Tiểu luận về CHỈ SỐ OCTAN

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 cu

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

Quá trình cháy điều

hoà sinh ra các bức xạ quang

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

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

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

iso-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

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 /a 2

Trong đó : S độ nhạy, S = RON – MON

: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

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

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

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

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

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

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

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

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%