1. Giới thiệu chung.
Nhiên liệu dùng cho động cơxăng được gọi là xăng, đây là một hỗn hợp chứa nhiều các hợp chất khác nhau. Khi nghiên cứu vềthành phần hố học của dầu mỏ,
phân đoạn dầu mỏnĩi chung hay của xăng thương phẩmnĩi riêng người ta thường chia thành phần của nĩ thành hai nhĩmchất chủyếu đĩ là các hợp chất hydrocacbon và các hợp chất phi hydrocacbon.
Nhiên liệu cho động cơxăng là một sản phẩmquan trọng của nhà máy lọc dầu, nĩ đã trởthành một mặt hàng quen thuộc trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng nhưhoạt động sản xuất trong cơng nghiệp.
Động cơ xăng ra đời sớm hơn động cơDiesel (được phát minh ra đồng thời ởPháp và Đức vào khoảng 1860), nĩ đã phát triển mạnh mẻtừsau những năm50 của thếkỷtrước. Với nền cơng nghiệp chếtạo ơ tơ hiện đại như ngày nay đã cho ra đời nhiều chủng loại với cơng suất khác nhau và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người.
Cùng với sựgia tăng vềsốlượng động cơxăng, nhu cầu vềxăng nhiên liệu ngày càng tăng nhanh, điều này đã mang đến cho các nhà sản xuất nhiên liệu những cơhội và cảnhững thách thức mới, bởi trong thực tế, bên cạnh những lợi ích mà động cơnày mang lại cho con người thì đồng thời nĩ cũng thải ra mơi trường một lượng lớn các chất độc hại làm ảnh hưởng đến sức khoẻvà cảmơi trường sinh thái.
Vì vậy xăng thương phẩm bắt buộc phải bảo đảm được các yêu cầu khơng những liên quan đến quá trình cháy trong động cơ, hiệu suất nhiệt màcịn phải bảo đảm các yêu cầu vềbảo vệmơi trường.
Thơng thường xăng thương phẩm cần đạt được các yêu cầu cơbản nhưsau: - Khởi động tốt khi đang ởnhiệt độthấp.
- Động cơhoạt động khơng bịkích nổ.
- Khơng kết tủa, tạo băng trong bình chứa và cả trong bộ chế hồ khí. - Khơng tạo nút hơi trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.
- Dầu bơi trơn bị pha lỗng bởi xăng là ít nhất.
- Trị số octan ít bị thay đổi khi thay đổi tốc độ động cơ. - Các chất độc hại thải ra mơi trường càng ít càng tốt. 2. Thành phân hố học của nhiên liệu xăng.
2.1. Giới thiệu chung vềthành phần hố học của xăng.
Xăng thương phẩm khơng phải là sản phẩm của một quá trình nào đĩ trong nhà máy lọc dầu mà nĩ là một hỗn hợp được phối trộn cẩn thận từ một sống uồn khác nhau, kết hợp với một sốphụgia nhằm đảm bảo các yêu cầu hoạt động của động cơ
trong những điều kiện vận hành thực tế và cả trong các điều kiện vận chuyển, tồn chứa và bảo quản khác nhau.
Thành phần hố học chính của xăng là các hydrocacbon cĩ sốnguyên tử từ C4÷C10
thậm chí cĩ cả các hydrocacbon nặng hơn như C11, C12 và cả C13. Ngồi ra trong thành phần hố học của xăng cịn chứa một hàm lượng nhỏcác hợp chất phi hydrocacbon của lưu huỳnh, nitơvà oxy.
Với số nguyên tử cacbon như trên, trong thành phần của xăng chứa đầy đủ cả ba họ hydrocacbon và hầu như các chất đại diện cho các họ này đều tìm thấy trong xăng. Mặc dù trong thành phần của dầu mỏban đầu khơng cĩ các hợp chất khơng no như olêfin nhưng trong quá trình chế biến đã xãy ra quá trình cắt mạch hình thành nên các hợp chất đĩi này, do đĩ trong thành phần hố học của xăng thương phẩm cịn cĩ mặt các hợp chất đĩi.
2.2. Thành phần hố học của xăng.
Khi nghiên cứu về thành phần hố học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nĩ thì người ta thường chia thành phần chúng ra làm hai phần chính là hydrocacbon và phi hydrocacbon.
2.2.1. Thành phần hydrocacbon của xăng. Họ parafinic
Cơng thức hĩa học chung là CnH2n+2, bao gồm các chất cĩ sốnguyên tửnhư đã nêu trên, chúng tồn tại dưới 2 dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch phân nhánh (iso- parafin), với các iso-parafin thì mạch chính dài, mạch nhánh ngắn, chủyếu là gốc metyl.
Olefin
Các hydrocacbon olefine cĩ cơng thức chung là CnH2n, được tạo thành từcác quá trình chuyển hĩa, đặc biệt là quá trình cracking, giảm nhớt, cốc hố . . . Các olefine này cũng bao gồmhai loại n-parafin và iso-parafin.
Họ naphtenic
Hydrocacbon naphteniclà các hydrocacbon mạch vịng no với cơng thức chung là: CnH2nvà các vịng này thường 5 hoặc 6 cạnh, các vịng cĩ thểcĩ nhánh hoặc khơng cĩ nhánh, hàmlượng của họnày chiếm một sốlượng tương đối lớn, trong đĩ các hợp chất đứng đầu dãy thường ít hơn các đồng đẳng của nĩ, những đồng phân này thường cĩ nhiều nhánh và nhánh lại rất ngắn chủyếu là gốc metyl (-CH3)
Các hợp chất này trong xăng thường chiếm một hàm lượng nhỏnhất trong ba họvà các hợp chất đầu dãy cũng ít hơn các hợp chất đồng đẳng của nĩ.
2.2.2. Thành phần phi hydrocacbon của xăng.
Trong xăng, ngồi các hợp chất hydrocacbon kểtrên cịn cĩ các hợp chất phi hydrocacbon nhưcác hợp chất của O2, N2, S. Trong các hợp chất này thì người ta quan tâmnhiều đến các hợp chất của lưu huỳnh vì tính ăn mịn và ơ nhiễm mơi trường.
Trong xăng, S chủyếu tồn tại ởdạng mercaptan (RSH), hàmlượng của nĩ phụthuộc vào nguồn gốc của dầu thơ cĩ chứa ít hay nhiều lưu huỳnh và hiệu quảquá trình xửlý HDS.
Các hợp chất của các nguyên tửkhác cĩ hàmlượng chủyếu ởdạng vết, trong đĩ nitơtồn tại chủyếu ởdạng pyridin cịn các hợp chất của oxy thì rất ít và chúng thường ởdạng phenol và đồng đẳng.
2.3. Xăng sinh học. 2.3.1. Giới thiệu chung.
Xăng sinh học được sản xuất từ đường (mía, củ cải đường…) và tinh bột của nơng phẩm (bắp, lúa mì, lúa…) hay từ củ (khoai tây, khoai mì…) để tạo etanol,…Etanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử cácbon, cĩ cơng thức C2H5OH, cĩ thểsản xuất theo phương pháp hĩa học từnguyên liệu etan hoặc etylen. Trên thực tếetanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học. Khi đĩ sản phẩm etanol được gọi là cồn sinh học hay bioetanol. Bioetanol (sau đây gọi tắt là etanol) đã được sửdụng rộng rãi làm nhiên liệu cho ngành giao thơng và cĩ thểthay thế hồn tồn xăng trong động cơ ơ tơ. Cơng nghệchiếm ưu thếhiện nay là chuyển hĩa sinh khối thành etanol thơng qua lên men rượu rồi chưng cất. Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hĩa sinh hĩa học. Sinh khối sẽbịmen của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy. Phương pháp lên men cĩ thểáp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác
nhau.Etanol cĩ thểlàm phụgia cấp oxy cho xăng (nồng độ3%) giảm phát thải khí CO đồng thời làm phụgia thay thếchì tetraetyl, hoặc cũng cĩ thể thành nguyên liệu sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng. Etanol cịn được dùng làm yếu tốtăng chỉsốoctan cho xăng và qua đĩ giảm nổvà cải thiện tiếng ồn động cơ.
2.3.2. Xăng sinh học trong động cơ đốt trong.
Chỉsốoctan ởetanol cao nên rất thích hợp với hệđánh lửa động cơ đốt trong của ơ tơ, song chỉ số xetan thấp nên khơng thích hợp lắm với động cơ diezel. Giải pháp kỹthuật đối với điều này là người ta sẽ đưa vào nhiên liệu này một lượng nhỏdầu diezel hoặc là sửdụng phụgia.
Chỉsốoctan của etanol cao hơn xăng nên cĩ tác dụng giảm tiếng ồn động cơ tốt hơn, hơn nữa etanol chứa oxy nên hiệu quảnhiên liệu ởđộng cơ được cải thiện hơn.Pha trộn với tỉlệhợp lý giữa etanol và xăng sẽlàm tăng hiệu quảđộng cơ xe. Các loại xe chạy nhiên liệu xăng pha etanol được gọi là xe chạy nhiên liệu gasohol. Thơng thường gasohol cĩ tỉlệpha trộn 10% etanol 90% xăng khơng pha chì (E10). Nếu xe được cải thiện bộphận đánh lửa ởđộng cơ, cĩ thểchạy với nhiên liệu gasohol E85 (85% etanol và 15% xăng). Đa sốcác loại xethiết kế ởMỹhiện nay cĩ thểchạy nhiên liệu tùy ý cảE85 lẫn chạy hồn tồn xăng (E0). Dùng gasohol cĩ tỷlệpha trộn từ10 -30% etanol vào xăng thì khơng cần cải tiến động cơ xe.
Lực kéo và cơng suất của ơ tơ khi thử nghiệm xăng E5 ở các chế độ chân ga đều tăng so với xăng A92. Chênh lệch cơng suất cĩ xu hướng tăng dần từ 0,69% đến 5.79% theo mức độ giảm vị trí chân ga từ 100% về 25%. Nguyên nhân do gĩc đánh lửa phù hợp vơi lọai xăng E5 ở các chế độ tải nhỏ và tải trung bình, nên cơng suất khi dùng xăng E5 tăng đơi chút so với xăng A92.
Xăng E5 cĩ tỉ trọng và độ nhớt lớn hơn xăng A92, nên thời gian tăng tốc của xăng E5 dài hơn chút ít so với xăng A92. Thành phần khí xả CO khi ơ tơ sử dụng xăng E5 giảm mạnh đến 37.94 % .Tại các thời điểm ơ tơ giảm tốc độ 35km/h về 0km/h và thực hiện cắt ly hợp để chuyển từ tay số 2 về số 1 thành phần CO rất cao, nhưng CO của xăng E5 tăng thấp hơn xăng A92. Hơn nữa xăng E5 cĩ 5% cồn (C2H5OH ), sự hiện diện của ơ xy làm tăng khả năng đốt cháy hồn tồn Carbon của nhiên liệu thành khí CO2 điều này dẫn đến thành phần CO giảm mạnh. Thành phần khí xả HC khi ơ tơ sử dụng xăng E5 giảm đến 8.66 %.Thành phần khí xả CO2 khi ơ tơ sử dụng xăng E5 giảm 1.80% là khơng đáng kể. Thành phần khí xả NOx khi ơ tơ sử dụng xăng E5 tăng nhẹ 5.24%, tại các thời điểm ơ tơ tăng số và tăng tốc tối đa để đạt 50km/h thành phần NOx của cả hai loại nhiên liệu đều tăng, lúc này hỗn hợp cháy ở nhiệt độ khá cao, đồng thời trong thành phần hĩa học của xăng E5 cĩ sự hiện diện của O2 (C2H5OH) sẽ làm tăng thêm thành phần NOx.