1.2.3.1. Yêu cầu chung
Những yêu cầu về chất lượng đối với xăng thương phẩm phải xuất phát từ quan điểm của động cơ, theo khía cạnh thiết kế và khía cạnh người sử dụng. Những yêu cầu chủ yếu có thể tóm tắt như sau:
- Bật máy tốt;
* Kỳ nén * Kỳ phát hoả * Kỳ xả I * Kỳ xả II
bugi bugi bugi bugi
lỗ xả
Khe chuyÓn
lỗ hút
DUT.LRCC
- Động cơ hoạt động không bị kích nổ;
- Khởi động nhanh và không gặp khó khăn;
- Không kết tủa, tạo băng trong bộ chế hoà khí;
- Không có nút hơi trong hệ thống nhiên liệu của phương tiện;
- Dầu bôi trơn bị pha loãng bởi xăng ít nhất;
- Trị số octan được phân bố tốt trong khoảng nhiệt độ sôi;
- Hệ thống đầu vào của động cơ phải sạch.
Ngoài ra, những yêu cầu thứ yếu đối với xăng có thể kể tới là: mùi, mầu, ô nhiễm môi trường,...
1.2.3.2.Các chỉ tiêu lý hoá quan trọng
Để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, xăng động cơ phải có các chỉ tiêu hoá lý phù hợp và phải được tiến hành kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu quan trọng liên quan đến những yêu cầu trên. Các chỉ tiêu đó sẽ được phân tích và đề cập trong các mục sau về chất lượng thương phẩm đối với xăng động cơ.
a/Trị số octan [5], [11]
- Khái niệm: trị số octan là một đơn vị đo qui ước dùng để đặc trưng cho khả năng chống kích nổ của nhiên liệu và nó được đo bằng % thể tích của iso-octan (2,2,4 trimetylpentan-C8H18) trong hỗn hợp của nó với n-heptan, tương đương với khả năng chống kích nổ của nhiên liệu thử nghiệm ở điều kiện chuẩn.
(n-heptan qui ước có trị số octan = 0 và iso-octan qui ước có trị số octan = 100).
- Ý nghĩa: nếu trị số octan cao thì khả năng chống kích nổ của nhiên liệu trong động cơ cao. Dựa vào trị số octan người ta chọn nhiên liệu sử dụng phù hợp với động cơ.
Đối với động cơ 4 kỳ ở cuối giai đoạn nén, hỗn hợp nhiên liệu - không khí sẽ được bugi phát tia lửa điện để đốt cháy. Quá trình cháy mặc dù xảy ra rất nhanh (bình thường từ 15 đến 40m/s), nhưng không đồng thời trong toàn bộ xylanh mà cháy lan truyền theo từng lớp, phân chia không gian của xylanh ra làm 2 phần: phía trong ngọn lửa bao gồm các sản phẩm đã cháy và phía ngoài ngọn lửa bao gồm các loại hydrocacbon đang bị oxy hoá sâu sắc ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra các hợp chất trung gian không bền, gây ra các phản ứng chuỗi làm cho các hydrocacbon tự oxy hoá sâu sắc thêm và tự bốc cháy khi mặt lửa chưa lan truyền tới.
DUT.LRCC
Khi tốc độ lan truyền quá lớn (hơn 40m/s), thì quá trình cháy xảy ra gần như đồng thời ngay sau khi tia lửa điện của bugi phát cháy, hiện tượng đó gọi là hiện tượng cháy kích nổ. Hiện tượng cháy kích nổ sẽ gây nên các sóng xung kích va đập mạnh vào xy lanh làm xuất hiện tiếng gõ kim loại khác thường, làm hao tổn công suất động cơ, thiết bị sớm bị hư hỏng...
Như vậy, quá trình cháy trong động cơ bị ảnh hưởng bởi 2 yếu tố: thiết kế chế tạo động cơ và chất lượng nhiên liệu (xăng).
- Xác định chỉ tiêu chống kich nổ:
Chỉ tiêu chống kích nổ được xác định trong động cơ một xylanh CFR (Cooperative Fuel Research) và biểu thị qua trị số octan.
Việc xác định được tiến hành bằng cách cho động cơ chạy trong điều kiện tiêu chuẩn với mẫu xăng cần đo. Trong khi cho động cơ chạy, tỷ số nén được gia tăng cho đến khi xảy ra sự cháy kích nổ.
Khả năng chống kích nổ của xăng được thể hiện qua trị số octan, vì iso-octan được sử dụng như nhiên liệu đối chứng. Iso-octan có tính chống kích nổ cao và n- heptan không có khả năng chống kích nổ, được pha trộn theo một tỷ lệ nhất định. Nếu hỗn hợp đó được dùng để chạy động cơ CFR và sự kích nổ diễn ra ở cùng một tỷ số nén [26] thì trị số octan của mẫu xăng đúng bằng % thể tích iso-octan trong hỗn hợp iso-octan/n-heptan.
- Yêu cầu sử dụng octan:
Về nguyên tắc trị số octan càng cao càng tốt, tuy nhiên phải phù hợp với từng loại động cơ. Đối với các xe đời cũ, tỷ số nén thường rất thấp, thường nằm trong khoảng <7.0 :1, nên yêu cầu trị số octan đối với các loại xe này thấp. Ngày nay, các xe đời mới có tỷ số nén rất cao ở mức 9.0 :1 thậm chí trên 10.0 :1, nên yêu cầu sử dụng trị số octan ở mức cao hơn nhiều.
Quá trình hoạt động của động cơ xăng có những đặc điểm như sau:
+ Nhiên liệu trước khi nạp vào xylanh đã được hóa hơi và hòa trộn với không khí để tạo hỗn hợp cháy;
+ Quá trình cháy của nhiên liệu chỉ được thực hiện khi bugie bật lửa hoặc khi màng lửa lan truyền đến;
DUT.LRCC
+ Khi bugi bật lửa thì quá trình cháy bắt đầu, lúc này hỗn hợp trong buồng cháy được chia thành hai phần gồm phần thứ nhất là khí cháy, phần thứ hai là hỗn hợp của không khí và nhiên liệu chưa cháy (hỗn hợp công tác). Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao với sự có mặt của oxy không khí thì các hydrocacbon của nhiên liệu sẽ bị biến đổi một cách sâu sắc, cụ thể là chúng sẽ bị oxy hoá để tạo thành các hợp chất có khả năng tự bốc cháy khi mặt lửa chưa lan truyền đến (hình 1.2).
Trong trường hợp này, nếu như phần nhiên liệu tự bốc cháy nhiều thì nó sẽ làm tăng áp suất trong buồng cháy một cách đột ngột (hình 1.3) và gây ra những sóng xung kích va đập vào piston, xylanh tạo ra những tiếng gõ kim loại. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cháy kích nổ [5].
Hình 1.4. Hiện tượng cháy kích nổ
Hình 1.5. Sự tăng áp suất đột ngột khi cháy kích nổ [5], [27]
DUT.LRCC
b/Nhiệt độ cất [5], [28]
- Khái niệm: nhiệt độ cất của xăng biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ sôi của nó tại các tỷ lệ phần trăm lấy ra khác nhau.
- Ý nghĩa: xăng là hỗn hợp các hydrocacbon có nhiệt độ sôi khác nhau. Chính vì vậy, xăng không có nhiệt độ sôi cố định mà sôi trong một khoảng nhiệt độ, thường nằm trong khoảng từ 30 210oC. Để đánh giá nhiệt độ sôi của xăng trong phòng thí nghiệm người ta tiến hành chưng cất 100ml xăng và ghi lại các giá trị nhiệt độ sôi đầu, nhiệt độ tại đó thu được 10%, 50%, 90%, 95% lượng xăng đem chưng cất và nhiệt độ sôi cuối. Thành phần cất là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng bay hơi, khả năng tạo áp suất hơi của nhiên liệu.
+ Nhiệt độ sôi đầu và 10% đặc trưng cho tính dễ khởi động, tạo nút hơi và hao hụt của xăng. Nhiệt độ sôi đầu càng thấp càng dễ khởi động, tuy nhiên lượng bay hơi càng lớn do đó dễ tạo ra nút hơi (nghẽn khí) từ cacbuaratơ do đó động cơ sẽ khó nổ hoặc chết máy. Nhiệt độ sôi 10% càng cao thì càng khó khởi động.
+ Nhiệt độ sôi 50% biểu thị tính năng thay đổi tốc độ của máy nhờ nhiên liệu.
Nếu nhiệt độ sôi 50% quá cao (lượng hỗn hợp không khí-xăng đưa vào động cơ nhiều) sẽ không đốt hết nhiên liệu gây nên máy yếu, công suất giảm. Nhiệt độ sôi 50% càng thấp càng tốt, thông thường thì nó từ 90 110oC.
+ Nhiệt độ sôi 90% và sôi cuối biểu thị mức độ bay hơi hoàn toàn. Nhiệt độ này càng cao thì xăng có nhiều phân đoạn nặng, trong quá trình bay hơi tạo ra hỗn hợp
cháy khó khăn, một phần không kịp bay hơi dễ tạo ra cặn làm mài mòn xi lanh động cơ.
c/Áp suất hơi [5], [19]
- Khái niệm: áp suất hơi bão hoà là áp suất sinh ra khi một chất lỏng ở thể cân bằng với hơi của nó tại một nhiệt độ nhất định.
- Ý nghĩa: áp suất hơi là một tính chất lý hoá quan trọng của xăng, ảnh hưởng tới đặc tính khởi động, tạo nút hơi khi hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc ở độ cao. Nếu qui định áp suất hơi quá cao, tuy rằng tăng khả năng khởi động nguội nhưng lại dễ tạo nút hơi trong đường dẫn nhiên liệu, tăng suất tiêu hao nhiên liệu, tăng hao hụt trong tồn chứa, xuất bán.
d/Ăn mòn tấm đồng [5], [15]
DUT.LRCC
*Khái niệm: ăn mòn tấm đồng là đánh giá mức độ ăn mòn của xăng đối với kim loại, phát hiện được bằng phép thử độ mờ xỉn của tấm đồng.
*Ý nghĩa: trong nhiên liệu xăng có chứa các hợp chất gây ăn mòn kim loại (như các hợp chất lưu huỳnh hoạt tính như mercaptan, lưu huỳnh đơn…) mà không bị loại bỏ hết trong quá trình chế biến.
e/Hàm lượng lưu huỳnh tổng [4], [18]
*Khái niệm: là % tính theo khối lượng lưu huỳnh có chứa trong xăng.
*Ý nghĩa: hàm lượng lưu huỳnh là một chỉ tiêu để đánh giá mức độ ăn mòn và độ ô nhiễm môi trường của các sản phẩm xăng dầu nói chung và của xăng nói riêng.
Các hợp chất lưu huỳnh có trong xăng khi đốt cháy sẽ bị oxy hoá thành SO2, SO3, chúng tác dụng với hơi nước tạo thành axit, gây ăn mòn hệ thống ống xả của động cơ. Mặt khác, các hợp chất lưu huỳnh hoạt tính (như mercaptan, lưu huỳnh đơn) là những hợp chất gây ăn mòn rất mạnh đến các phương tiện vận chuyển, bảo quản, hệ thống nạp nhiên liệu của động cơ. Sự có mặt của H2S khi không cháy hết thải ra không khí sẽ gây ô nhiễm môi trường.
Như vậy, hàm lượng lưu huỳnh còn là một chỉ tiêu quan trọng đối với môi trường và ngày càng bị hạn chế sự có mặt trong các sản phẩm dầu mỏ. Hiện nay, ở Việt Nam, hàm lượng lưu huỳnh của xăng RON 92 và RON 95 theo mức Euro II quy định là 500mg/kg (theo TCVN 6776:2013).
f/Hàm lượng nhựa thực tế [5], [16]
*Khái niệm: là phần cặn còn lại sau khi đã làm bay hơi xăng trong điều kiện thử nghiệm xác định.
*Ý nghĩa: các chất nhựa và asphanten của dầu mỏ là những chất mà trong cấu trúc phân tử của nó, ngoài C và H còn có đồng thời các nguyên tố khác như S, O, N... và thường có trọng lượng phân tử rất lớn (từ 500-600 trở lên), vì vậy các chất nhựa và asphanten thường có trong những phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sôi cao hoặc trong cặn dầu mỏ...
g/Độ ổn định oxy hóa [5], [17]
*Khái niệm: là tiêu chí dùng để đánh giá xu hướng tạo nhựa hay là khả năng chống lại các biến đổi hóa học của xăng trong quá trình tồn chứa.
*Ý nghĩa: Trong quá trình bảo quản, vận chuyển và sử dụng, xăng dễ bị oxy hóa bởi
DUT.LRCC
oxy trong không khí và tạo thành các sản phẩm chứa oxy rất đa dạng. Mức độ oxy hóa phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của xăng, cụ thể là thành phần hóa học của xăng.
h/Hàm lượng chì [1], [5], [13]
* Khái niệm: là số gam chì chứa trong một đơn vị thể tích (hay khối lượng) của xăng.
*Ý nghĩa: chì được đưa vào trong xăng dưới dạng hợp chất tetraetyl chì để làm tăng khả năng chống kích nổ của xăng (xăng chì). Tuy nhiên, sự có mặt của chì trong xăng gây ô nhiễm không khí và môi trường. Vì vậy, ngày nay, do các yêu cầu về bảo vệ môi trường, các phụ gia chì đã buộc phải loại bỏ và dùng các loại phụ gia chủ yếu sau pha vào xăng (xăng không chì): metanol, etanol, TBA (tetra-butyl ancol), MTBE (metyl tetra-butyl ete), TAME ...
i/Hàm lượng oxy [5], [22]
Hàm lượng oxy trong xăng của quá trình chưng cất trực tiếp thường rất thấp, tuy nhiên để đảm bảo được các tính chất của xăng thương phẩm đặc biệt là nhằm nâng cao trị số octan người ta thường sử dụng các phụ gia họ oxygen như: metanol, etanol, MTBE, TAME, ETBE…do các phụ gia này có trị số octan khá cao (trên 100). Các hợp chất này sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa của xăng dẫn đến hiện tượng tạo nút hơi khi vận hành động cơ, gây mất mát trong quá trình tồn chứa, vận chuyển, ảnh hưởng đến nhiệt trị của xăng, ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và môi trường sinh thái.
Ngoài ra các hợp chất này còn có khả năng tan vô hạn trong nước nên có thể dẫn đến nhiều hậu quả không tốt. Do vậy mà cần phải khống chế hàm luợng oxy trong xăng.
Theo TCVN 6776:2013, hàm lượng oxy tối đa trong xăng là 2,7% khối lượng.
Bảng 1.1 cho thấy những ưu nhược điểm chung của từng loại chất phụ gia khi sử dụng để cải thiện trị số octan cho xăng không chì.
Bảng 1.1. Ưu nhược điểm chung của từng loại chất phụ gia cho xăng không chì
Loại phụ gia ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM
Methanol - Rẻ - Dễ kiếm
- Dễ tan trong nước
- Làm tăng áp xuất hơi bão hoà - Làm tăng khả năng cháy nổ Ethanol - Có ở từng khu vực - Dễ tan trong nước
- Làm tăng áp xuất hơi bão hoà - Làm tăng khả năng cháy nổ
DUT.LRCC
TBA/Methanol - Dễ kiếm
- Không tạo ra các pha phân cách
- Nhiệt độ chảy mềm cao - Hoà tan nhiều trong nước - Làm tăng áp xuất hơi bão hoà
MTBE - An toàn
- Sẵn có
- Ít hoà tan với nước
- Đắt
- Làm tăng khả năng bay hơi của phân đoạn giữa
- Tạo ra những khí độc hại sau quá trình đốt Phụ gia họ oxygen thường có trị số octan rất cao (trên 100), do vậy chúng có thể thay thế hoàn toàn các chất phụ gia chì.
Lượng tối đa các chất phụ gia họ oxygen được pha vào trong xăng được giới hạn bởi luật pháp. Tiêu chuẩn của cộng đồng chung châu Âu: EC-EN.228 đã quy định giới hạn này, trong đó quy định lượng tối đa các phụ gia có oxy được pha vào trong xăng không vượt quá 2,7% khối lượng hàm lượng oxy, nghĩa là pha khoảng 10% thể tích phụ gia họ oxygen và không chấp nhận pha metanol.
j/Hàm lượng benzen [5], [20]
*Khái niệm: là hàm lượng % thể tích benzen có trong xăng.
*Ý nghĩa: benzen là hợp chất vòng thơm đơn giản nhất, nhưng lại có tính chất đặc biệt của hydrocacbon no, bền vững với các chất oxy hóa nên là một tác nhân tích cực kìm hãm quá trình cháy kích nổ trong động cơ, tăng cường được trị số octan cho xăng. Vì vậy, trong xăng ôtô, đặc biệt đối với xăng không chì, benzen được sử dụng như là một phụ gia chống kích nổ. Nhưng benzen là một chất độc nguy hiểm cho sức khỏe của con người. Vì vậy, người ta phải hạn chế hàm lượng benzen có trong xăng.
k/Hàm lượng olefin [5], [21]
Các olefin là các hydrocacbon không no, alken, bao gồm cả cycloalken và một vài dien, trong nhiều trường hợp cũng là chất tăng trị số octan trong xăng. Tuy nhiên olefin trong xăng có thể dẫn đến sự hình thành cặn và tăng các chất hydrocacbon dễ tham gia phản ứng (ví dụ như chất tạo ozon) và các chất độc.
Do olefin là chất không ổn định nhiệt nên có thể dẫn đến sự tạo nhựa và các chất lắng cặn trong hệ thống nạp nhiên liệu của động cơ. Hơn nữa sự bay hơi của nó vào khí quyển sẽ là những chất dễ phản ứng hoá học nên góp phần vào sự hình thành
DUT.LRCC
ozon. Các sản phẩm cháy của olefin tạo nên những chất độc góp phần gây ô nhiễm môi trường.
Theo TCVN 6776:2013, hàm lượng olefin tối đa trong xăng là 38% thể tích.
l/Hàm lượng hydrocacbon thơm [5], [21]
Các chất aromatic là những phân tử có chứa ít nhất một vòng benzen. Nhìn chung, các chất aromatic là những thành phần tăng trị số octan tốt của xăng và là những phần tử nhiên liệu tạo mức năng lượng cao. Tuy nhiên, lượng aromatic có trong xăng có thể làm tăng các chất cặn và lượng khí thải, kể cả CO2.
Khi nhiên liệu có chứa aromatic bị đốt cháy trong động cơ thì có thể tạo ra benzen là chất gây ung thư và làm tăng sự lắng cặn trong buồng đốt của động cơ và nó cũng có thể làm tăng lượng khí thải. Nếu khống chế được lượng aromatic trong xăng với hàm lượng thấp thì có thể làm giảm đáng kể khí thải có benzen.
m/Hàm lượng kim loại [5], [24]
Trong dầu mỏ có một số rất ít kim loại như Fe, Mn, nên khi sản xuất và chế biến dầu mỏ thành xăng thành phẩm còn tồn tại hàm lượng kim loại nhưng rất ít.
Ngoài ra khi áp dụng tiêu chuẩn cho xăng không chì (hàm lượng chì 0.013g/l) thì không được dùng tetraetyl chì pha vào trong xăng để tăng trị số octan. Vì vậy các nhà máy lọc dầu phải pha thêm một số họ phụ gia gốc kim loại chứa Mn và Fe và phụ gia này nằm ở dạng hợp chất cơ kim.
n/Tỷ trọng ở 15oC [5], [23]
- Khối lượng riêng hay tỷ trọng của xăng là tỷ số giữa khối lượng của vật và thể tích chúng. Chỉ tiêu này cho ta biết mức độ nặng nhẹ của cùng một đơn vị thể tích giữa các vật.
- Tỷ trọng 15oC của xăng là khối lượng của một đơn vị thể tích của xăng ở 15oC trong điều kiện chân không (không có không khí)
- Tỷ trọng được dùng để tính toán, chuyển đổi giữa thể tích và khối lượng, để chuyển đổi thể tích ở nhiệt độ này sang thể tích ở nhiệt độ khác.
- Tỷ trọng còn là yếu tố quan trọng để chúng ta xác định lượng nhiên liệu nặng lẫn vào trong nhiên liệu có tỷ trọng thấp. Cụ thể là ta có thể dựa vào tỷ trọng của xăng để xác định các loại nhiên liệu nặng khác lẫn vào trong xăng.
o/Cảm quan và màu sắc
DUT.LRCC