháy điều

hoà sinh ra các bức xạ quang

nhiệt đốt nóng vùng khí chưa

cháy phía trước và nếu nhiên

liệu có khả năng chống kích

nổ tốt, hỗn hợp nhiên liệu -

không khí ở vùng này sẽ

không bị cháy trước khi bề

mặt lửa lan tới, chúng sẽ cháy

một cách tuần tự cho đến khi

toàn bộ khí trong xi-lanh cháy

hết, bằng cách đó, nhiên liệu

sẽ cung cấp một lực đẩy có

năng lượng tối đa lên piston.

Trong thực tế, có hàng loạt các phản ứng tiền kích nổ diễn ra ở vùng khí chưa cháy

trong buồng đốt trước khi bề mặt lửa từ bugi ập đến. Các phản ứng tiền cháy nổ đó tạo ra các

phân tử hay các gốc hoá học có khả năng tự bốc cháy bởi các bức xạ quang nhiệt với tốc độ

cháy đạt khoảng 1.500-2.500 m/s, nhanh gấp hàng trăm lần tốc độ cháy bình thường.

Với tốc độ cháy như vậy chúng sẽ gây ra sự tăng đột ngột áp suất trong xi-lanh, giá trị

áp suất tức thời tại thời điểm xảy ra hiện tượng kích nổ mà máy ghi áp lực ghi được là 160

atm, gấp nhiều lần so với áp suất vận hành ở chế độ cháy bình thường. Tuy nhiên, áp suất

tổng hợp tối đa tác động lên bề mặt piston lại không khác mấy so với áp suất vận hành bình

thường. Nguyên nhân là do sự bù trừ áp suất của hai khối khí ngược chiều nhau: Một sinh ra

từ bề mặt lửa lan truyền từ bugi và một sinh ra từ các điểm tự kích nổ.

Hiện tượng kích nổ làm tiêu hao năng lượng, giảm sức mạnh của động cơ do năng

lượng nhiệt thu được không dùng để sinh công hữu ích, áp suất sinh ra từ các điểm tự cháy

chủ yếu tạo ra các sóng hơi xung động va đập vào thành xi-lanh, máy nổ rung giật và làm

Hình 1: Minh họa sự lan truyền của ngọn lửa và các điểm tự bốc cháy

3

nóng động cơ một cách bất thường, đồng thời, sóng nén sinh ra từ các vị trí kích nổ cộng

hưởng với sóng nén chính tạo ra nút giao thoa và phát ra những tiếng kêu “lốc cốc”.

Hiệu suất nhiệt động học của một vòng hoạt động của động cơ đốt trong ôtô hay máy

bay tăng khi tăng tỉ lệ nén. Nghĩa là tỉ số của thể tích xilanh ở điểm chết dưới với thể tích của

xilanh ở điểm chết trên càng lớn. Nhưng có một giới hạn trên cho sự tăng tỉ số nén này. Ở

trên giới hạn này, hiệu suất sẽ giảm đi và xuất hiện tiếng gõ lách cách của kim loại.

Khi động cơ hoạt động bình thường (không có tiếng gõ) sự cháy của hỗn hợp không

khí - nhiên liệu (được bắt đầu bằng tia lửa từ bugi) được truyền theo các sóng đồng tâm với

tốc độ truyền lửa khoảng vài mét/giây. Tuyến lửa trong khi truyền, nén phần còn lại của

không khí – nhiên liệu chưa bị cháy làm tăng nhiệt độ của hỗn hợp. Những điều kiện nhiệt độ

và áp suất quá cao này thuận lợi cho sự hình thành các hợp chất peoxit kém bền vững. Khi

nồng độ của chúng trong hỗn hợp đạt đến một giá trị thích hợp thì chúng tự phân hủy một

cách đột ngột gây nên sự nổ. Sự nổ này được đặc trưng bằng một tốc độ rất lớn sự truyền

sóng. Sóng này đập vào nắp xilanh và đầu của pittong gây nên tiếng nổ mạnh. Vậy tiếng gõ

lách cách là kết quả của sóng cơ học và nhiệt gây ra. Sóng cơ học tác động đến động cơ,

song người ta có thể chế tạo được các động cơ không bị ảnh hưởng bởi sóng này. Nhưng hiệu

ứng nhiệt lại rất nguy hiểm, cần thiết phải làm lạnh để loại bớt nhiệt toả ra khi nhiên liệu

cháy. Nếu không động cơ bị đốt nóng thuận lợi cho quá trình tạo peoxit, tạo muội cacbon

bám trên đầu pittong. Muội này bị nóng đỏ gây nên sự tự cháy của nhiên liệu mà không cần

bugi đánh lửa và động cơ vẫn tiếp tục quay khi ta đã ngắt tiếp xúc. Như vậy, đối với một

nhiên liệu đã cho sự nổ gắn liền với việc chế tạo động cơ, hệ số nén, độ rối của dòng không

khí – nhiên liệu, dạng của nắp xilanh,... chất lượng của bugi. Đối với một động cơ đã cho, sự

nổ phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu. Các yếu tố trên dẫn tới việc phải sử dụng phương

pháp phân loại các nhiên liệu tuỳ theo chất lượng kháng nổ của chúng trong động cơ. Nguyên

tắc của việc phân loại các nhiên liệu là so sánh chúng trên cùng một động cơ chuẩn tính chất

của mẫu nghiên cứu với tính chất của một hỗn hợp hiđrocacbon tinh khiết lấy làm chuẩn.

Ở đầu thập niên 1920 người ta đã chứng kiến cảnh chỉ trong vài phút piston, chốt

piston rạn nứt, vòng găng (séc-măng) vỡ thành từng mảnh, bộ truyền động, hộp số, trục cam

bị mài mòn, và cuối cùng toàn bộ hệ thống động cơ bị phá huỷ bởi sự kết hợp giữa sóng áp

suất mạnh với hiện tượng quá nhiệt do nhiên liệu chống kích nổ thấp.

2/ Chỉ số octan:

Chỉ số octan là chỉ số đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của xăng, chỉ số octan

càng cao khả năng chống kích nổ càng tốt.

Chất isooctan (2,2,4-trimethylpentan) là nhiên liệu không bị kích nổ được dùng làm

chuẩn và quy ước có chỉ số octan bằng 100; n - heptan là nhiên liệu rất dễ kích nổ, được quy

ước có chỉ số octan bằng 0. Chỉ số octan của một loại xăng bằng hàm lượng (tỉ lệ % thể tích)

4

của isooctan trong hỗn hợp của nó với n - heptan mà trong điều kiện thử tiêu chuẩn trên động

cơ tiêu chuẩn CRF, hỗn hợp này có khả năng chống nổ tương đương với loại xăng ấy.

Ví dụ: loại xăng có chỉ số octan bằng 92 có nghĩa là xăng ấy có khả năng chống kích

nổ tương đương với hỗn hợp gồm 92% isooctan và 8% n - heptan. Chỉ số octan của xăng ô tô

thường từ 83 đến 95, của xăng máy bay thường từ 92 đến trên 100.

3/ Động cơ CFR:

Động cơ CFR (cooperative fuel research) là động cơ tiêu chuẩn một xi lanh ra đời

năm 1928 nhằm mục đích kiểm tra khả năng kích nổ của nhiên liệu. Các thông số chuẩn của

động cơ:

Đường kính xy lanh: 82,55 mm

Khoảng chạy piston: 114,30 mm

Thể tích xy lanh: 661 cm3

Tỷ số nén: 4-18

Vận tốc quay khi thử nghiệm: cố định

Tùy theo cách làm việc của động cơ

người ta có thể thu được:

Chỉ số octan nghiên cứu (RON) hay

phương pháp F1 với động cơ quay 600

vòng/phút. Chỉ số octan moto (MON) hay

phương pháp F2 với động cơ quay 400 vòng/phút. Chỉ số octan môtơ (MON) của một nhiên

liệu nói chung thấp hơn chỉ số octan nghiên cứu (RON). Sự khác nhau giữa hai giá trị RON

và MON cho ta biết độ nhạy của nhiên liệu được nghiên cứu. Với xăng máy bay người ta

dùng phương pháp F3 với động cơ có số vòng quay là 1200 v/ph. Còn phương pháp F4 đặc

trưng cho tính chất nhiên liệu dùng khi máy bay cất cánh hay máy bay chiến đấu được xác

định với động cơ có số vòng quay 1800 v/ph.

Để theo dõi hiện tượng kích nổ người ta dựa theo tín hiệu cảm biến hoặc cường độ

anh thanh. Một nhiên liệu có chỉ số octan là X, nếu trong động cơ CFR nó gây nên một tiếng

gõ tương đương với tiếng gõ quan sát thấy của một hỗn hợp gồm X phần trăm thể tích iso-

octan và (100 − x) phần trăm thể tích n-heptan.

Trong trường hợp trị số octan lớn hơn 100 thì để xác định trị số octan người ta cho

thêm vào xăng một hàm lượng Tetraetyl chì rồi tiến hành đo. Trị số octan được tính theo

công thức sau:

Hình 2: Một động cơ CFR hiện đại

5

Trong đó T là hàm lượng tetrametyl chì (ml)

II-Phân loại:

Hiện nay có 4 loại chỉ số octan thông dụng:

1/ RON :

RON (Research Octan Number) là chỉ số octan thông dụng nhất , được xác định ở tốc

độ quay của động cơ CFR là 600 vòng/phút, phù hợp cho các loại xe chạy trong thành phố,

thường xuyên thay đổi tốc độ và tải trọng nhẹ.

2/ MON:

MON (Motor Octan Number) được các định tương tự RON nhưng tốc độ quay của

động cơ CFR lên đến 900 vòng/phút. MON thường thấp hơn RON 8-10 đơn vị, thông số này

thích hợp đối với các loại xe vận tải đường trường, tốc độ vận hành cao và ổn định.

3/ AKI:

AKI (Anti-knock Index) còn được gọi là Pump Octan Number (PON) thường dùng ở

Canada, Mỹ… được tính theo công thức AKI = (RON + MON)/2 .

4/ RdON hoặc IOR:

RdON (Observed Road Octan Number) xuất phát từ việc kiểm tra xăng trên động cơ

nhiều xi lanh thực tế. RdOn được phát triển từ những năm 1920 và hiện nay vẫn còn đáng tin

cậy. Ngày xưa phương pháp này phải kiểm tra trực tiếp xe chạy trên đường, nhưng hiện nay

được thử bằng lực kế với môi trường được kiểm soát nhằm giữ tính thống nhất. Đáng chú ý là

tốc độ quay của phương pháp này thay đổi chứ không cố định như đo RON và MON, do đó

phương pháp này đo RdON có thể cao hơn hoặc thấp hơn RON.

Trị số octan trên đường được xác định theo công thức :

IOR = RON – S /a2

Trong đó : S độ nhạy, S = RON – MON

6

:a hệ số từ 4.6 ÷ 6.2 phụ thuộc vào tỷ số nén của động cơ

Mặt khác do xăng chứa nhiều thành phần có sự khác biệt khá lớn về khả năng chống

kích nổ. Thông thường thì phần có nhiệt độ sôi thấp (ngoại trừ iso pentan, benzen) có chỉ số

octan thấp, do đó trong một số chế độ làm việc của động cơ có thể xãy ra sự chia tách xăng

trong động cơ, dẫn đến trong một thời điểm nhất định nào đó lượng nhiên liệu được nạp vào

xylanh chứa nhiều thành phần nhẹ, bốc hơi nhanh nhưng chỉ số octan lại thấp do đó dễ dẫn

đến quá trình cháy kích nổ trong một số chu kỳ nhất định. Vì vậy, ngoài 4 loại trên thì người

ta còn đo chỉ số octan của phần cất có nhiệt độ sôi đến 100oC và được ký hiệu R-100, giá trị

của nó luôn nhỏ hơn RON và độ chênh lệch này được gọi là ∆RON.

III-Lịch sử hình thành chỉ số octan:

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. 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.

7

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…

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. Họ 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.

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 và tên gọi “chỉ số Octan” bắt nguồn từ đây. Hiện nay, sau

hơn 80 năm ra đời, nguyên tắc do Edgar đề nghị vẫn là nguyên tắc 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.

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, vào những năm 30 của thế kỷ

trước, chỉ số octan của nhiên liệu khoảng 40 đến 60 mà thôi.

8

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.

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.

Ngày nay, ở các loại xăng thương mại dùng cho các dòng xe hơi cao cấp, bên cạnh

RON, MON, thông số RON - MON = “độ nhạy” cũng được đưa vào chỉ tiêu kỹ thuật khi

động cơ vận hành. Nguyên nhân đưa ra khái niệm “độ nhạy” là do hai phương pháp này được

tiến hành ở hai điều kiện khác nhau, đặc biệt là nhiệt độ hỗn hợp khí nạp và tốc độ động cơ.

9

Loại nhiên liệu nào nhạy với sự thay đổi trong quá trình vận hành sẽ có sự chênh lệch lớn

giữa RON và MON. Các nhiên liệu hiện nay thường có độ nhạy nằm trong khoảng 10.

Xăng không chì US 87 (87= (RON+MON)/2) của Mỹ được đề nghị có mức MON tối

thiểu là = 82, tránh cho việc xăng có độ nhạy quá cao. Còn với các loại xăng bán ở Việt Nam

như A90, A92 (chữ A do các nhà cung cấp xăng dầu Việt Nam đặt tên cho sản phẩm của

mình), Mogas90, Mogas92 (Mogas - viết tắt của Motor Gasoline, một cách gọi phổ biến trên

thế giới), chỉ số Octan được tính bằng giá trị nhỏ nhất của RON và giá trị MON được quy

định không nhỏ hơn 82.

IV-Lựa chọn chỉ số octan phù hợp:

Chỉ số Octan là một trong những yếu tố quan trọng quyết định quá trình vận hành của

động cơ. Lựa chọn giá trị Octan để động cơ "chạy" một cách êm ả, khoẻ khoắn và trường kỳ

là yêu cầu hàng đầu đối với những người sở hữu xe.

Chỉ số Octan nằm ngoài danh mục bảo hành của nhà sản xuất và việc đáp ứng những

yêu cầu kỹ thuật của nhiên liệu hoàn toàn phụ thuộc vào người sử dụng. Đầu tiên, để lựa

chọn được loại xăng phù hợp, cần phải biết kiểu động cơ đang sử dụng. Thị trường Việt Nam

hiện có rất nhiều hãng xe hơi và xe gắn máy, mỗi hãng xe đều có những cải tiến, thiết kế

riêng cho động cơ của mình. Có thể phân thành hai nhóm chính: được và không được trang

bị hệ thống điều hành tự động.

Các loại xe không được trang bị hệ thống điều hành tự động thường là xe gắn máy và

ôtô đời cũ, chúng có đặc điểm chung là vẫn dùng bộ chế hoà khí để tạo ra hỗn hợp xăng

gió. Trong khi đó, hầu hết các hãng xe hơi có mặt ở Việt Nam hiện nay đều trang bị hệ thống

điều hành tự động cho các sản phẩm của mình. Trên các dòng xe này không gắn bộ chế hoà

khí mà nhiên liệu được bơm thẳng vào xi-lanh thông qua thiết bị bơm nhiên liệu tự động (EFI

- Electronic Fuel Injection).

Đối với các loại xe không trang bị hệ thống điều hành tự động, việc lựa chọn chỉ số

Octan sẽ khó khăn hơn vì động cơ không thể tự điều chỉnh về điều kiện vận hành tối ưu. Hơn

nữa, hiện tượng kích nổ phá huỷ động cơ rất nhanh nên người sử dụng các loại xe này phải

dùng loại nhiên liệu chắc chắn không gây ra hiện tượng kích nổ, dưới những điều kiện vận

hành mà họ thường xuyên gặp phải.

Bảng 1: Mối quan hệ giữa tỷ số nén và chỉ số octan tối ưu

Sau khi thử nghiệm

với nhiều dạng động cơ và

nhiều loại xăng có chỉ số

Octan khác nhau, các nhà

nghiên cứu đã đưa ra kết

Tỷ số nén Chỉ số Octan tối ưu Tỷ số nén Chỉ số Octan tối ưu

5:1 72 9:1 96

6:1 81 10:1 100

7:1 87 11:1 104

8:1 92 12:1 108

10

luận lựa chọn chỉ số Octan dựa trên tỷ số nén của mỗi loại động cơ. Sự tương quan giữa tỷ số

nén với chỉ số Octan tối ưu và tuân theo quy luật nhiệt động học, tăng tỷ số nén đồng thời

cũng kéo theo sự tăng chỉ số Octan và hiệu suất nhiệt động.

Hiệu suất nhiệt động học tăng lên và đạt cực đại khi động cơ ở trạng thái chớm xuất

hiện hiện tượng kích nổ. Động cơ có tỷ số nén thấp làm cho hiệu suất làm việc cũng giảm đi

ương ứng. Quan hệ giữa tỷ số nén và chỉ số Octan như sau:

Với hai loại xăng bán trên thị trường hiện nay là Mogas 92 và Mogas 95, các xe gắn

máy có tỷ số nén từ 8:1 đến 9:1 đều có thể hoạt động một cách trơn tru nếu đảm bảo được

các thông số kỹ thuật khác như: tình trạng sạch sẽ của động cơ, vị trí chốt lửa và thông số

quán tính vận hành “Run-on” (“Run-on” là thuật ngữ dùng để chỉ xu hướng tiếp tục hoạt

động của động cơ khi ngắt nguồn điện bugi, nếu quán tính này càng lớn, động cơ càng dễ bị

kích nổ).

Dòng xe cao cấp của các hãng xe hơi danh tiếng như Mercedes-Benz, GM Daewoo,

Lexus, BMW đang hoạt động ở Việt Nam, động cơ được trang bị hệ thống điều hành tự động

gồm hai hệ thống thứ cấp: Hệ thống kiểm soát lưu lượng dòng không khí, lưu lượng dòng

nhiên liệu, thời gian đánh lửa bugi; và hệ thống cảm biến các thông số nồng độ oxy trong khí

thải, mức độ kích nổ, nhiệt độ khí thải, nhiệt độ chất làm mát và nhiệt độ van nạp.

Trong trường hợp sử dụng loại xăng có chỉ số Octan khác loại đang dùng, hệ thống sẽ

lập tức đưa động cơ về trạng thái hoạt động tối ưu nhất đối với loại xăng đó bằng cách thay

đổi thông số dòng nhiên liệu, dòng 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 nhất định, giá trị

này thường được các nhà sản xuất đưa ra.

Nếu loại nhiên liệu sử dụng có chỉ số Octan cao hơn, ta cũng không nhận được nhiều

năng lượng hơn so với sử dụng loại nhiên liệu có chỉ số Octan đúng như yêu cầu. Động cơ

đang vận hành trơn tru ở điều kiện tối ưu, vì thế, một nhiên liệu có chỉ số Octan cao hơn sẽ

chẳng có ảnh hưởng đáng kể nào đến hoạt động của chúng. Hơn nữa, khi sở hữu một chiếc

xe được trang bị những hệ thống hiện đại như vậy, cần phải lưu rằng hai yếu tố công suất

động cơ và sử dụng nhiên liệu một cách kinh tế có vai trò ngang nhau. Nhiên liệu có chỉ số

Octan cao hơn đương nhiên sẽ đắt hơn. Ta cũng có thể thay 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.

11

Bảng 2: Tỷ số nén của một vài mẫu xe máy và ôtô tại Việt Nam

Tỷ số nén của một vài mẫu xe máy và ôtô tại Việt Nam

Mẫu Tỷ số nén

Honda SH (chung cho cả 125, 125i, 150) 11

Honda @ (chung cho 125 và 150) 11

Honda Dylan 11

Honda Super Dream 9

Honda Future (chung cho tất cả các phiên bản) 9,3

Honda Wave (chung cho tất cả các phiên bản) 9,3

Honda Click 11

Piaggio Zip 11

Piaggio Fly 10,6

Piaggio GT 12-13

Piaggio Liberty 10,6

Yamaha Classico 8,8

Yamaha Nouvo 8,8

Yamaha Serious 9,3

Yamaha Jupiter (chung cho tất cả các phiên bản) 9,3

Yamaha Exciter 135 11

Suzuki Smash 9,5

Suzuki Viva 9,3

Suzuki Shogun 125 9,5

Mazda Premacy 9,2

Ford Escape XLT 3.0 10

Ford Mondeo 2.5 9,7

Mercedes E240 10,2

BMW 318i 9,7

V-Nâng cao chỉ số octan:

1/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

12

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.

Phụ gia chì bao gồm các chất như tetrametyl chì (TML), tetraetyl chì (TEL) có tác

dụng hủy hợp chất trung gian hoạt động (peroxit, hydroperoxit) do đó làm giảm khả năng

cháy kích nổ, kết quả là trị số octan của xăng tăng lên. Cơ chế dùng phụ gia chì có thể mô tả

như sau:

-Phân hủy TML trong động cơ:

Pb(CH3)4 → Pb + 4CH3

Pb + O2 → PbO2

-Tạo chất không hoạt động:

R-CH3 + O2 → R-CH2OOH (chất hoạt động)

R-CH2OOH + PbO2 → RCHO (chất không hoạt động) + PbO + H2O + ½ O2

Kết quả là biến các peroxit hoạt động thành các aldehit (RCHO) bền vững, làm giảm

khả năng kích nổ. Nhưng đồng thời PbO kết tủa sẽ bám trên thành xylanh, ống dẫn, làm tắc

đường nhiên liệu và tăng độ mài mòn. Do vậy người ta dùng các chất để đưa PbO ra ngoài.

Các chất mang hay dùng là C2H5Br hoặc C2H5Cl, cơ chế tác dụng như sau:

C2H5Br → C2H4 + HBr

2HBr + PbO → PbBr2 + H2O

Các sản phẩm PbBr2 , H2O là chất lỏng, có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi và theo khí thải

ra ngoài. Hỗn hợp phụ gia chì và chất mang gọi là nước chì. Nước chì rất độc nên phải nhuộm

màu để phân biệt.

13

General Motor đã 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. General Motor 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”.

Cho đến nay chưa có phụ gia nào làm tăng mạnh chỉ số octan như phụ gia chì ( với

hàm lượng chì từ 0,1 đến 0,5 g/l xăng có thể làm tăng từ 6 đến 12 đơn vị octan). Tuy nhiên do

tính chất độc hại của phụ gia này mà hiện nay trên thế giới hầu như không còn sử dụng nữa.

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.

2/MTBE, ETBE và TAME:

MTBE : methyl tert_butyl Ether (CH3)3COCH3 bắt đầu được sử dụng ở Mỹ từ 1979

để thay thế cho chì tetraethyl để gia tăng chỉ số octan. MTBE là một trong nhóm các hợp chất

gọi là oxygenate vì chúng làm tăng hàm lượng oxy trong xăng. Oxygenate giúp xăng cháy

hoàn toàn hơn, giảm khí thải, pha loãng hoặc thay thế aromatic và lưu huỳnh và tối ưu sự oxi

hóa trong quá trình cháy. Hầu hết các nhà lọc dầu chọn MTBE để làm phụ gia pha xăng. Việc

tăng hàm lượng MTBE trong xăng sẽ dẫn đến làm thay đổi áp suất hơi bão hoà, thành phần

cất phân đoạn của nhiên liệu, do đó không nên sử dụng lớn hơn lượng 15%.

14

Bên cạnh việc tăng trị số octan, hỗn hợp của xăng với oxygenate giúp giảm thiểu sự

thải hydrocacbon và CO từ xe cộ sử dụng nhiên liệu, do đưa vào xăng một lượng đáng kể oxy,

giúp cho quá trình cháy được xảy ra hoàn toàn.

Ngoài ra còn có các oxygenate khác như ETBE ( ethyl tert_butyl Ether), TAME (

tert_amyl methyl ether) có tính chất tương tự MTBE nhưng ít được sử dụng hơn.

Bảng 3: chỉ số octan của các oxygenate

Oxygenate RON MON

Methanol

Etanol

Tert-Butanol (TBA)

Metanol/TBA (50/50)

Metyl tert-butyl ete (MTBE)

Tert-Amylmetyl ete (TAME)

Etyl tert-butyl ete (ETBE)

127-136

120-135

104-110

115-123

115-123

111-116

110-119

99-104

100-106

90-98

96-104

98-105

98-103

95-104

Từ bảng 2 cho thấy, trị số RON của MTBE vào khoảng 115-123, do đó hỗn hợp 15%

MTBE trong xăng có trị số octan gốc là 87 sẽ tạo ra hỗn hợp có trị số RON nằm trong khoảng

91 đến 92, làm tăng từ 4 đến 5 đơn vị octan, tương đương với hàm lượng chì từ 0,1 đến 0,15

g/l.

Trên thế giới có rất nhiều nhà máy sản xuất MTBE, điển hình là ở Mỹ và Nhật Bản.

Mặc dù vậy, giá thành MTBE còn cao nên ảnh hưởng giá thành xăng. Tuy nhiên, đến cuối

thập kỷ 1990, MTBE bị báo động là hợp chất có khả năng gây bệnh cho người, đặc biệt là

ung thư. Mặc dù chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu về tác động của MTBE lên sức

khoẻ con người, nhưng kết quả nghiên cứu trên chuột cho thấy, nếu hít thở thường xuyên sẽ

dẫn đến ung thư thận, tinh hoàn và bệnh bạch cầu. Ngoài khả năng lan toả trong môi trường,

MTBE còn thấm vào đất đi vào mạch nước ngầm...Bên cạnh đó, MTBE là một chất không

phân huỷ sinh học và có khả năng lắng đọng. Theo cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế

(IARC) của liên hiện quốc, MTBE được xếp vào nhóm có khả năng gây ung thư cho người ở

liều lượng lớn. Vì vậy, một số bang ở Mỹ đã cấm sử dụng MTBE là chất phụ gia trong xăng

và xu hướng cấm sử dụng hợp chất này đang lan rộng.

15

3/Ethanol:

C2H5OH có trị số octan rất cao 120÷135, do đó hỗn hợp 10% với xăng 87 sẽ thu được

hỗn hợp có trị sỗ RON khoảng 90÷92

Etanol có thể được điều chế theo các phương pháp khác nhau:

- Từ ethylene, với xúc tác acid loãng, ta thu được cồn công nghiệp.

- Từ tinh bột và xenlulozo, sau khi điều chế, etanol cần phải hấp thụ nước trong đó để

nồng độ đạt 99%. Vì nếu lẫn nhiều nước sẽ có hiện tượng tách pha xăng khi pha chế.

Ngày nay , người ta nghiên cứu sử dụng etanol 96% có pha thêm phụ gia chống tách

pha như propanol, butanol rất khả quan.

Ngày nay xu hướng sử dụng etanol trở nên phổ biến nhất là các nước có sẵn nguồn

nguyên liệu mía đường như Brazil. Etanol là nhiên liệu không độc hại, trợ giúp cho quá trình

cháy nhiên liệu khoáng trở nên hoàn toàn hơn, không thải ra khí độc hại. Tại Mỹ, etanol được

sử dụng với 10% thể tích, còn ở Brazil là 20%.

Tuy nhiên, etanol có nhược điểm là hút ẩm nhiều, làm tăng nguy cơ thâm nhập của nước

vào xăng. Một lượng lớn etanol sẽ làm tăng RVP của nhiên liệu.

4/ Phụ gia Metanol:

CH3OH trước đây được điều chế bằng phương pháp chưng cất gỗ. Khi công nghiệp

phát triển, methanol được tổng hợp bằng phản ứng oxy hóa không hoàn toàn khí thiên nhiên,

với xúc tác V2O5 , BiMoO4 hoặc MoO3 trên chất mang là cacbosit hoặc aerosit; các kim loại

Fe, Ni, Cu, Pd … hoặc các oxit của chúng; hoặc hỗn hợp oxit và kim loại.

Ở nước ta hiện nay, nguồn khí thiên nhiên dồi dào mở ra con đường có thể tổng hợp

MeOH cho công nghiệp phụ gia. Ưu điểm của methanol là trị số Octan cao, giá thành rẻ do

điều chế tương đối dễ dàng, nhiên liệu cháy sạch, khí thải không gây ô nhiễm môi trường.

Nhược điểm là nhiệt trị thấp, nên nếu sử dụng một lượng lớn methanol sẽ làm giảm công suất

đông cơ. Mặt khác, áp suất hơi bão hòa (RVP) thấp nên sau khi pha chế có thể làm giảm RVP

của xăng. Ngoài ra khả năng tan vô hạn trong nước cũng dẫn tới hậu quả không tốt đối với

xăng pha chế.

5/ Phụ gia TBA:

Hiện nay TBA dùng pha chế với metanol (tỉ lệ 1:1). Hỗn hợp này

làm giảm khả năng tách lớp giữa 2 pha matanol và xăng, tạo điều kiện cho

sự tạo thành hỗn hợp đồng nhất, đồng thời TBA cải thiện sự giảm RVP của

metanol khi pha. TBA cũng có khả năng hút ẩm cao tuy không bằng etanol Hình 3: Tert butyl alcohol

16

và metanol.

6/Phụ gia dimetyl ete (DME):

DME bình thường là chất khí nhưng dễ hóa lỏng nên cũng dễ dàng dự trữ và vận

chuyển. DME có nhiều tính chất giống nhiên liệu, nên thông thường người ta sử dụng như là

một phần để pha vào nhiên liệu làm tăng trị số octan. So với metanol, DME có nhiệt trị cao

hơn (28,9.106 J/Kg so với 21,1.10

6 J/Kg) nên sử dụng DME không làm giảm công suất động

cơ. Thêm nữa, DME cháy sạch, không tạo các khí thải độc hại

nên có triển vọng là 1 phụ gia tốt.

Do DME có độ bay hơi cao nên người ta thường hòa

tan DME vào dung môi trước khi pha chế. Dung môi sử dụng

chính là metanol.

Bảng 4: So sánh ưu nhược điểm của các phụ gia chứa oxy

Loại phụ gia Ưu điểm Nhược điểm

Metanol -Rẻ

-Dễ kiếm

-Dễ tan trong nước

-Làm tăng RVP

-Làm tăng khả năng cháy nổ

Etanol -Có ở từng vùng -Dễ tan trong nước

-Làm tăng RVP

-Làm tăng khả năng cháy nổ

TBA/Metanol -Dễ kiếm

-Không tạo pha phân cách

-Có hòa tan được đước

-Làm tăng RVP

MTBE -An toàn

-Sẵn có

-Ít hòa tan trong nước

-Đắt

-Làm tăng khả năng bay hơi của phân đoạn giữa

-Tạo ô nhiễm nếu như tràn ra đất, nước

DME -Có thể điều chế được

-Ít hòa tan trong nước

-Dễ bay hơi

-Làm tăng RVP

Hình 4: dimetyl ete

17

Bảng 5: Thành phần phụ gia chứa oxy pha vào xăng:

Các phụ gia chứa oxy % thể tích trong xăng % TL oxy trong xăng

Etanol 10 3,5

MTBE 15 2,7

Metanol + TBA 4,75 + 4.75 3,5

Bảng 6: Một số đặc tính điển hình của xăng có phụ gia chứa oxy:

Đặc tính MTBE ETBE TAME MeOH EtOH

Octan pha trộn (R+M)/2 109 110 105 118 114

RVP của hỗn hợp pha trộn, psi 8 4 4 60+ 19

RVP của phụ gia chứa oxy, psi 8 4 1,5 4,6 2,4

% TL oxy của phụ gia chứa oxy 18,2 15,7 15,7 50 33,7

TL mol 88,15 102,18 102,18 32,04 46,07

Tỷ trọng của phụ gia chứa oxy, d6060

0,74 0,77 0,77 0,79 0,79

7/Phụ gia Plutocen G:

Plutocen G là hợp chất cơ kim của sắt, có độ tinh khiết

cao và hàm lượng sắt lớn. Tên khoa học là dixyclopentadien sắt

(Ferocon) hay bis-xyclopentadienyl sắt (C5H5)2Fe.

Phụ gia Plutocen G có cơ chế hoạt động tương tự phụ gia

chì, nhưng không làm tăng cao chỉ số octan như phụ gia chì, pha

30ppm Plutocen vào xăng làm tăng khoảng 3 đơn vị octan. Đức là

quốc gia sử dụng Plutocen nhiều nhất, từ những năm 1980.

Plutocen không ảnh hưởng đến thành phần khí xả nên

không gây độc hại cho môi trường, không gây dị ứng da, có độc

tố rất thấp đối với động vật có vú, độ tan rất thấp trong nước loại

bỏ được nguy cơ lẫn nước thâm nhập vào xăng và tồn đọng dưới

đáy bồn, tránh được sự gỉ bồn bể chứa.

Hình 5: Plutocen

18

Bảng 7: Các đặc tính của Plutocen

Các thông số Chỉ tiêu

Màu sắc bên ngoài Vàng da cam, dạng tinh thể

Mùi đặc trưng Giống mùi long não

Khối lượng phân tử 186

Thành phần chủ yếu: Ferocen (dicyclopentadien Fe) >99% KL

Tiếp xúc với ánh sáng Bền vững

Độ tan trong nước ở 250C 6,3 mg/l

Độ tan trong toluen Max 0,01% Kl

Điểm nóng chảy 173-1750C

Khối lượng riêng ở 150C 1,49 g/ml

Nhiệt độ sôi, 0C 249

Nhiệt độ bắt cháy, 0C >150

Áp suất hơi ở 400C 6,6 kPa

Độ tinh khiết, %KL 99,9

8/Phụ gia MMT (metylxyclopentadienyl Mangan Tricacbonyl):

MMT có công thức hóa học (CH3C5H4)Mn(CO)3. Đây là phụ gia thay thế thành công

nhất phụ gia chì. Hiện nay Canada đi đầu trong việc sử dụng MMT. Không có dấu hiệu ảnh

hưởng của phụ gia này đến môi trường cũng như sức khỏe con người. Trong khói thải của

động cơ sử dụng MMT, hợp chất Mn tồn tại dưới dạng Mn3O4. Nhiều nghiên cứu đã kết luận

rằng lượng Mn thải ra môi trường khi sử dụng MMT là rất nhỏ. So với TEL và một số phụ

gia khác thì MMT có những ưu điểm sau:

-Sử dụng với hàm lượng thấp, chỉ từ 8-18 mg Mn/l

-Thích hợp với mọi vật liệu chế tạo động cơ.

-Ngăn chặn được sự mất mát nhiệt do cháy sớm.

-Không ăn mòn thiết bị.

-Không ảnh hưởng đến bộ chuyển đổi xúc tác.

-Rẻ hơn các phụ gia khác.

-Giảm thiểu khí thải độc hại.

Hình 6: MMT

19

Với ưu thế kể trên, phụ gia MMT đang được sử dụng rộng rãi tại canada, Mỹ Latinh,

châu Âu. Theo tính toán của một số tác giả trong nước, sử dụng MMT tiết kiệm đc 50đ/l xăng.

Hiện nay trên thế giới cũng có xu hướng sử dụng tổ hợp phụ gia tăng octan, phổ biến là tổ hợp

etanol/MMT/Plutocen để hình thành cơ chế mới trên cơ sở kết hợp ưu điểm của chúng.

Tuy nhiên,MMT cũng có nhược điểm: một phần phụ gia đọng lại trong các bộ phận của

động cơ và trong bộ xúc tác, chúng bịt bề mặt của xúc tác làm giảm hiệu quả của bộ lọc xúc

tác. Một lượng sản phẩm cháy phủ lên bugi gây sự mất lửa và hoạt động kém của động cơ.

9/Nâng cao chỉ số octan thông qua quá trình lọc dầu:

Người ta đã và đang nghiên cứu cải tiến các hệ thống thiết bị và xúc tác trong các phân

xưởng nhà máy lọc dầu nhằm sản xuất trực tiếp xăng có chỉ số octan cao qua đó giảm lượng

phụ gia, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

a. Xăng của quá trình reforming xúc tác.

Quá trình refoming xúc tác các hiđrocacbon là một quá trình phức tạp bao gồm:

+ Đehiđro hoá các naphten thành các hiđrocacbon thơm;

+ Đehiđro vòng hoá các parafin thành các naphten;

+ Đồng phân hoá các parafin và naphten thành isoparafin...

Các quá trình này đều dẫn tới các loại hiđrocacbon có chỉ số octan cao. Chính vì thế,

các đặc trưng của xăng refoming xúc tác là rất tốt cho các động cơ ôtô và máy bay. Xăng thu

được của quá trình reforming xúc tác được gọi là reformat. Đây là nguồn nguyên liệu chính để

phối trộn tạo xăng có chất lượng cao, chúng có chứa một hàm lượng các hợp chất aromatic

cao nên chỉ số octan của no cao (RON = 95- 102). Tuy nhiên do aromatic gây ô nhiễm môi

trường nên bị hạn chế sử dụng.

b. Xăng cracking xúc tác:

Đây là nguồn cho xăng lớn nhất trong nhà máy lọc dầu. Trị số octane của xăng này

khoảng 87- 92 tuỳ theo điều kiện công nghệ. Thành phần hóa học chứa tới 9- 13%

hydrocacbon olefine. Sự có mặt của của các olefine này chính là nguyên nhân làm mất tính ổn

định của xăng.

Các xăng cracking nhiệt có chỉ số octan cao hơn các xăng chưng cất trực tiếp. Thông

thường chỉ số octan RON của xăng cracking nhiệt là 70 ÷ 80. Xăng crackinh nhiệt không bền

vững, chúng có khuynh hướng để cho gôm phát triển tương đối mạnh trong quá trình bảo

quản tại kho với sự có mặt của không khí. Tuy nhiên người ta đã tìm ra các phương pháp làm

20

sạch xăng hay dùng chất kìm hãm tạo gôm cho phép có thể dùng xăng mà không có bất kỳ

một bất tiện nào đối với ôtô. Nhưng người ta không thể, ngay cả bằng cách tăng cường các

biện pháp xử lí hoá học bằng các chất kìm hãm, làm cho xăng cracking nhiệt có một độ bền

vững đủ để sử dụng chúng làm xăng máy bay. Ngược lại, cracking xúc tác cho các kết quả

thoả mãn hơn nhiều, vì thực tế các xăng cracking xúc tác không chứa những hiđrocacbon

diolefin mà chúng là những hiđrocacbon kém bền vững nhất.

Chỉ số octan RON > 90 của các xăng cracking xúc tác là do:

- Các hiđrocacbon nhẹ của xăng chứa một tỉ lệ lớn các iso-parafin và iso-olefin.

- Các hiđrocacbon nặng của xăng đặc biệt giàu các hiđrocacbon thơm. Chúng ta biết

rằng chỉ số octan của ba loại hiđrocacbon này lớn hơn nhiều so với chỉ số

octan của các parafin mạch thẳng.

c. Xăng Isomerate:

Phần xăng nhẹ (chủ yếu C5, C6) từ tháp chưng cất dầu thông qua phân xưởng isome

hóa tạo xăng isomerate chứa các isoparafin có chỉ số octan cao. Xăng reforming xúc tác

thường ít phần nhẹ, người ta thường pha thêm isomerate để tăng octan và áp sức hơi bão hòa.

d. Alkylat

Trong công nghệ lọc hóa dầu người ta sử dụng quá trình alkyl hóa để sản suất xăng có

trị số octane cao. Ngày nay quá trình alkyl hóa được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế

giới. Với quá trình này, người ta đã tạo ra một nguồn phối liệu có trị số octane cao hầu như

không có tạp chất và các hợp chất aromatic đáp ứng yêu cầu sản suất xăng sạch bảo đảm các

yêu cầu về động cơ và môi trường.

Trong các nhà máy lọc hoá dầu có các khí dư:

- Loại parafin: CH4 , C2H6 , C3H8 , C4H10 và iso-C4H10

- Loại olefin: C3H4 , C3H6 , 1-buten, 2-buten và iso-buten.

Đây là nguồn nguyên liệu quý để tổng hợp các xăng có chỉ số octan cao. Chúng ta biết

rằng các hiđrocacbon có tính kháng nổ cao là các đồng phân phân nhánh, nghĩa là trong các

phân tử này chứa nguyên tử cacbon bậc ba. Sự phân nhánh càng nhiều thì chỉ số octan của

phân tử càng cao. Hơn nữa người ta cũng nhận thấy rằng độ bền của phân tử với sự va chạm

tăng lên khi phân tử “tự tập trung lại” hay dưới tác dụng của hiệu ứng phân

nhánh. Ví dụ đối với hiđrocacbon parafin C7 :

- n-heptan có chỉ số octan 0 (theo quy ước).

21

- 2-metylhexan có chỉ số octan 45.

- 3-metylhexan có chỉ số octan 65.

Chỉ số octan tăng lên khi các nhánh tập trung về trung tâm của phân tử:

- 3,3-đimetylpentan có chỉ số octan 94.

- 2,2,3-trimetylbutan (triptan có chỉ số octan 105.

Triptan có thể được sử dụng trong một mô tơ mà tỉ lệ nén là khoảng 15/1.

Luật tăng chỉ số octan của các hiđrocacbon parafin với sự tập trung của phân tử vào

phía tâm của nó là rất tổng quát và ta có thể thấy sự thay đổi hoàn toàn tương tự đối với các

hiđrocacbon C6 , C8 ... và nên nhớ rằng “độ nhạy” hay hiệu số giữa RON và MON tăng lên

với sự tập trung của phân tử vào phía tâm của nó.

Nói chung, người ta nhận thấy rằng những olefin riêng biệt có chỉ số octan cao hơn

một chút so với các parafin tương ứng, trước hết là những hiđrocacbon C8. Mặt khác, độ

nhạy và chỉ số octan của hỗn hợp các olefin là cao hơn nhiều so với độ nhạy và chỉ số octan

của hỗn hợp các parafin có cùng số nguyên tử cacbon. Chỉ số octan của các naphten cao hơn

một chút so với chỉ số octan của các parafin tương ứng nhưng độ nhạy của chúng không cao

hơn. Những hiđrocacbon aromatic có chỉ số octan rất cao. Độ nhạy của chúng trong hỗn hợp

cũng rất lớn như chỉ số octan khi nồng độ của chúng trong hỗn hợp nhỏ. Từ những nhận xét

trên đây ta sẽ thực hiện chuyển hoá các khí thành các nhiên liệu có chỉ số octan

càng cao càng tốt. Các phương pháp tổng hợp như sau:

* Polime hoá xúc tác (oligome hoá)

- Nguyên liệu đầu là các olefin đã nói ở trên.

- Xúc tác: axit H3PO4 , pyrophotphat đồng, quartz tẩm H3PO4 lỏng.

- Lò phản ứng có chứa chất xúc tác có thể là một thùng lớn hay là những ống phản ứng

có đường kính tương đối nhỏ mà người ta có thể làm lạnh chúng bằng nước.

- Nhiệt độ phản ứng thông thường là 150 ÷ 220°C và độ chuyển hoá của olefin có thể đạt

tới 85 ÷ 95% chỉ qua 1 vòng phản ứng.

- Tốc độ cung cấp olefin có thể dùng từ 0,1 ÷ 0,5 m3/h tuỳ theo độ hoạt động của xúc tác

và áp suất có thể đi từ 35 bar ÷ 70 bar.

22

Để tránh sự phân huỷ của xúc tác, giữ độ hoạt động lâu dài của chúng, người ta thường

đưa khoảng 5% nước vào nguyên liệu đầu và làm lạnh phản ứng, giữ nhiệt độ phản ứng sao

cho không vượt quá 220°C.

Việc polime hoá chọn lọc nhưđime hoá isobuten hoặc đồng đime hoá isobuten và buten,

tiếp theo là hiđro hoá cho ta những iso-octan có chỉ số octan F3 ~ 100. Các phản ứng đime

hoá chọn lọc này dần dần được thay thế bằng ankyl hoá có tính ưu việt hơn.

* Ankyl hoá hiđrocacbon phân nhánh bằng olefin nhẹ :

Những hiđrocacbon bão hoà có chứa nguyên tử cacbon bậc 3 như isobutan, isopentan... kết

hợp dễ dàng với các hiđrocacbon etilenic khi có mặt của các xúc tác như H2SO4 , HF.

C2H4 + iso-C4H10 → 2,2-đimetylbutan, RON = 92

C2H4 + iso-C4H10 → 2,3-đimetylbutan, RON = 101

C2H4 + iso-C4H10 → 2,2,4-trimetylpentan, RON = 100

Nếu chúng ta dùng các iso-olefin, ta sẽ được các sản phẩm sau đây:

iso-C4H8 + iso-C4H10 → iso-octan RON = 92 ÷ 94

iso-C5H10 + iso-C4H10 → iso-nonan RON = 90 ÷ 92

C3H6 + iso-C4H10 → iso-heptan RON = 89 ÷ 91

Trong công nghiệp, nếu dùng H2SO4 làm xúc tác cho các phản ứng trên, thường

người ta phải quay vòng phản ứng nhiều lần đối với iso-butan sao cho giữ được trong lò phản

ứng tỉ lệ iso-C4H10 /olefin = (6 ÷ 8)/1. Sở dĩ phải giữ tỉ lệ này vì olefin bị hấp thụ bởi axit

H2SO4 rất dễ dàng. Nếu tỉ lệ này càng lớn thì hiệu suất sẽ càng cao và việc tiêu tốn axit

H2SO4 /1 lít alkylat càng thấp.

Xúc tác H2SO4 nồng độ lúc ban đầu là 98% sau đó có thể kết hợp dùng H2SO4

đã sử dụng có nồng độ 90%. Thông thường người ta dùng axit H2SO4 với nồng độ ban đầu

98% và việc tiêu tốn tổng cộng axit là từ 1,5 kg ÷ 6,5 kg /1m3 alkylat. Nếu H2SO4 không thể

tái sinh được thì người ta có thể dùng chúng vào mục đích khác như để tinh chế dầu bôi trơn.

Ankyl hoá với sự có mặt của axit H2SO4 là một phương pháp đắt tiền do phải tiêu tốn nhiều

axit. Với việc dùng axit HF làm xúc tác thì người ta có thể thu hồi HF ở cuối mỗi một vòng

phản ứng nên sự tiêu tốn axit HF giảm xuống (từ 0,8 ÷ 2,3 kg/m3 alkylat).

23

Bảng 8: Các thành phần cao octan trong xăng

Loại cấu tử RON MON

Toluen

o-xylen

p-xylen

xyclopentan

metylxyclopentan

xyclohexan

Isopropylbenzen

Alkylate

Isomerate

115

120

140

100

>100

83

108

93-97

85-95

102

103

127

85

>100

78,6

99

91-96

80-90

VI- GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO CHỈ SỐ OCTAN:

1/ OCTANE meter SX-200:

Hình 7: Máy đo chỉ số octan SX-200

24

Thông số kỹ thuật

MÁY ĐO CHỈ SỐ OCTANE model: SX-200

SHATOX SX-200 PORTABLE OCTANE TESTER

Khả năng:

• Xác định số octane trong xăng dầu động cơ. Tuân theo tiêu chuẩn ASTM D 2699-86, ASTM D 2700-86.

• Xác định số octane trong xăng dầu động cơ.

Tuân theo tiêu chuẩn ASTM D 4737-03, ASTM D 613, EN ISO5165.

• Xác định nhiệt độ đông đặc và loại nhiên liệu diesel.

• Thời gian xăng dầu phân hủy (ổn định oxy hóa). Tuân theo tiêu chuẩn ASTM D 525;

• Đo mức độ tinh khiết của xăng dầu.

Octane Tester SX-200 được thiết kế để phân tích, đo lường chỉ số Octan, chỉ số Cetane của nhiên

liệu, vàcũng để ước lượng nhiệt độ đóng băng của nhiên liệu, mức độ tinh khiết, và chất lượng của động cơ,

công nghiệp và máy biến áp dầu. SX-200 cho kết quả đo chính xác. Kết quả đo, phân tích được lưu trữ và cố thể chuyển giao sang máy tính.

Máy có thể cài đặt một chương trình đo riêng biệt (theo yêu cầu của người sử dụng) và cho phép điều chỉnh

việc phân tích chất lượng xăng dầu. SX-200 sử dụng bộ vi xử lý giúp cho việc đo, phân tích, xử lý nhanh và

chính xác. Kết quả chỉ số Octane đo được hiển thị đồng thời chỉ số RON, MON

Phạm vi sử dụng: Octane Tester SX-200 được sử dụng phổ biến tại các trạm xăng, nhà máy lọc dầu khí, tổ chức môi

trườngvà giám sát, dùng trong phòng thí nghiệm … như một thiết bị cầm tay để kiểm soát nhiên liệu và chất

lượngxăng dầu.

Mô tả thông số Đơn vị đo Giá trị

Khoảng đo chỉ số Octane trong xăng dầu ON 40-120

Giới hạn lỗi cơ bản chấp nhận được của chỉ số Octane, tối đa ON ± 0.5

Giới hạn khác nhau chấp nhận được giữa các phép đo Octane song song,

tối đa ON ± 0.2

Khoảng đo chỉ số Cetane trong xăng dầu CN 20-100

Giới hạn lỗi cơ bản chấp nhận được của chỉ số Cetane , tối đa CN ±1.0

Giới hạn khác nhau chấp nhận được giữa các phép đo Centane song song,

tối đa CN ± 0.5

Đo mức độ tinh khiết của dầu động cơ, lớn nhất % 95

Độ chính xác của đo độ tinh khiết của dầu động cơ, lớn nhất % 0.1

Giới hạn khác nhau chấp nhận được giữa các phép đo độ tinh khiết của dầu

động cơ, lớn nhất % 0.01

Khoảng đo độ dẫn điện của nhiên liệu, unit 1-5

Độ chính xác của khoảng đo độ dẫn điện unit 0.001

Giới hạn khác nhau chấp nhận được giữa các phép đo độ dẫn điện của dầu unit 0.001

25

động cơ, lớn nhất

Khoảng đo điện thế trong nhiên liệu kV 5-100

Độ chính xác của khoảng đo điện thế, lớn nhất kV 1

Giới hạn khác nhau chấp nhận được giữa các phép đo điện thế của dầu

động cơ, lớn nhất kV 0.2

Khoảng đo chất điện môi % 0.01 - 5

Độ chính xác của khoảng đo điện môi, lớn nhất % 0.01

Giới hạn khác nhau chấp nhận được giữa các phép đo điện môi của dầu

động cơ, lớn nhất % 0.001

Khoảng thời gian đo Giây 1–5

Nguồn điện cung cấp thiếu hiển thị tại ngưỡng V 5.4

Kích thước

electronic module mm 100х210х25

sensor mm 60х100

Trọng lượng với sensor gr 680

2/ Máy đo chỉ số OCTAN cầm tay - Mỹ: MODEL ZX-101XL

Tính năng:

• Cấp chính xác phòng thí nghiệm

• Cho kết quả nhanh chỉ trong 20 giây

• Đầu ra RS 232

• Trang bị máy in và màn hình LCD

• Sử dụng lượng mẫu đo nhỏ: 226,8g

• Không làm hỏng mẫu

• Đo các loại xăng không pha chì

• Kết quả có thể đo trực tiếp theo: MON, RON,

(R+M) / 2

• Là thiết bị điện tử có độ tin cậy cao

• Dễ sử dụng, di chuyển

• Đã được cấp bằng sáng chế công nghệ

Máy đo chỉ số octan thế hệ ZX-101XL là một thiết bị được thiết kế gọn nhẹ, giúp người sử

dụng dễ dàng xác định chỉ số Octan với độ chính xác cao, thuận tiện cho việc nghiên cứu và

kiểm tra chất lượng của các loại sản phẩm nhiên liệu.

Các thiết bị phân tích chỉ số Octan hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp

lọc dầu, trong các phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu trên khắp thế giới. Máy ZX-

Hình 8: Máy đo chỉ số octan ZX-191XL

26

101XL được thiết kế có độ chính xác của phép đo theo tiêu chuẩn ASTM, giúp người sử

dụng có thể kiểm tra chỉ số octan của sản phẩm kịp thời, tiết kiệm thời gian và chi phí thực

hiện.

Thiết kế của máy có độ tin cậy cao, tính linh hoạt và thuận tiện:

- Kiểu dáng gọn nhẹ, dễ sử dụng

- Hoạt động bằng pin 1,5V AA hoặc nguồn điện xoay chiều AC

- Chức năng tự qui chuẩn trước khi thực hiện phép đo để đảm bảo độ chính xác.

- Các bước đo và hiệu chuẩn được hiển thị lần lượt theo các bước trên màn hiển thị.

- Thao tác đưa mẫu vào kiểm tra đơn giản, dễ thực hiện

- Kết quả được hiện thị ngay lập tức trên màn hình LCD

- In kết quả đo có ngày tháng, thời gian thực hiện phép đo

- Có thể truy xuất dữ liệu ra máy tính qua cổng RS-232

- Model ZX-101XL được tăng cường bộ nhớ trong có khả năng lưu trữ 10 giá trị chuẩn của

các loại nhiên liệu không pha chì và nhiên liệu sử dụng etanol.

VII- Tài liệu tham khảo:

1. Nhiên liệu sạch & các quá trình xử lý trong hóa dầu – PGS.TS Đinh Thị Ngọ - TS.

Nguyễn Khánh Diệu Hồng.

2. Bài giảng sản phẩm dầu khí – TS Dương Thành Trung

3. Giáo trình sản phẩm dầu mỏ thương phẩm – ThS Trương Hữu Trì

4. Hoahocngaynay.com

5. Vnxpress.net

6. Saigonpetro.com.vn

7. mtcequipment.com.vn