Khi chưng cất sơ cấp dầu thô ta thu được phân đoạn sôi giữa 200°C và 320°C. Phân đoạn này được gọi là gazoin hay dầu điezen. Dầu gazoin thu được từ các sản phẩm crackinh nhiệt và crackinh xúc tác rất khác với gazoin thu được từ chưng cất trực tiếp dầu thô do thành phần của chúng đã bị biến đổi. Hàm lượng parafin đã bị giảm đi do sự hình thành các hiđrocacbon không bão hoà và hiđrocacbon thơm, chất lượng nổ và chỉ số xetan của dầu bị giảm đi.
Tên gọi dầu gazoin có nguồn gốc từ việc dùng dầu này để sản xuất khí thắp sáng bằng crackinh và mặc dầu ngày nay người ta không còn dùng nữa nhưng tên phân đoạn này vẫn được giữ nguyên vì những lượng lớn dầu vẫn được dùng để sản xuất khí ướt. Vì mục đích này, dầu gazoin phải có đặc trưng parafin để khi crackinh nhiệt người ta thu được hiệu suất cao khí có nhiệt trị lớn. Bởi vậy, dầu gazoin phải là distillat cất trực tiếp từ dầu mỏ parafin.
Nhiên liệu điezen (Diezel fuel) có cùng một khoảng nhiệt độ chưng cất (200 ÷ 320°C) như dầu gazoin và dĩ nhiên chúng là cùng một nhiên liệu nhưng được sử dụng cho động cơ nén - nổ (được gọi là động cơđiezen) vì thế chúng được gọi là nhiên liệu điezen. Các động cơđiezen có rất nhiều dạng và tốc độ, sử dụng một khoảng rất rộng các nhiên liệu từ các distillat của dầu thô đến các phân đoạn chưng cất dầu than đá và các dầu thực vật.
3.3.1. Dầu gazoin
Vì là một sản phẩm thu được từ chưng cất nên dầu gazoin thay đổi về thành phần tuỳ theo bản chất của dầu thô nhưng một số tính chất đặc trưng phải được thoả mãn đó là điểm chớp cháy, khoảng nhiệt độ chưng cất (từ 200 ÷ 320°C). Bảng dưới đây minh hoạ một số tính chất của dầu gazoin khác nhau tùy theo khối lượng riêng của chúng.
Bảng 24. Thành phần và tính chất của các dầu gazoin
Tỷ trọng (15,5 / 15,5°C) 0,84 0,88 0,86
Điểm chớp cháy, °C 200 186 186
Độ nhớt Redwood ở 37,7°C 35 33 37
Nhiệt độ khoảng sôi thấp nhất, °C 220 200 210
% chưng cất tới 300°C 65 34 47
Chỉ số xetan 62 34 47
Cặn cacbon Conradson (% trọng lượng) 0,02 0,07 0,02
Công dụng chính của dầu gazoin là dùng để sản xuất khí ướt và tách benzen từ khí than (coal gas), nhưng dầu gazoin có thểđược dùng làm nhiên liệu cho động cơđiezen tuỳ thuộc vào chỉ số xetan của nó. Nếu chỉ số xetan cao thì nó rất thích hợp cho các động cơ điezen cỡ nhỏ và tốc độ cao. Nếu độ nhớt của dầu gazoin cao thì không thích hợp cho các động cơđiezen chạy đường biển, trong công nghiệp có tốc độ thấp vì việc bơm nhiên liệu khó khăn.
3.3.2. Nhiên liệu điezen và động cơđiezen
Những tính chất của nhiên liệu điezen được giải thích tốt nhất sau khi nghiên cứu các đặc trưng của động cơ nén-nổ - động cơ điezen. Sơ đồ động cơ nén-nổ điezen được cho trên hình 7.
Hình 7
Sơđồđộng cơ nén-nổđiezen
Nguyên lí cơ bản của động cơ này là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên liệu. Nhiên liệu được tiêm vào buồng nén mà ởđó không khí đã được nén tới 1 áp lực từ 41,5 - 45,5 kg/cm2 và đạt tới nhiệt độ ít nhất là 500°C. Nhiệt độ này đủ để làm bốc cháy nhiên liệu và khí dãn nở làm tăng áp lực lên tới trên 70 kg/cm2. Áp lực này tác động lên pittong và làm động cơ chuyển động. Trong động cơ nén-nổ 4 kì bình thường, 1 vòng có thể chia thành 4 kì:
1. Hút không khí vào xilanh, sau đó van vào đóng lại.
2. Nén không khí trong xilanh tới một thể tích xác định (trong kì nén này áp suất và nhiệt độ tăng lên), khi đó nhiên liệu điezen được phun vào buồng nén.
3. Nhiên liệu cháy. Khí cháy dãn nở trong khi tất cả các van đóng, áp lực tác động lên đầu pittong làm máy chuyển động.
4. Van xả mở và khí cháy được thải ra ngoài buồng nén. Kì này hoàn thành 1 vòng của động cơ và vòng tiếp theo được bắt đầu với việc đóng van xả. Như vậy có 1 kì sinh công và 3 kì không tải cho hai chuyển động của tay quay.
Trong động cơ 2 kì không khí bị nén như trên, nhưng ngay gần đầu kì sinh công, van xả mở ra và xilanh được quét bằng không khí sạch từ 1 máy bơm sao cho kì trở lại nén không khí sạch. Nén không khí sạch là cần thiết để đạt hiệu quả của tay quay và động cơ làm việc mạnh hơn và êm hơn so với động cơ bốn kì có cùng cỡ và tốc độ.
Những thuận lợi chủ yếu của động cơđiezen là sự gọn gàng của động cơ, sạch sẽ và hiệu quả nhiệt cao, có thể kể ra như sau:
1. Với mục đích hàng hải, động cơđiezen chiếm chỗ ít hơn so với động cơ hơi nước có cùng công suất năng lượng.
2. Nó không tiêu tốn nước vì nước làm lạnh có thể quay vòng.
3. Với mục đích chạy đường bộ, hệ thống tiêm nhiên liệu của động cơđiezen hiệu quả hơn động cơ xăng và tiêu tốn nhiên liệu chỉ vào khoảng một nửa cho cùng một cung đường.
4. Động cơ có thể xuất phát trong điều kiện lạnh và có thể đạt được công suất hầu như ngay thức thời, một thuận lợi rất lớn so với bất kì động cơ hơi nước nào. 5. Được kết hợp với việc sản xuất điện thì động cơđiezen hiệu quả hơn bất kì động
cơ nào khác để cung cấp năng lượng cho việc sử dụng trung gian. 6. Động cơđiezen làm việc với hiệu suất nhiệt cao khoảng 30 ÷ 35%.
Như trên đã trình bày, trong chu trình làm việc của động cơđiezen, nhiên liệu tự bốc cháy trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tới hạn, không cần mồi lửa từ bugi. Vì thế tính chất quan trọng của nhiên liệu điezen là chất lượng cháy của nó. Đầu tiên, nhiên liệu phải có khả năng dễ dàng cháy ở nhiệt độ nén đủ thấp đểđảm bảo sự cháy, thậm chí khi xuất phát ở điều kiện nhiệt độ thấp. Thứ hai, thời gian giữa khi tiêm nhiên liệu vào xilanh và cháy phải không được quá dài hay quá nhiều dầu trong xilanh khi sự cháy xảy ra và như thế áp suất cao không cân bằng sẽ sinh ra và động cơ hoạt động không tốt.
Bởi vậy, chất lượng cháy của nhiên liệu điezen phải được đo bằng nhiệt độ cháy tức thời và bằng các phép thửđộng cơđược chế tạo đặc biệt để thu được các giá trị sốđối với sự trễ cháy.
Nhiệt độ cháy tức thời (SIT - Spontaneous Ignition Temperature) liên quan rất nhiều đến hàm lượng hiđro của dầu và đồng thời nó được xem như phép đo sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu điezen. Một phương pháp chuẩn là điểm chớp cháy trong khí quyển oxi được xác định bằng cách nhỏ từng giọt dầu vào một cái cốc kim loại được đốt nóng liên tục.
Một giá trị nhiệt độ thấp của sự tự bốc cháy trong oxi được xem là thuận tiện cho việc dùng dầu đó. Phép thử này chỉ là một chỉ dẫn rất chung cho sự tiện lợi của việc dùng nhiên liệu điezen.
Giá trị SIT của xăng ôtô (OC 75) là khoảng 500°C, của dầu điezen (chỉ số xetan 50) là 260°C và của octan là 235°C.
Phương pháp tốt nhất đánh giá chất lượng nhiên liệu điezen là thử trong động cơ, nhưng một phương pháp thử gần đúng có thể thu được là xác định tỉ lệ parafin trong nhiên liệu điezen.
Trong trường hợp các nhiên liệu đi từ dầu mỏ thì hàm lượng parafin càng cao thì chất lượng cháy càng tốt. Điều này không phải luôn đúng với các nhiên liệu thu được từđá dầu và các phân đoạn thu được từ than đá.
Một phép thử khác là điểm anilin. Người ta dựa trên thực tế là các hiđrocacbon thơm trộn lẫn dễ dàng với anilin ở nhiệt độ phòng, nhưng với các parafin cần đốt nóng tới một nhiệt độ tương đối cao chúng mới trộn lẫn hoàn toàn với anilin. Ví dụ, hiđrocacbon thơm, hexylbenzen có điểm anilin < −12°C, trong khi đó một parafin (octan) có giá trị là 15,1°C. Như vậy điểm anilin cao là một chỉ dẫn về hàm lượng parafin cao và như thế tính tiện lợi sử dụng cao. Điểm anilin được chuyển thành chỉ sốđiezen theo biểu thức:
Chỉ số điezen không thật tin tưởng như chỉ số xetan nhưng nó là một chỉ dẫn hữu ích khi không có điều kiện thửđộng cơ. Về giá trị số, chỉ sốđiezen thường cao hơn 3 đơn vị so với chỉ số xetan và nó có thể chuyển thành chỉ số xetan theo công thức sau:
Chỉ số xêtan (tính toán) = Chỉ sốđiezen + 0,068 × T sôi trung bình (°F)− 22
Khi chất lượng cháy được thử trong một động cơđiezen chuẩn thì kết quảđược biểu thị bằng chỉ số xetan. Xetan là một parafin, C16H34 có chất lượng cháy cao và người ta gắn cho nó có chỉ số xetan bằng 100. α-Metylnaphtalen là một hiđrocacbon thơm mà người ta quy ước nó có chỉ số xetan bằng 0. Chúng tạo nên thang đo chỉ số xetan. Vậy chỉ số xetan của một nhiên liệu điezen là phần trăm theo thể tích của xetan trong hỗn hợp hai hiđrocacbon xetan và α-metylnaphtalen mà nó có cùng chất lượng nổ như nhiên liệu đó.
Có hai phương pháp xác định chỉ số xetan bằng động cơ. Trong một động cơ điezen, có một khoảng thời gian trễ cháy xác định từ 0,5 ÷ 10 mili giây giữa thời điểm tiêm nhiên liệu và thời điểm cháy. Khoảng thời gian trễ cháy này là không đổi đối với một nhiên liệu đã cho khi đo theo góc quay của tay quay của động cơ. Khoảng thời gian trễ cháy được dùng làm phép đo chất lượng cháy và được gọi là chỉ số xetan.
- Phương pháp 1đo trực tiếp thời gian trễ cháy ở các điều kiện bình thường qua số độ góc mà tay quay quay. Để làm điều này cần phải dùng một thiết bị ghi được sự thay đổi áp suất và điểm chính xác khi van mở. Thông thường người ta sử dụng một chỉ thị tia catot gồm một thiết bị van ion nhiệt kết hợp với áp suất và thời gian quay và như vậy cho phép đo được góc trễ hay góc quay của maniven.
- Phương pháp 2 đơn giản hơn. Một hộp điều tốc được gắn vào van tiết lưu và chúng được gắn vào đầu hút của động cơ. Khi van này đóng lại thì áp suất của hộp điều tốc bị giảm đi, áp suất nén là nhỏ hơn, thời gian trễ tăng lên cho đến khi không xảy ra sự nổ và phát ra khói trắng. Áp suất không khí trong hộp điều tốc ở điểm này được coi như một hàm của thời gian trễ và được so sánh với áp suất
Điểm anilin (°F) × Trọng lượng (API) Chỉ sốđiezen =
tương tự từ hỗn hợp của nhiên liệu so sánh và kết quả được biểu thị bằng chỉ số xetan.
Ở Mĩ, người ta dùng một động cơ CFR đã được tiêu chuẩn hoá để tiến hành phép thử dưới những điều kiện chuẩn về nhiệt độ không khí, tốc độ, tốc độ nhiên liệu và nhiệt độ làm lạnh. Tỉ lệ nén có thể thay đổi được và được đo so với một thời gian trễ chuẩn. Bởi vậy ý nghĩa chung của chất lượng cháy là nhiên liệu có thời gian trễ cháy thích hợp trong động cơ. Một chỉ số xetan cao, vượt quá 48 là cần thiết cho động cơ tốc độ cao nhưng một động cơ tốc độ thấp không đòi hỏi như vậy bởi vì nó đòi hỏi nhiều thời gian cho sự cháy. Ở nhiệt độ không khí cao hơn hay sự trộn không khí vào nhiên liệu kĩ càng hơn sẽ cần nhiên liệu với chỉ số xetan thấp hơn ở cùng một tốc độ. Thật vậy, mối quan hệ giữa tốc độđộng cơ và chỉ số xetan là gần đúng như sau: Tốc độđộng cơ (v/ph) Chỉ số xetan thích hợp > 1500 60 ÷50 1500 ÷ 800 55 ÷45 800 ÷ 400 50 ÷35 400 ÷ 100 40 ÷30 < 100 30 ÷15
Ảnh hưởng của việc sử dụng một nhiên liệu có chỉ số xetan quá thấp là tập trung quá nhiều nhiên liệu trong xilanh trước khi sự cháy xảy ra, như thế một áp lực cao sẽđược hình thành và trở nên nghe thấy “tiếng gõ điezen”.
Những phép thử hoá học và vật lí cho nhiên liệu điezen
Một số phép thử cần thiết cho nhiên liệu điezen như: phép thửđộ tinh khiết (độ sạch), hàm lượng tro, chất sa lắng, hàm lượng nước và hàm lượng asphalt. Hàm lượng tro thấp là rất quan trọng trong việc làm giảm sự hao mòn động cơ. Trong một dầu chưng cất hàm lượng tro không được quá 0,01%. Hàm lượng chất sa lắng và nước phải không có trong dầu, nhưng thực tế hàm lượng nước chỉ cần không vượt quá 0,25%. Các asphalt hay các asphalaten là những chất có thành phần rất phức tạp. Chúng có trọng lượng phân tử lớn và có khuynh hướng bị cháy không hoàn toàn, gây nên cặn cacbon bám vào động cơ. Có hai kiểu asphalt chính. Một kiểu được gọi là asphalt cứng, nó không tan trong ete dầu hoả. Một kiểu khác được gọi là asphalt mềm, nó được kết tủa từ một dung dịch trong ete của dầu khi thêm ancol vào dung dịch đó. Asphalt mềm gần như không gây nên sự khó chịu như asphalt rắn. Các động cơđiezen có thể chạy rất tốt khi trong dầu có chứa hàm lượng cao asphalt mềm. Các động cơ điezen tốc độ rất thấp có thể dùng dầu có chứa từ 4 ÷ 8% asphalt rắn, nhưng các động cơ tốc độ cao thì hàm lượng asphalt rắn phải nhỏ hơn. Với thể tích buồng đốt giới hạn, thời gian cần thiết cho sự cháy là ngắn thì dầu có chứa hàm lượng asphalt rắn > 0,1% là không đảm bảo. Nói chung, các dầu chưng cất cần phải không chứa các vết asphalt mới dùng tốt cho các động cơđiezen.
Để loại các hạt sa lắng hay các hạt asphalt, thường người ta dùng phương pháp lọc. Còn để làm tăng chỉ số xetan của dầu hay làm giảm thời gian trễ cháy người ta thường dùng phụ gia etyl nitrat, C2H5ONO2, iso-amyl nitrat hay axetoperoxit.
Khi thêm các lượng nhỏ từ 1 ÷ 1,5% các chất trên sẽ làm tăng chỉ số xetan lên 23 ÷ 29%. Một điều bất tiện là khi thêm các chất làm tăng chỉ số xetan sẽ làm cho động cơ khó khởi động ởđiều kiện lạnh, vì thế việc sử dụng các phụ gia loại này không được phổ biến.