XĂNG và ĐỘNG cơ sử DỤNG XĂNG

Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HÓA HỌC
****************
SEMINAR MÔN HÓA HỌC DẦU MỎ

ĐỀ TÀI: XĂNG VÀ ĐỘNG CƠ
SỬ DỤNG XĂNG

GVHD: TS. Nguyễn Thị Phương Phong.
SVTH: Trần Giang Nam

0814126.

Ngyễn Thị Kim Tuyết

0814247.

Trịnh Thị Xuân

0814268.

TP HCM, Tháng 11 năm 2011
1


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”

Mục Lục

GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................1
I.1 Xăng là gì?...............................................................................................................1
I.2 Động cơ xăng...........................................................................................................1
II TÌM HIỂU CHI TIẾT....................................................................................................1
II.1 Tìm hiểu về xăng.....................................................................................................1
II.1.1 Phân loại.......................................................................................................1
a) Trên thế giới.....................................................................................2
b) Ở Việt Nam......................................................................................2
II.1.2 Thành phần xăng thương phẩm...................................................................2
a) Xăng chưng cất trực tiếp..................................................................3
b) Xăng chế biến thứ cấp......................................................................3
II.1.3 Chỉ tiêu chất lượng của xăng.......................................................................4
a) Khả năng chống kích nổ..................................................................4
b) Độ bốc hơi tốt..................................................................................5
c) Độ ổn định hóa học cao...................................................................7
d) Không bị đông đặc...........................................................................7
II.1.4 Các phương pháp nâng cao chất lượng của xăng.........................................7
a) Phương pháp dùng phụ gia..............................................................7
b) Phương pháp hóa học.......................................................................8
II.1.5 Ứng dụng của xăng......................................................................................9
a) Xăng làm nguyên liệu......................................................................9
b) Xăng làm dung môi..........................................................................9
c) Xăng làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu...................................9

Xăng sinh học...........................................................................................10
II.2 Tìm hiểu về động cơ..............................................................................................10
II.2.1 Phân biệt động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong....................................10
a) Động cơ đốt ngoài..........................................................................12
b) Động cơ đốt trong..........................................................................13
II.2.2 Phân loại động cơ đốt trong.......................................................................13

II.2.3 Phân biệt động cơ dốt trong hai thì và bốn thì...........................................15
a) Động cơ hai thì...............................................................................17
b) Động cơ bốn thì.............................................................................20
II.2.4 Ứng dụng của động cơ xăng......................................................................20
III KẾT LUẬN..................................................................................................................21
IV TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................21
I

XĂNG VÀ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG
2


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
I

GIỚI THIỆU CHUNG:
I.1

•
•

Xăng là gì?

Xăng là tập hợp các hyđrocacbon có nhiệt độ sôi cao (thường là C5 đến C11), dễ bay hơi, dễ bốc
cháy, được chưng cất từ dầu mỏ. Xăng được sử dụng như một loại nhiên liệu, dùng để làm chất
đốt cho các loại động cơ xăng.
Xăng được chế biến từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất trực tiếp và cracking, dễ bay hơi, dễ
cháy, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35-200˚C. Xăng động cơ được dùng làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong, kiểu bộ chế hòa khí (động cơ xăng).
I.2

Động cơ xăng:

•

Động cơ xăng hay động cơ Otto (lấy theo tên của Nikolaus Otto) là một dạng động cơ đốt trong,
thông thường được sử dụng cho ô tô, máy bay, các máy móc di động nhỏ như máy xén cỏ hay xe
máy cũng như làm động cơ cho các loại thuyền và tàu nhỏ.

•

Nhiên liệu của của các động cơ xăng là xăng. Phổ biến nhất của động cơ xăng là động cơ bốn thì.
Việc đốt cháy nhiên liệu được diễn ra trong buồng đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt mở
theo chu kỳ. Nơi đánh lửa là bugi có điện áp cao. Động cơ hai thì cũng được sử dụng trong các
ứng dụng nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ tiền hơn nhưng nó không hiệu quả trong việc sử dụng nhiên
liệu.

•

Động cơ Wankel cũng sử dụng xăng làm nhiên liệu. Nó khác với động cơ bốn thì hay động cơ
hai thì ở chỗ nó không có pittông mà sử dụng rôto.

•

Một trong những thành phần của các động cơ xăng cũ là bộ chế hòa khí (còn gọi là bình
cacbuarato), nó trộn xăng lẫn với không khí. Trong các động cơ xăng sau này, nó đã được thay
bằng việc phun nhiên liệu.

•
-

Các loại động cơ sử dụng xăng:
Xe gắn máy.
Ô tô.
Máy bay.
Máy phát điện.
II

TÌM HIỂU CHI TIẾT:
II.1

Tìm hiểu về xăng:
II.1.1

Phân loại:

3


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Người ta dựa trên một số đặc điểm cơ bản nhất của động cơ như tỷ số nén, thể tích xylanh và
hành trình của pít tông…mà các nhà máy lọc dầu đã sản xuất ra nhiều loại xăng tương ứng. Để
phân biệt các loại xăng thương phẩm dùng cho ôtô và xe gắn máy, người ta phân loại chúng theo
trị số octan. Sau đây, ta sẽ xem xét về sự phân loại xăng ôtô được sử dụng ở nước ta và các nước
trên thế giới.
a) Trên thế giới:

-

-

Xăng ô tô và xe gắn máy thường được chia làm 3 loại: xăng thường, xăng cao cấp và xăng
đặc biệt.
• Xăng thường:
Xăng thường có trị số octan theo RON, từ 92 trở xuống và được sử dụng cho các loại động
cơ xe máy, xe ôtô tải có tỷ trọng nén từ 7 - 8.5. Tuy nhiên theo tiêu chuẩn từng nước ở các khu
vực khác nhau mà loại xăng này được chia làm hai nhóm:
Loại xăng thường có trị số octan RON 90 - 92 được sản xuất ở Mỹ, Nhật, Canada và các nước
Tây Âu (Pháp, Bỉ, Đức, Anh, Hà Lan…) chủ yếu là từ những năm 70 trở lại đây.
Loại xăng thường có trị số octan RON 80 - 86 được sản xuất ở Liên Xô (cũ), ở các nước Đông
Âu (Bungari, Hungari, Balan, Rumani), các nước châu Á như Trung Quốc, Singapo, Đài Loan,
Thái Lan, Ấn Độ…, ở Châu Phi, Mỹ Latinh và Úc.
• Xăng cao cấp (super):
Loại xăng có trị số octan RON từ 93 -100, được sử dụng cho tất cả các loại xe máy và xe ôtô
du lịch đời mới nhất, có tỷ số nén từ 8.8 đến 10.
Tuỳ theo khu vực và được chia thành hai nhóm:
Xăng super có trị số octan RON từ 98 - 100, được sản xuất ở Mỹ, Nhật, Canada và các nước Tây
Âu……) chủ yếu là từ những năm 70 trở lại đây.
Xăng super có trị số octan RON từ 93 - 98, được sản xuất ở Liên Xô (cũ), các nước Đông Âu
(Bungari, Hungari, Balan, Rumani), các nước châu Á (Trung Quốc, Singapo, Đài Loan, Thái
Lan, Ấn Độ…), ở Châu Phi, Mỹ Latinh và Úc.
• Xăng đặc biệt (xăng thượng hạng):
Xăng đặc biệt là loại xăng có chất lượng cao hơn xăng cao cấp. Ví dụ: xăng thượng hạng của
Mỹ, xăng 5 sao của Anh. Loại xăng này có trị số octan RON rất cao 101 – 103 dùng cho các loại
xe có tỷ số nén trên 10.
b) Ở Việt Nam:

•
•
•

Xăng thường: Thị trường Việt Nam có xăng MOGAS 83 (M83) có mùi đặc trưng, màu vàng,
được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén 8/1, có trị số octan là 83. Hiện xăng này ít được sử
dụng trên thị trường.
Xăng chất lượng cao:
Thị trường Việt Nam có xăng MOGAS 92 (M92) có mùi đặc trưng, màu xanh lá, được sử dụng
cho phương tiện có tỉ số nén 9,5/1, có trị số octan là 92.
Thị trường Việt Nam có xăng MOGAS 95 (M95) có mùi đặc trưng, màu vàng, được sử dụng cho
phương tiện có tỉ số nén trên 9,5/1 như các xe hơi đời mới, xe đua,...có trị số octan là 95.
Xăng đặc biệt: thị trường Việt Nam không có loại xăng này.

4


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
II.1.2

Thành phần xăng thương phẩm:

Trong các nhà máy lọc dầu, các phân đoạn sản phẩm nhẹ có nhiệt độ sôi đầu (initial boiling
point – IBP) khoảng 40 – 50 0C tới nhiệt độ sôi cuối (final boiling point – FBP) khoảng 190 –
200 0C tách từ các tháp chưng cất dầu thô đều là các phân đoạn xăng thô (naphta) và được dung
pha trộn cùng các xăng khác (xăng cracking, xăng reforming, xăng alkylat…) thành xang thương
phẩm. Chất lượng của xăng thương phẩm phụ thuộc vào tính chất của các loại xăng đó.
a) Xăng chưng cất trực tiếp:

Xăng chưng cất có độ bay hơi tốt vì chứa nhiều thành phần nhẹ có độ ổn định hóa học cao, ít
biến chất khi tồn chứa, nhưng khi đốt trong động cơ dễ bị kích nổ do trị số octsn của xăng chưng
cất thấp (RON khoảng 55 – 70).
Xăng chưng cất không thể sử dụng trực tiếp làm xăng thương phẩm mà cần được pha chế với

các loại xăng khác hoặc thêm chất phụ gia để tăng chất lượng xăng.
b) Xăng chế biến thứ cấp (chế biến sâu):

Chế biến thứ cấp tạo ra nhiều loại sản phẩm có chất lượng cao nhờ ứng dụng các hệ xúc tác
ngày càng cải tiến và hoàn chỉnh về mặt nguyên liệu: xăng reforming, xăng cracking, xăng alkyl
hóa, xăng đồng phân hóa v.v…
•

Xăng reforming là sản phẩm của công nghệ reforming xúc tác. Loại xăng này có chất lượng tốt,
có trị số octan rất cao (RON khoảng 90 – 102), có tính ổn định hóa học, ít biến chất khi tồn chứa.

•

Xăng cracking xúc tác (FCC) là sản phẩm thu được từ quá trình cracking xúc tác, có chất lượng
cao hơn hẩn cracking nhiệt nhưng thấp hơn xăng reforming (RON khoảng 87 – 93).

•

Xăng hydrocracking là sản phẩm của công nghệ cracking trong khí quyển hydro. Loaị xăng này
có MON khoảng 73 -76, có tính ổn định chống oxy hóa tốt, dung pha chế xăng máy bay. Loại
xăng hydrocracking nhẹ (IBP = 85 0C) có MON khoảng 80 – 82 dùng pha chế xăng thương
phẩm.

•

Xăng alkyl hóa ( xăng alkylat) thu được nhờ dây chuyền alkyl xúc tác, có RON khoảng 92 – 98
hoặc 89 – 94 tùy thuộc thành phần nguyên liệu sử dụng.

•

Xăng đồng phân hóa thu được nhờ công nghệ đồng phân các hydrocacbon mạch thẳng thành
mạch nhánh với trị số octan (RON) khoảng 82 – 90 tùy thuộc nguyên liệu sử dụng.

•

Xăng polymer hóa có RON khoảng 94 – 97 và MON khoảng 82 – 84. Tuy có trị số octan cao
nhưng xăng polymer hóa tính polymer hóa tính ổn định hóa học thấp, dễ bị biến chất.
Trong các loại xăng chế biến sâu kể trên, phổ biến nhất là xăng reforming, xăng cracking xúc
tác và xăng alkylat. Các loại xăng thu được từ chế biến sâu thường có trị số octan cao nhưng có
độ bay hơi kém vì chứa ít thành phần nhẹ.
5


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Vì vậy, người ta thường pha chế hai loại xăng chế biến sâu và chưng cất trực tiếp với nhau
để tạo ra xăng thương phẩm có chất lượng theo nhu cầu thị trường. Chẳng hạn như ở xứ lạnh, để
tăng độ bay hơi, xăng được pha thêm n – butan (n - C4H10).
II.1.3

Chỉ tiêu chất lượng của xăng:

Xăng là nhiên liệu cho động cơ đốt trong có bộ chế hòa khí (còn gọi là động cơ xăng) được
lắp đặt cho ô tô và xe máy. Động cơ xăng có những đặc điểm quan trọng sau:
a) Khả năng chống kích nổ:
•

•

•

•

•
•

Một trong những tính chất quan trọng nhất của xăng đó là khả năng chống lại sự cháy kích nổ.
Đặc trưng đó gọi là trị số octan. Trị số octan là một đơn vị đo quy ước đặc trưng cho khả năng
chống kích nổ của nhiên liệu, được đo bằng phần trăm thể tích của iso-octan (2,2,4 –
trimetylpentan) trong hỗn hợp chuẩn với n-heptan (n – C 7H14), tương đương với khả năng chống
kích nổ của nhiên liệu ở điều kiện tiêu chuẩn. Sử dụng thang chia từ 1-100, trong đó n-heptan có
trị số octan bằng 0 và iso-octan được quy ước bằng 100.
Có hai phương pháp để xác định trị số octan : phương pháp nghiên cứu (gọi là trị số octan theo
RON) và phương pháp môtơ (gọi là trị số octan theo MON). Điểm khác nhau của 2 phương pháp
chủ yếu là do số vòng quay của môtơ thử nghiệm.
Theo RON : số vòng quay của môtơ thử nghiệm là 600 vòng/phút. Thể hiện đặc tính cho động cơ
hoạt động trong thành phố, tốc độ thấp lại hay tăng giảm đột ngột.
Theo MON : số vòng quay của môtơ thử nghiệm là 900 vòng/phút. đặc tính cho động cơ hoạt
động trên xa lộ, tốc độ cao, đều đặn hoặc chuyên chở nặng.
Thông thường trị số octan theo RON thường cao hơn MON. Mức chênh lệch đó phản ánh ở một
mức độ nào đó tính chất của nhiên liệu thay đổi khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi, cho
nên mức chênh lệch đó còn gọi là độ nhạy của nhiên liệu ứng với chế độ làm việc thay đổi của
động cơ. Mức chênh lệch giữa MON và RON càng thấp càng tốt.
Mỗi loại xăng khác nhau có khả năng chống kích nổ cũng khác nhau. Người ta thấy rằng: các
hydrocacbon phân tử nhỏ như parafin mạch nhánh, các acromat chỉ thấy được sau khi điểm hỏa,
có nghĩa là loại này có khả năng chống kích nổ tốt. Các n-parafin dễ dàng cháy ngay cả khi mặt
lửa chưa lan truyền tới, gây ra sự cháy kích nổ.
Có thể sắp xếp khả năng chống kích nổ của các hydrocarbon như sau:
Hydrocacbon thơm > olefin mạch nhánh > parafin nhánh > naphten có nhánh > olefin mạch
thẳng > naphten > parafin mạch thẳng ngắn > parafin mạch thẳng dài.
Như vậy: xăng chứa càng nhiều hydrocacbon thơm hoặc iso-parafin thì trị số octan càng cao.

 Trị số octan trên đường:

Khả năng chống kích nổ của một loại nhiên liệu nào đó, ngoài sự phụ thuộc chủ yếu vào
thành phần hydrocacbon còn phụ thuộc vào chế độ làm việc thực tế của động cơ, tức là xe đang
chạy ở tốc độ nhanh sang tốc độ chậm, ở những nơi đường xấu phải phanh gấp, thời tiết thay đổi
đột ngột…thì hiện tượng cháy kích nổ có thể xảy ra. Do vậy ngoài việc đánh giá khả năng chống
kích nổ của hydrocacbon trong nhiên liệu bằng phương pháp MON hoặc RON, còn phải đánh giá

6


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
khả năng chống kích nổ của nhiên liệu bằng phương pháp đo sự thay đổi trị số octan theo chế độ
làm việc, tức là theo sự khác nhau về số vòng quay của động cơ, gọi là trị số octan trên đường.
Trị số octan trên đường (kí hiệu là Ođ)
Ođ = RON - S2/a
Trong đó :
- S là độ nhạy, tính bằng hiệu số giữa MON và RON.
- a là hệ số (từ 4.6 ÷ 6.2) phụ thuộc vào tỉ số nén của động cơ.
Rõ ràng, loại nhiên liệu nào có độ nhạy càng thấp (chênh lệch giữa MON và RON ít), thì O đ
càng gần với RON. Nếu hai loại hydrocacbon có cùng RON như nhau, nhưng loại nào có độ
nhạy càng thấp sẽ có khả năng chống kích nổ càng cao khi làm việc trong chế độ làm việc thay
đổi khác nhau, vì vậy iso-parafin có nhiều ưu điểm hơn so với các olefin và hydrocacbon thơm.
 Trị số octan theo phân đoạn cất R-100oC:

Xăng bao gồn nhiều thành phần có sự khác biệt lớn về khả năng chống kích nổ. Thường thì
các thành phần có nhiệt độ sôi thấp (ngoại trừ iso-pentan, benzen) có trị số octan thấp so với
xăng nói chung.
Trong một số chế độ làm việc của động cơ, có xảy ra sự chia tách xăng bị hóa hơi trong động
cơ, dẫn đến xylanh được nạp nhiều thành phần có nhiệt độ sôi thấp, bốc hơi nhanh nhưng lại

thiếu hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao (có khả năng chống kích nổ cao hơn). Hiện tượng này dẫn
tới sự kích nổ khi gia tốc và tốc độ khởi điểm thấp, lý do là khi động cơ làm việc ở chế độ này,
lượng xăng đưa vào xylanh ít và dẫn đến có phần lớn cấu tử có nhiệt độ sôi thấp, vốn có trị số
octan thấp trong xăng. Sự cháy kích nổ này không gây ra bất kì mối nguy hiểm nào và người tiêu
dùng có thể nhận ra ngay.
Phương pháp xác định R-100oC: Chưng cất mẫu và xác định RON của phần chưng cất có
khoảng nhiệt độ sôi từ đầu đến 100oC. Đối với xăng thương phẩm, R-100oC luôn nhỏ hơn RON.
Sự cách biệt giữa RON và R-100oC gọi là ΔRON, giá trị này thường dao động trong khoảng từ
4-12.
Đối với xăng reforming xúc tác, trị số octan phân bố không đồng đều do các hydrocacbon
thơm, là các cấu tử có trị số octan cao hầu như năm ở phần có nhiệt độ sôi cao nên ΔRON
thường cao. Còn xăng cracking xúc tác do chứa nhiều iso-parafin nên chênh lệch ΔRON thấp, có
nghĩa là trị số octan phân bố rất đồng đều trong các khoảng nhiệt độ sôi của xăng.
b) Độ bốc hơi tốt:
•
-

•

Tính bay hơi của xăng được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
Thành phần điểm sôi.
Áp suất hơi bão hòa Reid.
Tỷ trọng hay khối lượng riêng.
Động cơ xăng luôn có bộ chế hòa khí còn gọi là bình xăng con là bộ phận chuẩn bị xăng trước
khi đưa vào xylanh. Ở đây xăng qua giai đoạn phun thành bụi sương, bốc hơi và hòa trộn với
không khí theo một tỉ lệ xác định tùy thuộc lượng xăng đưa vào, sau đó hỗn hợp hơi xăng và
không khí sẽ phân phối nạp vào xylanh của động cơ. Trong khi đó ở động cơ diesel, nhiên liệu
được phun thẳng dưới dạng lỏng trực tiếp vào xylanh của động cơ.

7

Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
 Thành phần điểm sôi:

•

•
•
•

•

Chỉ tiêu này được xác định trong dụng cụ chưng cất đã tiêu chuẩn hóa. Đối với xăng cần xác
định các điểm sôi sau:
Điểm sôi đầu (tsđ hay IBP) và điểm sôi 10%V: Đặc trưng cho khả năng gây nghẽn hơi và hao hụt
tự nhiên. Điểm sôi đầu thấp hơn quy định càng nhiều thì xăng càng dễ hao hụt, dễ sinh nghẽn
khí. Điểm sôi 10% cao hơn quy định càng nhiều càng khó khởi động máy. Đối với ô tô việc khởi
động máy có liên quan tới nhiệt độ không khí và t10%V theo công thức kinh nghiệm sau:
tmin = ½ t10%V – 50,5
Trong đó:
- tmin : nhiệt độ tối thiểu của không khí mà động cơ có thể khởi động.
- t10%V : độ cất 10%
Điểm sôi 50%V: biểu thị khả năng thay đổi tốc dộ của máy. Nếu quá cao, khi tăng tốc, lượng hơi
xăng vào máy nhiều nhưng đốt cháy không kịp do khó bốc hơi, lâu ngày sẽ làm máy yếu, điều
khiển khó khăn.
Điểm sôi 90%V và điểm sôi cuối (t sc hay FBP) biểu thj độ bay hơi hoàn toàn của xăng. Nếu điểm
sôi này quá lớn, xăng khó bay hơi hoàn toàn gây ra hiện tượn pha loãng dầu nhờn, làm máy dễ bị
mài mòn và lãng phí nhiên liệu.
Theo cơ sở trên, các loại xăng phải có độ bay hơi thích hợp. Theo quy định điểm sôi đầu không

dưới 35 – 40 oC. Để có thể dễ dàng khởi động khi động cơ còn nguội, yêu cầu xăng ở 60 - 70 oC
phải bốc hơi được 10% thể tích, để dễ dàng đưa động cơ vào chế độ chạy ổn định hoặc tăng tốc,
yêu cầu xăng ở 115 -120oC phải bốc hơi được 50% thể tích, để xăng cháy hết hoàn toàn trong
động cơ, yêu cầu xăng ở 180 -190 oC phải bốc hơi được 90% thể tích và ở 195 - 200 oC phải bốc
hơi hết toàn bộ.
Xăng quá nhiều phần nhẹ nghĩa là ở nhiệt độ thấp hơn 60 oC đã bốc hơi trên 10% thể tích, động
cơ dễ khởi động, nhưng dễ tạo nút hơi trong ống dẫn xăng khi máy nóng, làm gián đoạn cung
cấp xăng gây tiếng kêu lụp bụp hoặc có thể dẫn đến chết máy. Xăng quá nhiều phần nặng nghĩa
là trên 200oC mới bốc hơi hết hoàn toàn, xăng sẽ không cháy hết trong xylanh, vừa tiêu hao một
cách vô ích vừa nhanh chóng làm hỏng động cơ do xăng đọng lại chảy qua khe xéc xăng loãng
dầu nhớt, gây mài mòn.
 Áp suất hơi bão hòa Reid:

Áp suất hơi bão hòa Reid là áp suất hơi xăng ở trạng thái cân bằng với thể lỏng trong bơm
Reid được đo ở 37,8 oC (hay 100 oF). Đây là một chỉ tiêu về tính bay hơi của các loại xăng. Dựa
vào áp suất hơi bão hòa Reid có thể đánh giá nhiên liệu về tính khởi động, khả năng tạo nút hơi,
hao hụt do bay hơi và mức dộ nguy hiểm khi cháy. Áp suất hơi bão hòa Reid càng cao thì khả
năng bay hơi càng mạnh.
 Khối lượng riêng và tỉ trọng:
•
•

Khối lượng riêng (density) đo bằng g/cm3 hay kg/m3 là khối lượng của một đơn vị thể tích.
Tỷ trọng (relative density) là tỷ số khối lượng riêng của một chất ở nhiệt độ nào đó so với khối
lượng riêng của nước ở 4oC. Kí hiệu: d t/4, trong đó toC là nhiệt độ tại đó xác định tỷ trọng.

8


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”

•

•

Độ API (oAPI – API gravity) là một chỉ tiêu đánh giá tỷ trọng của dầu thô và các sản phẩm của
chúng theo tiêu chuẩn của Viện dầu mỏ Hoa Kỳ (American Petroleum Institute).
Với (tương đương 15,6 oC), kí hiệu hay dùng ở Anh, Mỹ.
Tỉ trọng hay oAPI biểu hiện tính bay hơi của một sản phẩm dầu mỏ. Tỉ trọng càng thấp ( oAPI
càng cao) chứng tỏ sản phẩm càng nhẹ, càng dễ bay hơi.
c) Độ ổn định hóa học cao:

•
•

•

Xăng dùng cho động cơ phải độ ổn định hóa học cao, đặc trưng ở khả năng chống lại mọi sự biến
đổi hóa học khi bảo quản, vận chuyển và sử dụng.
Ngoài ra xăng động cơ phải chứa lưu huỳnh (S) ở mức thấp. Tổng hàm lượng lưu huỳnh (total
sulfur) cho phép không được quá 0.1 - 0.15% khối lượng so với mẫu xăng nhằm hạn chế sự mài
mòn động cơ, hạn chế sự ô nhiễm môi trường do khói xả có mặt SO x và chứa acromatic ở mức
tối thiểu dưới 1%.
Mặt khác, xăng phải không có chứa hoặc có rất thấp hàm lượng acid, người ta gọi là độ acid
(total acid number – TAN). Độ acid đo bằng lượng mg KOH đủ trung hòa hết lượng acid hữu cơ
có trong 100 mL xăng (mg/100mL).
d) Không bị đông đặc:

Xăng phải không bị đông đặc khi nhiệt độ hạ thấp, không hút nước và không tạo các tinh thể
nước đá khi gặp lạnh.
II.1.4

Các phương pháp nâng cao chất lượng của xăng:

Phân đoạn xăng lấy trực tiếp từ dầu mỏ có rất ít iso-parafin thơm, nhiều n-parafin, do đó trị
số octan RON rất thấp (chỉ đạt từ 30 - 60), trong khi đó yêu cầu về trị số octan cho xăng động cơ
phải lớn hơn 70. Vì vậy phải dùng những biện pháp khác nhau để nâng cao chất lượng của xăng,
người ta dùng một số phương pháp sau:
a) Phương pháp dùng phụ gia:

Bản chất của phương pháp này là dùng một số hóa chất pha vào xăng nhằm hạn chế quá trình
oxy hóa của các hydrocacbon ở không gian trước mặt lửa khi cháy trong động cơ. Các loại phụ
gia được chia làm 2 nhóm:
• Phụ gia chì:

-

Phụ gia chì bao gồm các chất như tetrametyl chì (TML), tetraethyl chì (TEL), có tác dụng
phá hủy các hợp chất trung gian hoạt động (peroxyt, hydropeoxyt) và do đó làm giảm khả năng
cháy kích nổ. Kết quả là trị số octan của xăng thực tế được tăng lên. Cơ chế dùng phụ gia chì
như sau:
Tạo chất tetrametyl chì trong động cơ:
9


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
o

Pb(CH3)4

C

t
→

4CH3* + Pb
o

Pb + O2
-

Tạo chất không hoạt động:
R-CH3 + O2

→

C
t
→

PbO2

R-CH2OOH (chất hoạt động)

R-CH2OOH + PbO2  RCHO + PbO + H2O + 1/2O2
(chất không hoạt động)
Kết quả là biến các peroxyt hoạt động thành các aldehit (RCHO) bền vững, làm giảm khả
năng cháy 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 mang để đưa PbO ra ngoài.
Các chất mang hay dùng là C2H5Br hoặc C2H5Cl, cơ chế tác dụng như sau:
o
C

t
→
C2H5Br
C2H4 + HBr
2HBr + PbO  PbBr2 + H2O
Các sản phẩm PbBr2, H2O là chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi và sẽ được khí thải đưa
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.
• Phụ gia không chì:

-

Như đã phân tích ở trên, chì là phụ gia khi cho vào xăng làm tăng trị số octan nhiều nhất (từ
6 -12 đơn vị). Tuy nhiên do tính độc hại mà hiện nay nhiều quốc gia ban hành luật cấm sử dụng
loại phụ gia này.
Có một số giải pháp hữu hiệu cao để đạt tới trị số octan cao hơn khi không sử dụng chì:
Pha trộn xăng có trị số octan cao (xăng alkyl hóa, izome hóa…) vào nhiên liệu có trị số octan
thấp.
Nâng cấp và đưa thêm các thiết bị lọc dầu để sản xuất hỗn hợp xăng có trị số octan cao.
Sử dụng các chất phụ gia không chứa chì, như các hợp chất chứa oxy: metanol, etanol, metyl
tert-butyl eter (MTBE), metanol + tert-butyl alcol (MTBA), tert-amyl methyl eter (TAME)…
Trong số các phụ gia chứa oxy nói trên, etanol và MTBE được sử dụng với số lượng nhiều
nhất. Chẳng hạn như ở Mỹ, MTBE được pha trộn với 15% thể tích, etanol tới 10% thể tích. Ở
Braxin đã pha trộn tới 22% etanol vào xăng trong nhiều năm.
Bên cạnh việc tăng trị số octan, hỗn hợp của xăng với phụ gia chứa oxy đã giúp giảm thải
hydrocacbon và CO từ xe cộ sử dụng nhiên liệu.
b) Phương pháp hóa học:

Giải pháp pha trộn với các chất chứa oxy để tăng trị số octan của xăng chỉ là giải pháp tạm
thời. Giải pháp lâu dài hơn là phải tìm cách chế biến hóa học mới kinh tế nhất để tăng trị số

octan. Thông thường phải dùng các công nghệ lọc dầu tiên tiến nhất để chuyển các gốc
hydrocacbon mạnh thẳng thành các mạnh nhánh hoặc thành hydrocacbon vòng no, vòng thơm có
10


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
trị số octan cao. Các công nghệ lọc dầu bao gồm các quá trình như: cracking xúc tác, reforming
xúc tác…
Trong thành phần của xăng còn chứa một lượng nhỏ các chất S, N, O trong đó chủ yếu là S.
Các chất này khi cháy tạo ra khí gây ăn mòn thiết bị và độc hại cho người sử dụng chẳng hạn :
S + O2  SO2
SO2 + ½ O2  SO3
SO3 + H2O  H2SO4
Cho nên hàm lượng lưu huỳnh cũng như các hợp chất chứa S, N, O trong xăng càng ít càng
tốt.
II.1.5

Ứng dụng của xăng:

Ngoài công dụng chính là nhiên liệu, xăng còn được sử dụng làm dung môi hoặc nguyên liệu cho
tổng hợp hóa dầu.
a) Xăng làm nhiên liệu: chủ yếu cho các động cơ xe gắn máy, xe ô tô và máy bay.
•
•

-

-

-

Xăng dùng cho ô tô và xe gắn máy: định nghĩa, phân loại, tính chất,…đã trình bày ở phần trên.
Xăng dùng cho máy bay:
Xăng máy bay thuộc loại xăng cao cấp, không thể lấy được từ một loại xăng thuần nhất mà
thường là hỗn hợp của một số thành phần đặc biệt nhằm thu được xăng có phẩm chất tốt. Xăng
máy bay cần phải có những chỉ tiêu cần thiết sau:
Trị số octan bằng hoặc lớn hơn 100, ngoài ra phải đảm bảo trị số octan khi hỗn hợp cháy thiếu
xăng, thừa không khí (hỗn hợp nghèo) và hỗn hợp cháy thừa xăng thiếu không khí (hỗn hợp
giàu). Động cơ máy bay khi làm việc có hai quá trình: quá trình cất cánh bao giờ cũng phải sử
dụng công suất tối đa, lượng xăng trong hỗn hợp phải được tăng tối đa (gọi là hỗn hợp giàu).
Trong quá trình bay, có lúc động cơ phải giảm công suất, lượng xăng giảm (hỗn hợp nghèo). Trị
số octan trong hỗn hợp giàu gọi là trị số phẩm độ. Người ta thể hiện trị số octan của xăng máy
bay bằng phân số, trong đó: tử số là trị số octan, mẫu số là trị số phẩm độ. Ví dụ: xăng loại B
100/130 thì 100 là trị số octan, 130 là trị số phẩm độ.
Thành phần cất đoạn của xăng máy bay phải lấy hẹp (từ 40 -180 oC) để tránh có nhiều cấu tử nhẹ
tạo nút hơi trong hệ thống cấp liệu, và có nhiều cấu tử nặng, vì khi cháy sẽ không hoàn toàn tạo
cặn.
Hàm lượng olefin phải thấp (<3%) để tránh sự trùng hợp tạo nhựa, làm cho xăng bị biến màu và
không bảo quản được lâu.
Xăng máy bay thường là xăng pha trộn. Ví dụ: xăng loại B 100/130 thu được bằng cách trộn
xăng cracking xúc tác với những thành phần cao octan như isooctan. Xăng B 91/115 là xăng pha
trộn giữa xăng cracking xúc tác, xăng chưng cất trực tiếp và các thành phần cao octan.
b) Xăng làm dung môi:

Phân đoạn xăng được sử dụng làm dung môi, cao su, keo dán, sử dụng để trích ly chất béo
(dầu mỡ động thực vật trong công nghiệp hương liệu, dược liệu…

11

Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Trong các loại dung môi phổ biến là xăng parafinic (hexan, heptan, octan…) và acromatic
(toluen, benen, xylen…). Thông thường xăng dung môi lấy trực tiếp từ dầu mỏ là xăng parafinic,
có hàm lượng hydrocacbon thấp (<5%). Những dung môi có hàm lượng hydrocacbon thơm cao
(40 - 90%) phải lấy từ phân đoạn nặng của quá trình reforming.
c) Xăng làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu:

-

Xăng dùng làm nhiên liệu cho tổng hợp hóa dầu còn gọi là phân đoạn naphta. Từ phân đoạn
này người ta sản xuất được các hydrocacbon thơm khác nhau như benen, toluen, xylen,
etylbezen. Ngoài ra, còn thu được các olefin nhẹ như etylen, propylen, butadien…
Để thu được các hydrocacbon thơm người ta sử dụng các phân đoạn hẹp khi chưng cất:
Phân đoạn 60 - 85oC: phân đoạn chứa metyl cyclopentan, cyclohexan cho hiệu suất benzen cao
nhất.
Phân đoạn 80 - 100oC: phân đoạn chứa naphten C7, cho hiệu suất toluen cao nhất.
Phân đoạn 105 - 140oC: phân đoạn chứa naphten C8, cho hiệu suất xylen cao nhất.

 Phân đoạn xăng của dầu mỏ họ naphten thích hợp hơn cả để sản xuất hydrocacbon thơm vì có

-

tổng hàm lượng naphten và thơm cao được đặc trưng bởi số chuẩn:
N + 2Ar
Trong đó:
- N là hàm lượng naphten (%).
- Ar là hàm lượng acromat (%).
Ngược lại phân đoạn xăng của họ parafinic lại tốt hơn cho việc sản xuất các olefin.
Xăng dùng để chế biến hóa học cần phải rất sạch vì nếu trong xăng có nhiều S, N, O sẽ làm
ngộ độc xúc tác trong quá trình chế biến. Ví dụ để tạo ra hydrocacbon thơm phải tiến hành

reforming. Xúc tác sử dụng là kim loại mang trên chất mang là acid rắn (thông thường là
Pt/Al2O3). Các chất độc chứa S sẽ là ngộ độc trung tâm kim loại. Các chất chứa N (thường có
tính bazo pyridine, quinolin…) làm ngộ độc các trung tâm acid. Ngoài ra, sự có mặt của các kim
loại có trong xăng làm cho xúc tác hoàn toàn không có khả năng tái sinh. Vì vậy yêu cầu về hàm
lượng các chất dị thể và kim loại năng có trong xăng phải như sau:
Hàm lượng S ≤ (10÷15)10-4 % trọng lượng.
Hàm lượng N ≤ 1.10-4% trọng lượng.
Hàm lượng Hg, Pb ≤ 5.10-6 % trọng lượng.
Hàm lượng As ≤ 1.10-7 % trọng lượng.
 Xăng sinh học:

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc
động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động
vật, dầu dừa, ...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm
rạ, phân, ...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...).
 Phân loại chính:

12


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:
•

Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có
thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách
dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực
hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ
biến nhất là metanol.

•

Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng
ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Etanol
được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xenlulo,
lignocellulose. Etanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học
có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống.

•

Gas sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm metanvà các đồng đẳng khác.
Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp,
chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu
khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ.
 Ưu điểm:

Trước kia, nhiên liệu sinh học hoàn toàn không được chú trọng. Hầu như đây chỉ là
một loại nhiên liệu thay thế phụ, tận dụng ở quy mô nhỏ. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện
tình trạng khủng hoảng nhiên liệu ở quy mô toàn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường
lên cao, nhiên liệu sinh học bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn do có nhiều
ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...):
•

Thân thiện với môi trường: chúng có nguồn gốc từ thực vật, mà thực vật trong
quá trình sinh trưởng (quang hợp) lại sử dụng cacbon dioxid (là khí gây hiệu ứng nhà
kính - một hiệu ứng vật lý khiến trái đất nóng lên) nên được xem như không góp phần
làm trái đất nóng lên.

•

Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông
nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu
không tái sinh truyền thống.
 Hạn chế:

Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được cho là
không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực. Khả năng sản xuất với quy mô lớn
cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết và nông
nghiệp. Bên cạnh đó, giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn cao hơn nhiều so với
13


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
nhiên liệu truyền thống từ đó việc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống
chưa thể phổ biến rộng.
 Khả năng phát triển:

Tại thời điểm hiện tại (2010), công nghệ sản xuất cồn sinh học từ các nguồn
lignocellulose chưa đạt được hiệu suất cao và giá thành còn cao. Theo ước tính trong sau
khoảng 7-10 năm, công nghệ này sẽ được hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu sản xuất
và thương mại. Bên cạnh đó, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh
học có khả năng là ứng cử viên thay thế.
 Tại Việt Nam:

Gas sinh học được áp dụng ở nhiều miền quê, bằng cách ủ phân để lấy khí đốt.
Từ năm 2011, Việt Nam có chính sách sử dụng xăng sinh học E5 (Hàm lượng Etanol
5%) làm nguyên liệu thay thế cho xăng A92 truyền thống. Tuy nhiên, nhiều người còn
quan ngại vì tính hút nước và dễ bị oxy hóa của Etanol có thể làm hư hại buồng đốt nhiên
liệu của động cơ.
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu tái tạo, được pha chế từ nguyên liệu có nguồn gốc

sinh học như cồn ethanol, dầu mỡ động thực vật biến tính hóa học để sử dụng thay thế
xăng, diesel dầu mỏ.
Từ tháng 8/2010, người tiêu dùng có thêm một chọn lựa mới trong việc sử dụng
nguồn nhiên liệu, khi xăng sinh học E5 có mặt trên thị trường. Khoa học và qua thực tế
đã chứng minh, xăng sinh học E5 không những thân thiện hơn với môi trường do giảm
lượng khí thải ô nhiễm mà việc phát triển xăng E5 sẽ hạn chế nhập khẩu xăng dầu và góp
phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
 Xăng sinh học E5 thân thiện hơn với môi trường:

Nhiên liệu sinh học (NLSH) là nhiên liệu tái tạo, được pha chế từ nguyên liệu có
nguồn gốc sinh học như cồn etanol, dầu mỡ động thực vật biến tính hóa học để sử dụng
thay thế xăng, diesel dầu mỏ. Các lợi ích khi sử dụng năng lượng sinh học là giảm thiểu ô
nhiễm môi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất năng lượng sinh học là cồn và dầu
mỡ động thực vật, không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh cực thấp, không
chứa chất độc hại.
Năng lượng sinh học khi thải vào đất bị phân hủy sinh học cao gấp 4 lần so với nhiên
liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm. Việc sử dụng
năng lượng sinh học còn làm cân đối năng lượng, giảm nhập khẩu bên ngoài, đảm bảo an
14


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
ninh năng lượng trong tương lai vì nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sạch không
bao giờ cạn kiệt.
Ngoài mục đích dùng thay xăng, diesel dầu mỏ, năng lượng còn được dùng thay dầu
FO để đốt lò công nghiệp và sử dụng trong dân dụng thuận lợi. Bên cạnh đó, việc sử
dụng năng lượng sinh học sẽ tạo điều kiện phát triển nông nghiệp, nhất là ở những vùng
trung du, miền núi có thể trồng mía, sắn và các cây có dầu.
II.2

Tìm hiểu về động cơ:
II.2.1

Phân biệt động cơ đốt ngoài và động cơ đốt trong:

a) Động cơ đốt ngoài:

Động cơ đốt ngoài là động cơ được cấp nhiệt năng từ bên ngoài và sử dụng lại nhiệt năng đó
để biến thành công cơ học.
Qua hàng trăm năm phát triển của khoa học kĩ thuật, chúng ta đã quen với động cơ bốn thì:
xăng, diesel, động cơ phản lực, tuabin hơi nước, tuabin khí. Nhưng có lẽ ít người biết đến động
cơ Stirling - động cơ đốt ngoài.

Mô hình động cơ Stirling
Động cơ Stirling được kỹ sư Robert Stirling sáng chế vào năm 1816 cùng thời với động cơ
hơi nước của James Watt. Đây là động cơ đốt ngoài nhưng không dùng hơi nước. Động cơ
Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng pít tông.
Đây là loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao, có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng của
chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc chuyển hóa nhiệt
năng thành công năng, chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vật liệu. Động cơ này cũng hoạt
động được trên nhiều nguồn nhiệt, từ năng lượng Mặt Trời, phản ứng hóa học đến phản ứng hạt
nhân.
15


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Động cơ Stirling có thể có giá thành cao hơn các động cơ đốt trong cùng công suất, nhưng có
những đặc tính thích nghi cho nhiều ứng dụng. Nó có hiệu suất cao hơn, không gây nhiều tiếng
ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo dưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch
nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C.

Với giá thành năng lượng đang tăng những năm đầu thế kỷ 21, cùng với lo lắng về sự nóng
lên của Trái Đất, các động cơ Stirling đang dần được quan tâm để đưa vào các nhà máy phát điện
với năng lượng tái tạo và lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Tuy được phát minh từ năm 1816 nhưng đến thời gian gần đây mới được hãng NASA (Cơ
quan hàng không vũ trụ Mỹ) nghiên cứu và ứng dụng, chỉ trong một thời gian ngắn đã được
những thành tích đáng kể.
Nhiên liệu hoá thạch như dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên đã hình thành cách đây hàng trăm
năm số lượng là cố định và không tái tạo. Dầu mỏ còn khoảng 40 năm, than đá còn khoảng 150 –
200 năm nữa là cạn kiệt). Những nguồn năng lượng này đến đời con cháu chúng ta là cạn kiệt.
Hãy tưởng tượng quá trình phát triển của loài người không có năng lượng ? Việc nghiên cứu để
sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và tận dụng các năng lượng khác ngoài nhiên liệu hoá
thạch đã trở thành cấp bách. Nếu đưa mô hình động cơ Stirling vào sử dụng sẽ đáp ứng rất tốt.

b) Động cơ đốt trong:

Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên
trong động cơ. Các loại động cơ sử dụng dòng chảy (tiếng Anh: Fluid flow engine) để tạo công
thông qua đốt cháy như tuabin khí và các động cơ đốt bên ngoài xylanh, thí dụ như máy hơi
nước hay động cơ Stirling không thuộc về động cơ đốt trong.

Động cơ xăng hay động cơ Otto (lấy theo tên của Nikolaus Otto) là một dạng động cơ đốt
trong, thông thường được sử dụng cho xe máy, ô tô, máy bay, các máy móc di động nhỏ như
máy xén cỏ cũng như làm động cơ cho các loại thuyền và tàu nhỏ.
Nhiên liệu của của các động cơ xăng là xăng. Phổ biến nhất của động cơ xăng là động cơ bốn
thì. Việc đốt cháy nhiên liệu được diễn ra trong buồng đốt bởi một hệ thống đánh lửa được tắt
mở theo chu kỳ. Nơi đánh lửa là bugi có điện áp cao. Động cơ hai thì cũng được sử dụng trong
các ứng dụng nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ tiền hơn nhưng nó không hiệu quả trong việc sử dụng
nhiên liệu.
Động cơ Wankel cũng sử dụng xăng làm nhiên liệu. Nó khác với động cơ bốn thì hay động
cơ hai thì ở chỗ nó không có pittông mà sử dụng rôto.

Một trong những thành phần của các động cơ xăng cũ là bộ chế hòa khí (hay còn gọi là
cacbuaratơ), nó trộn xăng lẫn với không khí. Trong các động cơ xăng sau này, nó đã được thay
bằng việc phun nhiên liệu (bình xăng con).
16


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Động cơ xăng được phát triển vào cuối thế kỷ 19 bởi Nikolaus August Otto, dựa trên một
động cơ ba thì có công suất yếu hơn rất nhiều của Étienne Lenoir. Thay đổi cơ bản là thêm vào
một thì nén khí. Thiết kế đầu tiên của Otto không có nhiều điểm tương tự với các động cơ ngày
nay. Đấy là một động cơ ở ngoài không khí, tức là hỗn hợp khí và nhiên liệu nổ đẩy pít tông bắn
ra ngoài bay tự do và chỉ trên đường quay lại pít tông (hay áp suất không khí) mới tạo ra công.
Năm 1876, Otto đăng ký bằng phát minh tại Đức cho một động cơ đốt trong bao gồm cả
nguyên tắc bốn thì. Vì yêu cầu của người Pháp Beau de Rocha nên bằng phát minh của Otto bị
hủy bỏ 10 năm sau đó ở Đức.
Gottlieb Daimler và Carl Benz tại Đức (1886) và Siegfried Marcus (1888 -1889) ở Viên (Áo)
đã độc lập với nhau chế tạo các xe cơ giới đầu tiên bằng một động cơ Otto.
 So sánh động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài:

Yếu tố

Động cơ đốt trong

Động cơ đốt ngoài

- Hiệu suất

Có hiệu suất cao:
ηe = 30 - 45%

Có hiệu suất thấp:
ηe ≤ 15% đối với máy tuabin
ηe ≤ 25% đối với tuabin hơi
nước.

- Nhiệt độ

Nhiệt độ lớn nhất (tmax = 2530
o
C) tuy nhiên chỉ tồn tại trong
khoảng thời gian rất nhỏ so
với toàn bộ chu trình của động
cơ và tiêu hao nhiệt cho bộ
phận làm mát ít hơn.

Nhiệt độ lớn nhất (tmax ≤ 700
o
C) tồn tại trong toàn bộ chu
trình của động cơ nên không
chịu được nhiệt độ cao cho
nên tiêu hao nhiệt cho bộ phận
làm mát nhiều hơn.

- Công suất

Gọn nhẹ, không có thiết bị phụ
như nồi hơi, bộ ngưng tụ…
Dễ khởi động, chỉ cần 3-5
giây.
Dùng ít nước, thậm chí không

cần nước nư động cơ làm mát
bằng gió.

Nặng nè, cồng kềnh vì có các
thiết bị phụ như nồi hơi, bộ
ngưng tụ…

Dùng nhiên liệu đắt tiền như
xăng, diesel hoặc nhiên liệu ở
thể khí.
Động cơ không tự khởi động
được.

Dùng nhiên liệu rẻ tiền, nhiên
liệu ở thể rắn hoặc thể đặc.
Động cơ tự khởi động được
khi áp lực hơi nước đủ lớn.

(so sánh cùng
công suất)
- Sử dụng

nước
Nhiên liệu
Khởi động

Tốn nhiều nước, rất hạn chế sử
dụng ở những nơi thiếu nước.

Bảng so sánh hai loại động cơ đốt trong và đốt ngoài

17


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
II.2.2

•
•
•

Phân loại động cơ đốt trong:

Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo và hiện thực nhưng
lại không phù hợp với các cách phân loại dưới đây. Thí dụ như động cơ Otto với bộ phun nhiên
liệu trực tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ diesel nhưng lại có bộ
phận đánh lửa. Các phương pháp chế tạo lại có thể được kết hợp rất đa dạng. Thí dụ như động cơ
có dung tích nhỏ với pít tông tròn và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto ( động cơ
Wankel) hay động cơ diesel hai thì có dung tích lớn với bộ điều khiển bằng van (động cơ diesel
của tàu thủy).
Theo quy trình nhiệt động lực học: Động cơ Otto và động cơ diesel.
Theo cách thức hoạt động: Phương pháp hai thì và phương pháp bốn thì.
Theo nhiên liệu sử dụng: Động cơ xăng và động cơ diesel.
Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuỷu phải được quay từ bên ngoài bằng một
thiết bị khởi động như dây (máy cưa, động cơ của ca nô), cần khởi động (mô tô), tay quay khởi
động ở các ô tô cổ hay một động cơ điện nhỏ trong các mô tô và ô tô hiện đại.
Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được
gắn với trục khuỷu, quay có giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu xylanh của động cơ. Thời
gian trục khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng
một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ thì xả sang thì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc

cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xylanh tốt hơn và tăng áp suất đốt.
•
•

-

-

Theo cách chuyển động của pít tông:
Động cơ pít tông đẩy (hay kết hợp với tay biên và trục khuỷu).
Động cơ Wankel (Động cơ pít tông tròn).
Động cơ pít tông quay.
Động cơ pít tông tự do.
Theo cách tạo hỗn hợp không khí và nhiên liệu:
Tạo hỗn hợp bên ngoài: nhiên liệu và không khí được hòa vào nhau ở ngoài xy lanh, sau đó được
đưa vào xy lanh và nén lại. Đại diện đặc trưng cho loại này là động cơ Otto có bộ chế hòa khí
hay động cơ hai thì. Nếu nhiệt độ động cơ quá cao, thời điểm đánh lửa quá sớm hay vì tự bốc
cháy hỗn hợp này có thể gây ra nổ không kiểm soát được làm giảm công suất và gây hư hại cho
động cơ. Trong lúc được nén lại nhiên liệu phải bốc hơi một phần để có thể cháy rất nhanh ngay
sau khi đánh lửa, tạo vận tốc vòng quay nhanh.
Tạo hỗn hợp bên trong: chỉ có không khí được đưa vào và nén lại trong xy lanh, nhiên liệu được
phun vào sau đó. Do không có nhiên liệu nên không xảy ra việc tự cháy vì thế mà có thể tăng
hiệu suất bằng cách tăng độ nén nhiều hơn. Đánh lửa bằng cách tự bốc cháy (động cơ diesel) hay
bằng bộ phận đánh lửa (động cơ Otto có bộ phận phun nhiên liệu trực tiếp hay ở các động cơ có
thể dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau). Sau khi được phun vào nhiên liệu cần một thời gian
nhất định để bốc hơi vì thế mà vận tốc vòng quay bị giới hạn.
• Theo phương pháp đốt:
Hỗn hợp khí được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay
trước điểm chết trên.

18


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Trong các động cơ diesel hỗn hợp đốt bằng cách tự bốc cháy. Không khí được nén rất mạnh và
ngay trước điểm chết trên nhiên liệu được phun vào. Vì ở nhiệt độ rất cao nên nhiên liệu tự bốc
cháy.
• Theo phương pháp làm mát:
- Làm mát bằng nước.
- Làm mát bằng không khí.
- Làm mát bằng dầu nhớt (động cơ Elsbett).
- Kết hợp giữa làm mát bằng không khí và dầu nhớt.
• Theo hình dáng động cơ và số xylanh:
Tùy theo số lượng xy lanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành:
- Động cơ 1 xylanh.
- Động cơ thẳng hàng (2, 3, 4, 5, 6 hay 8 xylanh).
- Động cơ chữ V (2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 hay 16 xylanh).
- Động cơ VR (6 hay 8 xy lanh).
- Động cơ chữ W (3, 8, 12 hay 16 xylanh).
- Động cơ boxer (2, 4, 6 hay 12 xylanh).
- Động cơ tỏa tròn (radial engine) (5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xylanh).
- Động cơ pít tông đối (opposed piston engine).
 Các động cơ có cấu tạo khác thường:
 Động cơ Wankel (Động cơ pít tông tròn)

Mô hình của động cơ Wankel.
Động cơ Wankel là một loại động cơ pít tông tròn được gọi theo tên của nhà phát minh Felix
Wankel. Trong một động cơ Wankel pít tông có dạng hình tam giác có góc tròn quay trong một
hộp máy hình bầu dục. Mỗi một cạnh của tam giác tương ứng với một pít tông, trên mặt cạnh
này có khoét lõm tạo thành buồng đốt. Khi pít tông quay được một vòng thì trục khuỷu quay

được 3 vòng. Do luôn luôn chỉ quay theo một chiều nên động cơ chạy rất êm.

19


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Động cơ pít tông tròn có cấu tạo nhỏ gọn và không cần có bộ phận điều khiển van. Nguyên
tắc của động cơ này tương ứng với động cơ Otto, cũng có 4 thì nạp - nén - nổ - xả. Tất cả 4 thì
thay vì hoạt động trong một lần chuyển động lên và xuống của pít tông đều xảy ra trong một lần
quay của pít tông. Khi pít tông tam giác quay thì truyền lực cho một hệ thống lệch tâm đặc biệt
để đưa ra trục khuỷu.
 Động cơ Stelzer (Động cơ pít tông tự do)

Động cơ Stelzer, được đặt tên theo nhà phát minh Frank Stelzer, là một loại động cơ hai thì
có pít tông tự do. Trong động cơ Stelzer chỉ có pít tông chuyển động trong toàn bộ chu trình hoạt
động. Đường kính pít tông thay đổi nên đóng và mở các lỗ của thân máy, qua đó mà điều khiển
việc thay khí.
II.2.3

Phân biệt động cơ đốt trong hai thì và bốn thì:

a) Động cơ hai thì ( Xét động cơ Otto hai thì):
• Định nghĩa:

Động cơ hai thì là một động cơ đốt trong thường được chế tạo theo kiểu động cơ có pít tông
đẩy. Ngược với động cơ bốn thì, hai thì cần thiết để tạo ra năng lực được hoàn thành trong một
vòng quay của trục khuỷu. Một thì là chuyển động của pít tông từ một trạng thái tĩnh theo một
hướng về trại thái tĩnh mới (chuyển động từ một điểm chết này về đến điểm chết kia). Trục
khuỷu hoàn thành nửa vòng quay trong một thì. Loại động cơ diesel của động cơ hai thì vẫn còn
được sử dụng trong tàu thủy, tàu hỏa và các máy phát điện khẩn cấp, loại động cơ xăng được sử

dụng trong các loại xe nhỏ có dung tích 50 cm³, máy cắt cỏ và máy cưa.
• Nguyên lý hoạt động:

Trong phương pháp hai thì cả bốn giai đoạn đều hoạt động nhưng chỉ trong hai lần chuyển động
của pít tông (hai thì) vì một phần của hai giai đoạn nạp và nén được tiến hành ra bên ngoài xy
lanh. Trục khuỷu chỉ quay một vòng trong một chu kỳ làm việc. Thay đổi khí mở tức là hai hỗn
hợp khí mới và khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần.
• Chu trình của động cơ hai thì:

20


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”

Minh họa chu trình động cơ hai thì
 Thì một: Tạo công và nén trước:
-

-

Pít tông bắt đầu sắp vượt qua điểm chết trên. Bộ phận đánh lửa đốt hỗn hợp trong buồng đốt phía
trên pít tông, nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất trong buồng đốt tăng. Pít tông đi xuống và qua đó tạo
ra công cơ học.
Trong phần không gian ở phía dưới pít tông, khí mới vừa được hút vào sẽ bị nén lại bởi chuyển
động đi xuống của pít tông.
Trong giai đoạn cuối khi pít tông đi xuống, lỗ thải khí và ống dẫn khí được mở ra. Hỗn hợp khí
mới đang bị nén dưới áp suất chuyển động từ buồng nén dưới pít tông qua ống dẫn khí đi vào xy
lanh đẩy khí thải qua lỗ thải khí ra ngoài.
 Thì hai: Nén và hút

-

Trong khi pít tông đi lên, lỗ thải khí và ngay sau đó là ống dẫn khí được đóng lại.
Trong lúc pít tông tiếp tục chuyển động đi lên, hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong xy lanh
tiếp tục bị nén lại và ngay trước khi pít tông đạt đến điểm chết trên thì được đốt cháy.
Trong buồng nén khí trước ở phía dưới pít tông khí mới được hút vào qua ống dẫn.
Khuyết điểm đặc biệt của động cơ Otto hai thì là thất thoát nhiên liệu hình thành qua sự pha
trộn một phần giữa hỗn hợp khí mới và khí thải, vì thế một phần của hỗn hợp nhiên liệu và
không khí thoát ra ngoài theo ống thoát khí gây ô nhiễm môi trường.
Ngược với động cơ bốn thì và động cơ diesel hai thì, động cơ Otto hai thì thường không có
nhớt bôi trơn thường xuyên mà dùng một hỗn hợp pha trộn giữa xăng và nhớt dùng làm nhiên
liệu và chất bôi trơn. Vì nhớt chỉ được đốt cháy một phần nên động cơ Otto hai thì gây ô nhiễm
môi trường nhiều hơn động cơ bốn thì.
Cách bôi trơn động cơ này là một ưu điểm cho những động cơ hay thay đổi tư thế như máy
cưa hay máy cắt cỏ vì ở những động cơ này việc bôi trơn bao giờ cũng được bảo đảm.

21


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
Có nhiều phương pháp giải quyết cho các vấn đề này đã và đang được đưa ra, thí dụ như
cách bôi trơn riêng bằng cách thêm nhớt tùy thuộc vào tải của động cơ hay mới đây là các động
cơ hai thì có hệ thống phun trực tiếp, loại động cơ đã có thể chứng minh được ưu thế về mặt
nguyên tắc so với động cơ bốn thì và chỉ không được phổ biến vì lý do thương mại của nhiều nhà
sản xuất (thí dụ như orbital motor).
• Ưu và nhược điểm:
 Ưu điểm:

Ưu điểm trên lý thuyết của một động cơ hai thì là có hiệu suất riêng (hiệu suất trên dung tích)
cao hơn một động cơ bốn thì, vì mỗi một vòng quay của trục khuỷu là một thì tạo công (ở động

cơ bốn thì, hai vòng quay của trục khuỷu tương ứng với một thì tạo công). Trên thực tế động cơ
bốn thì đã rút ngắn khoảng cách này rất nhiều nhờ vào những cải tiến gần đây (thí dụ như nhờ
vào các hệ thống phun cải tiến) nên các mô tô hay xe máy có động cơ bốn thì không còn chạy
chậm hay có gia tốc chậm hơn hơn loại hai thì nữa. Vận tốc tối đa của pít tông chậm hơn so với
động cơ bốn thì vì có các ống dẫn khí trong xy lanh, điều này cũng hạn chế hiệu suất của động
cơ hai thì.
Cách chế tạo đơn giản hơn của động cơ hai thì mang lại nhiều ưu điểm như dễ bảo trì hơn và
có khối lượng di động (trục khuỷu, pít tông,...) nhỏ hơn rất nhiều so với một động cơ bốn thì
tương tự. Hiệu ứng tốt của việc này là mang lại một xung lượng góc nhỏ hơn. Điều này quan
trọng trước nhất là ở những mô tô chạy trên nhiều địa hình, ở loại này động cơ hai thì tạo khả
năng linh động hơn trong lúc phóng qua vật cản. Động cơ có dung tích lớn (động cơ diesel tàu
thủy) hoạt động đa phần theo nguyên tắc hai thì.
Khí thải của động cơ hai thì có hàm lượng cacbon monoxit và các chất hyđrocacbon cao vì
có nhiều nhớt bôi trơn trong khí được hút vào và vì có lượng khí thải trong buồng đốt cao.
 Nhược điểm :

Khuyết điểm đặc biệt của động cơ Otto hai thì là thất thoát nhiên liệu hình thành qua sự pha
trộn một phần giữa hỗn hợp khí mới và khí thải, vì thế một phần của hỗn hợp nhiên liệu và
không khí thoát ra ngoài theo ống thoát khí gây ô nhiễm môi trường.
Ngược với động cơ bốn thì và động cơ diesel hai thì, động cơ Otto hai thì thường không có
nhớt bôi trơn thường xuyên mà dùng một hỗn hợp pha trộn giữa xăng và nhớt dùng làm nhiên
liệu và chất bôi trơn. Vì nhớt chỉ được đốt cháy một phần nên động cơ Otto hai thì gây ô nhiễm
môi trường nhiều hơn động cơ bốn thì.
Cách bôi trơn động cơ này là một ưu điểm cho những động cơ hay thay đổi tư thế như máy
cưa hay máy cắt cỏ vì ở những động cơ này việc bôi trơn bao giờ cũng được bảo đảm.
Có nhiều phương pháp giải quyết cho các vấn đề này đã và đang được đưa ra, thí dụ như
cách bôi trơn riêng bằng cách thêm nhớt tùy thuộc vào tải của động cơ hay mới đây là các động
cơ hai thì có hệ thống phun trực tiếp, loại động cơ đã có thể chứng minh được ưu thế về mặt
nguyên tắc so với động cơ bốn thì và chỉ không được phổ biến vì lý do thương mại của nhiều nhà
sản xuất (thí dụ như orbital motor).

b) Động cơ bốn thì (Xét động cơ Otto):
22


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
• Định nghĩa:

Minh họa chu trình động cơ bốn thì
• Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xylanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy
nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một pít tông đẩy pít tông này
di chuyển đi.
Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kỳ tuần hoàn khác
nhau. Tuy vậy tất cả các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu kỳ làm
việc bao gồm bốn bước: nạp, nén, nổ (đốt) và xả. Xả và nạp là hai bước dùng để thay khí thải
bằng khí mới. Nén và nổ dùng để biến đổi năng lượng hóa học (đốt hỗn hợp không khí và nhiên
liệu) thông qua nhiệt năng (nhiệt độ) và thế năng (áp suất) thành năng lượng cơ (động năng trong
chuyển động quay).
Chuyển động của pít tông ở thì nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh
đà gắn ở trục khuỷu trong thì thứ ba (thì tạo công). Một động cơ bốn thì vì thế có góc đánh lửa là
720 độ tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay hai vòng thì mới có một lần
đánh lửa. Có thêm nhiều xy lanh thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều
hơn trong hai vòng quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.
• Các thì trong một động cơ pít tông đẩy bốn thì:
 Trong thì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng) hỗn hợp không khí và nhiên liệu được "nạp"

vào xy lanh trong lúc pít tông chuyển động đi xuống dưới tạo ra một khoảng không trong xi lanh
để chứa nhiên liệu phun sương từ bộ chế hòa khí.
23

Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”

 Trong thì thứ hai (nén – hai van đều đóng) pít tông nén hỗn hợp khí trong xy lanh khi chuyển

động đi lên. Ở cuối thì thứ hai (pít tông ở tại điểm chết trên) hỗn hợp khí được đốt, trong động cơ
xăng bằng bộ phận đánh lửa, trong động cơ diesel bằng cách tự bốc cháy.

 Trong thì thứ ba (cháy tạo công – hai van vẫn tiếp tục được đóng) hỗn hợp khí được đốt cháy. Vì

nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho pít tông chuyển động đi xuống.
Chuyển động tịnh tiến của pít tông được chuyển bằng tay biên đến trục khuỷu và được biến đổi
thành chuyển động quay. Cái bao (bọ máy) (water jacket) được đặt bên trong thân xi lanh giúp
giảm nhiệt độ do lượng nhiệt phát ra trong quá trình đốt cháy, nhờ đó động cơ được làm mát.

24


Seminar hóa dầu mỏ “Xăng và động cơ sử dụng xăng”
 Trong thì thứ tư (xả - van nạp đóng, van xả mở) pít tông chuyển động đi lên đẩy khí từ trong xy

lanh qua ống xả thải ra môi trường.

Bốn chu kỳ nạp – nén - nổ - xả được hoàn tất và động cơ lại tiếp tục chu kỳ mới.
• Ưu điểm và nhược điểm của động cơ bốn thì:
 Ưu điểm:

Động cơ hoạt động rất chính xác, hiệu quả và ổn định do các kỳ nạp, nén, cháy giản nở và xả
đều diễn ra riêng biệt.

Ít xảy ra hiện tượng quá nhiệt do cửa xả không bố trí trên thành xy lanh và động cơ có hệ
thống bôi trơn hoạt động rất hiệu quả.
Sự mất mát nhiên liệu ít, động cơ có khả năng tiết kiệm nhiên liệu cao (so với động cơ 2 kỳ)
Quá trình nạp và nén kéo dài nên hiệu suất nạp và nén cao, như vậy động cơ có khả năng cho
hiệu quả công suất cao so với mức tiêu tốn nhiên liệu (PS/l lớn).
 Nhược điểm :

Động cơ có cơ cấu phối khí để đóng mở các xupap khá phức tạp, nhiều chi tiết nên việc chế
tạo và bảo dưỡng khó khăn hơn so với động cơ hai kỳ.
Tiếng ồn các cơ cấu cơ khí khi động cơ làm việc lớn.
Sự cân bằng của động cơ kém do hai vòng quay trục khuỷu mới có một kỳ sinh công.
II.2.4

Ứng dụng của động cơ xăng (động cơ đốt trong):

Động cơ đốt trong sử dụng trong các hệ thống yêu cầu nguồn năng lượng độc lập:
-

Động cơ tàu thủy.
Động cơ đầu xe lửa.
Động cơ xe gắn máy, ô tô.
Động cơ máy bay.
Động cơ dùng trong nông nghiệp (máy gặt đập liên hợp, máy phun thuốc, máy kéo,…).
Động cơ dùng trong xây dựng.
25