Tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng từ ethylene propylene copolymer ocp 2530 pl dạng rắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN NGUYỄN BẢO NGUN

TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ PHỤ GIA TĂNG
CHỈ SỐ ĐỘ NHỚT DẠNG LỎNG TỪ ETHYLENE –
PROPYLENE COPOLYMER OCP 2530 PL DẠNG RẮN

Chuyên ngành : Công nghệ hóa học.
Mã số: 60 52 75

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

1


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Ngun

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH

KHOA – ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Thái Nguyễn Huy Chí
ThS. Trần Hải Ưng

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS Nguyễn Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Quang Long

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày 28 tháng 08 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam
2. TS Lý Cẩm Hùng
3. PGS Nguyễn Đình Thành
4. TS Nguyễn Quang Long
5. TS Thái Nguyễn Huy Chí

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

2


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN NGUYỄN BẢO NGUYÊN

MSHV: 10050126 ...............

Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1983

Nơi sinh: Đồng Nai .............

Chuyên ngành: Cơng nghệ hóa học ..................................... Mã số : 60 52 75 .................

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng từ ethylene
- propylene copolymer OCP 2530 PL dạng rắn

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng từ
propylene – ethylene copolymer OCP 2530 PL dạng rắn
- Đề xuất quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) ................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài).................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):......................................
........................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

3


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Thái Nguyễn Huy Chí và thầy ThS Trần
Hải Ứng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tiến hành
luận văn. Xin cảm ơn tất cả các thầy cô, bạn bè đã có những ý kiến đóng góp,
phê bình hết sức q báu để giúp tơi hồn thành tốt luận văn này.
Tơi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo cùng tồn thể cán
bộ cơng nhân viên Nhà máy dầu nhớt Vilube đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Bên cạnh đó, tơi cũng xin gởi đến gia đình tôi, những người đã luôn động
viên, ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn lời cảm ơn
chân thành nhất.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn.

4

HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt là một thành phần quan trọng, quyết định tính
chất của dầu nhờn động cơ. Phần lớn phụ gia tăng chỉ số độ nhớt được sử dụng
ở Việt Nam hiện nay đều được nhập khẩu ở dạng lỏng với giá rất cao. Nhiệm
vụ của luận văn là tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt
dạng lỏng từ nguyên liệu ethylene – propylene copolymer OCP 2530 PL dạng
rắn. Mục tiêu của luận văn là điều chế được loại phụ gia tăng chỉ số độ nhớt có
chất lượng tương đương phụ gia nhập khẩu với chi phí thấp hơn.
Các yếu tố được khảo sát để tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ
số độ nhớt bao gồm: nồng độ OCP 2530 PL, loại và nồng độ chất chống oxy
hóa, thời gian và nhiệt độ điều chế. Hàm mục tiêu của nghiên cứu bao gồm độ
nhớt động học ở 1000C – KV100; độ nhớt ở nhiệt độ cao, ứng suất trượt cao –
HTHS; chỉ số độ nhớt – VI, tỷ số HTHS/KV100. Các yếu tố về kinh tế cũng
được xem xét trong nghiên cứu này.
Sau quá trình khảo sát, một vài quy trình tối ưu được đề xuất dựa trên cả hai
khía cạnh kỹ thuật và kinh tế.

5


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

ASTRACT
Viscosity index improver is one of the most important compositions
determine property of engine oil. Almost kinds of viscosity improver used in
Vietnam are expensive imported liquid products. The mission of this research
is optimizing the procedure to make liquid viscosity index improver from solid
ethylene – propylene copolymer OCP 2530 PL. The goal of this research is

making one kind of viscosity index improver has equivalent quality to imported
products with the lower cost.
The factors are studied to optimize procedure include: concentration of
OCP 2530 PL; type and concentration of antioxidant; process temperature and
time. Decision functions include kinetic viscosity at 1000C – KV100, high
temperature high shear viscosity – HTHS, viscosity index – VI, ratio of
HTHS/KV100. Economy factor is also considered in this research.
After studying, some procedures are proposed base on technical side and
economic side also.

6


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày …. tháng …. năm …

Trần Nguyễn Bảo Nguyên

7


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .............................................................................. 1
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .......................................................................2
2.1. Tổng quan về dầu nhờn. ......................................................................2
2.1.1. Định nghĩa ................................................................................ 2
2.1.2. Công dụng của dầu nhờn ........................................................... 2
2.2. Các thành phần cơ bản của dầu nhờn. ................................................. 4
2.2.1. Dầu gốc.................................................................................... 4
2.2.2. Các loại phụ gia. ......................................................................7
2.3. Tổng quan về phụ gia tăng chỉ số độ nhớt – VII. ............................... 12
2.3.1. Độ nhớt ................................................................................. 12
2.3.2. Chỉ số độ nhớt – VI. ............................................................... 16
2.3.3. Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt – VII. .......................................... 16
2.3.4. Các nghiên cứu về VII trên thế giới........................................ 18
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 20
3.1. Nguyên liệu nghiên cứu. ................................................................... 20
3.1.1. Dầu gốc................................................................................... 20
3.1.2. Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng rắn ....................................... 20
3.1.3. Phụ gia chống oxy hóa ............................................................ 21
3.1.4. Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng ..................................... 21
3.2. Phương pháp điều chế và chuẩn bị mẫu thí nghiệm ........................... 22
3.2.1. Phương pháp điều chế ........................................................... 22
3.2.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ...................................................... 22
3.3. Phương pháp và thiết bị phân tích ..................................................... 22
3.3.1. Phân tích độ nhớt ở 40 0C và 1000C theo phương pháp ASTM
D445 bằng máy đo độ nhớt tự động .................................................. 22
3.3.2. Xác định chỉ số độ nhớt bằng phương pháp ASTM D2270 ...... 24

8

HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

3.3.3. Xác định độ nhớt ở nhiệt độ cao, ứng suất trượt cao – HTHS
theo ASTM D4683 ........................................................................... 24
3.4. Phương pháp tối ưu hóa ..................................................................... 27
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................... 29
4.1. Kết quả khảo sát sơ bộ ....................................................................... 29
4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của loại dầu gốc đến chất lượng phụ gia
tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng ........................................................... 29
4.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ OCP 2530 PL, nhiệt độ và thời
gian điều chế đến chất lượng phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng . 30
4.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của loại chất chống oxy hóa đến chất lượng
phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng ............................................... 39
4.2. Ma trận tối ưu hóa thực nghiệm.......................................................... 41
4.3. Biện luận kết quả ............................................................................... 44
4.3.1. Biện luận kết quả theo khía cạnh kỹ thuật ............................... 44
4.3.2. Biện luận kết quả theo khía cạnh kinh tế - kỹ thuật.................. 47
4.4. Đề xuất quy trình điều chế 1000 Kg phụ gia tăng chỉ số độ nhớt từ
OCP 2530 PL theo quy trình 48 ................................................................ 50
4.5. Đánh giá hiệu quả tối ưu hóa .............................................................. 51
4.5.1. Đánh giá hiệu quả tối ưu hóa theo khía cạnh kỹ thuật .............. 51
4.5.2. Đánh giá hiệu quả tối ưu hóa theo khía cạnh kinh tế - kỹ thuật 52
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. 54
a.

Kết luận ............................................................................................ 54

b.

Kiến nghị .......................................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 55
PHỤ LỤC ................................................................................................. 56

9


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
OCP 2530 PL

Ethylene – propylene copolymer OCP 2530 PL

VII

Viscosity index improver – Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt

VI

Viscosity index – chỉ số độ nhớt

KV100

Kinetic viscosity at 100 0C – độ nhớt động học ở 1000C.

KV40

Kinetic viscosity at 400C – độ nhớt động học ở 400C.

HTHS

High temperature high shear – độ nhớt ở điều kiện nhiệt
độ cao, ứng suất trượt cao.

10


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1.

Tính chất vật lý và hóa học của các loại dầu gốc.

Bảng 2.2.

Chỉ số độ nhớt của iso-parafin C21 và C24.

Bảng 2.3.

Phân loại dầu gốc theo tiêu chuẩn API.

Bảng 2.4.

Hệ thống phân loại độ nhớt SAE J300.

Bảng 2.5.

Phân loại phụ gia VII.

Bảng 3.1.

Tính chất các loại dầu gốc sử dụng trong nghiên cứu.

Bảng 3.2.

Tính chất phụ gia OCP 2530 PL.

Bảng 3.3.

Tính chất phụ gia ATO01.

Bảng 3.4.

Tính chất các loại phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng nhập
khẩu.

Bảng 3.5.

Phương pháp pha mẫu thí nghiệm.

Bảng 3.6.

Bảng hằng số nhớt kế.

Bảng 3.7.

Kết quả đường chuẩn liên hệ giữa độ nhớt và momen xoắn.

Bảng 4.1.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại dầu gốc đến chất lượng OCP
2530 PL dạng lỏng.

Bảng 4.2.

Mối liên hệ giữa độ nhớt động học của dầu gốc và độ nhớt động
học của phụ gia được điều chế từ phụ gia.

Bảng 4.3.

Bảng mã hóa điều kiện thí nghiệm khảo sát nồng độ OCP 2530
PL, nhiệt độ và thời gian điều chế.

Bảng 4.4.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế
đến chất lượng phụ gia OCP 2530 PL dạng lỏng khi nồng độ
OCP 2530 PL là 5.0%

Bảng 4.5.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế
đến chất lượng phụ gia OCP 2530 PL dạng lỏng khi nồng độ
OCP 2530 PL là 6.0%

Bảng 4.6.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế

đến chất lượng phụ gia OCP 2530 PL dạng lỏng khi nồng độ
OCP 2530 PL là 7.0%

11


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

Bảng 4.7.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế
đến chất lượng phụ gia OCP 2530 PL dạng lỏng khi nồng độ
OCP 2530 PL là 8.0%

Bảng 4.8.

Nhiệt độ, thời gian tối thiểu để hòa tan OCP 2530 PL rắn ở các
nồng độ khác nhau.

Bảng 4.9.

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại chất chống oxy hóa đến chất
lượng phụ gia OCP 2530 Pl dạng lỏng.

Bảng 4.10.

So sánh chất lượng phụ gia tăng chỉ số độ nhớt OCP 2530 PL
dạng lỏng khi sử dụng và khơng sử dụng chất chống oxy hóa.

Bảng 4.11.

Ma trận thực nghiệm tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng
chỉ số độ nhớt từ OCP 2530 PL.

Bảng 4.12.

Kết quả phân tích các mẫu OCP 2530 PL dạng lỏng tương ứng
với các điều kiện trong ma trận thực nghiệm tối ưu hóa.

Bảng 4.13.

Trọng số các hàm mục tiêu theo khía cạnh kỹ thuật.

Bảng 4.14.

Kết quả chấm điểm cho các quy trình điều chế phụ gia theo các
hàm mục tiêu về kỹ thuật.

Bảng 4.15.

Các quy trình điều chế tối ưu xét theo khía cạnh kỹ thuật.

Bảng 4.16.

Trọng số các hàm mục tiêu theo khía cạnh kinh tế - kỹ thuật.

Bảng 4.17.

Kết quả chấm điểm cho các quy trình điều chế phụ gia theo các
hàm mục tiêu về kinh tế - kỹ thuật.

Bảng 4.18.

Các quy trình điều chế tối ưu xét theo khía cạnh kinh tế - kỹ
thuật.

Bảng 4.19.

So sánh chất lượng các loại phụ gia tăng chỉ số độ nhớt theo khía
cạnh kỹ thuật.

Bảng 4.20.

Bảng chấm điểm so sánh chất lượng các loại phụ gia tăng chỉ số
độ nhớt.

Bảng 4.21.

Chi phí sản xuất 1000 Kg phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng
từ OCP 2530 PL dạng rắn.

Bảng 4.22.

So sánh giá của phụ gia tăng chỉ số độ nhớt lỏng được điều chế từ
OCP 2530 PL rắn và các phụ gia dạng lỏng nhập khẩu.

12


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Ngun

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1.

Độ nhớt tuyệt đối.

Hình 2.2.

Tương quan độ nhớt – tốc độ trượt của chất lỏng Newton và phi
Newton.

Hỉnh 2.3.

Ảnh hưởng của tốc độ trượt tới độ nhớt của chất lỏng Newton và
phi Newton.

Hình 2.4.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ nhớt của dầu.

Hình 2.5.

Cơng thức cấu tạo các loại VII.

Hình 2.6.

Cơ chế hoạt động của phụ gia tăng chỉ số độ nhớt.

Hình 3.1.

Máy đo độ nhớt tự động.

Hình 3.2.

Phương pháp xác định chỉ số độ nhớt.

Hình 3.3.

Máy đo độ nhớt ở nhiệt độ cao, ứng suất trượt cao.

Hình 4.1.

Quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng từ OCP
2530 PL rắn.

13


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 3.1.

Đường chuẩn liên hệ giữa độ nhớt và momen xoắn.

Đồ thị 4.1.

Ảnh hưởng của loại dầu gốc đến chất lượng phụ gia OCP 2530
PL dạng lỏng.

Đồ thị 4.2.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế đến chất lượng phụ
gia dạng lỏng khi nồng độ OCP 2530 PL là 5%.

Đồ thị 4.3.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế đến chất lượng phụ
gia dạng lỏng khi nồng độ OCP 2530 PL là 6%.

Đồ thị 4.4.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế đến chất lượng phụ
gia dạng lỏng khi nồng độ OCP 2530 PL là 7%.

Đồ thị 4.5.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian điều chế đến chất lượng phụ
gia dạng lỏng khi nồng độ OCP 2530 PL là 8%.

Đồ thị 4.6.

Ảnh hưởng của loại chất chống oxy hóa đến chất lượng phụ gia
OCP 2530 PL dạng lỏng.

Đồ thị 4.7.

Kết quả chấm điểm cho các quy trình điều chế phụ gia theo các
hàm mục tiêu về kỹ thuật.

Đồ thị 4.8.

Kết quả chấm điểm cho các quy trình điều chế phụ gia theo các
hàm mục tiêu về kinh tế - kỹ thuật.

Đồ thị 4.9.

So sánh chất lượng các loại phụ gia tăng chỉ số độ nhớt theo khía
cạnh kỹ thuật.

14


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hiện nay, dầu nhờn đóng một vai trị rất quan
trọng trong hoạt động sản xuất, giao thông vận tải và dân dụng. Tác dụng chính
của dầu nhờn là làm giảm ma sát, giảm mài mòn, làm mát và bảo vệ động cơ,
giúp động cơ đạt được hiệu quả hoạt động tối ưu. Theo thống kê, hiện nay, mức
tiêu thụ dầu nhờn trên thế giới khoảng 40 triệu tấn mỗi năm với tốc độ tăng
trưởng là 4% – 8%/ năm.
Tất cả các sản phẩm dầu nhờn thương mại không thể thiếu một thành tố
quan trọng là chất phụ gia. Tuy chỉ chiếm từ 0,01 đến 20,00% nhưng phụ gia
đóng vai trò sống còn và là yếu tố quyết định đến chất lượng của một thương
hiệu dầu nhờn.
Các loại phụ gia được phân chia theo chức năng như: chống oxy hoá, chống
ăn mòn, chống rỉ, chống tạo cặn, tăng chỉ số độ nhớt, chống tạo bọt, tạo nhũ,

diệt khuẩn, tẩy rửa…
Trong các loại phụ gia trên, phụ gia tăng chỉ số độ nhớt đóng vai trị rất
quan trọng trong dầu nhờn động cơ. Phụ gia tăng chỉ số độ nhớt giúp dầu nhờn
có độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó, bảo vệ động cơ ở nhiều điều kiện
khác nhau cũng như dễ khởi động hơn.
Các nhà máy sản xuất dầu nhờn hiện nay hầu hết đều sử dụng phụ gia tăng
chỉ số độ nhớt được điều chế sẵn ở dạng lỏng. Các phụ gia này được điều chế
bởi một vài nhà sản xuất như Lubrizol, Infinium, Afton, Oronite… và phải
nhập về từ nước ngồi. Chính vì lý do đó, phụ gia tăng độ nhớt có giá cao và
nguồn cung cấp không ổn định.
Bên cạnh phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng, một số công ty cũng đã tự
điều chế phụ gia từ nguyên liệu dạng rắn để sử dụng. Tuy nhiên, do quy trình
điều chế chưa được khảo sát và tối ưu hóa nên chất lượng phụ gia khơng cao,
chỉ có thể sử dụng cho các sản phẩm dầu nhờn cấp thấp để tiết giảm giá thành.

15


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

Do đó, việc khảo sát và tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số
độ nhớt dạng lỏng từ nguyên liệu dạng rắn là nhu cầu xuất phát từ thực tiễn,
giúp giảm giá thành sản xuất dầu nhờn, đồng thời có thể linh hoạt, chủ động về
nguồn nguyên liệu.
Từ những ý nghĩa thực tiễn đó, tơi xác định mục tiêu của đề tài như sau:
1. Tối ưu hóa quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng từ
ethylene – propylene copolymer OCP 2530 PL dạng rắn.
2. Xây dựng quy trình điều chế phụ gia tăng chỉ số độ nhớt dạng lỏng từ
ethylene – propylene copolymer OCP 2530 PL dạng rắn.

16


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN
2.1.

Tổng quan về dầu nhờn.

2.1.1. Định nghĩa: Dầu nhờn là sản phẩm được tạo thành từ dầu gốc và có
hoặc khơng có phụ gia, có tác dụng giảm lực ma sát giữa 2 bề mặt tiếp xúc.
2.1.2. Công dụng của dầu nhờn:
2.1.2. 1. Công dụng bơi trơn và giảm ma sát.
Dầu nhờn có nhiều cơng dụng trong đó cơng dụng quan trọng nhất là bơi
trơn các bề mặt có chuyển động trượt giữa các chi tiết, làm giảm ma sát, do đó
làm giảm tổn thất cơ giới trong động cơ, tăng hiệu suất có ích của toàn động
cơ, tức là tăng tính hiệu quả kinh tế cho hoạt động của động cơ. Nguyên nhân
của việc giảm ma sát là do khi bôi trơn sẽ có sự thay thế trực tiếp giữa các chi
tiết máy bằng ma sát nội tại của màng chất lỏng ngăn cách các chi tiết máy. Ma
sát nội tại giữa các màng chất lỏng này luôn luôn nhỏ hơn rất nhiều so với các
dạng ma sát khác.
2.1.2. 2. Làm kín khoảng cách giữa xilanh và piston.
Màng dầu bôi trơn ngăn cách các chi tiết chuyển động trong động cơ, ngoài
tác dụng bơi trơn, giảm ma sát, chống mài mịn cịn có tác dụng làm kín. Trên
thực tế bề mặt của xecmăng, rãnh xecmăng và thành xylanh khơng trơn tru.
Qua kính hiển vi ta sẽ thấy bề mặt của chúng nhấp nhô. Chính vì thế xecmăng
khơng thể hồn tồn ngăn cản hơi đốt từ trong buồng đốt có áp suất cao lọt ra

ngồi vào cacte là nơi có áp suất thấp, do vậy làm giảm cơng suất của động cơ.
Dầu máy có chức năng lấp vào các khoảng trống giữa các bề mặt xecmăng và
thành xylanh, có tác dụng làm kín, ngăn cản tối đa khơng cho các khí nóng
trong q trình đốt cháy đi qua xecmăng của piston đi vào cacte. Độ kín của hệ
piston – xecmăng – xylanh phụ thuộc vào độ nhớt của dầu bơi trơn. Vì vậy khi
lắp ráp cụm chi tiết máy phải bôi trơn dầu vào rãnh xecmăng và bề mặt xylanh.
2.1.2. 3. Làm sạch và thải bỏ những chất cặn bẩn có hại.

17


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

Trên bề mặt ma sát, trong q trình làm việc thường có vảy rắn tróc ra khỏi
bề mặt. Dâù bôi trơn sẽ cuốn trôi các vảy tróc, sau đó giữ lại trong các bầu lọc
của hệ thống bôi trơn tránh cho bề mặt bị cào xước. Vì vậy khi động cơ chạy rà
sau khi lắp ráp hoặc sửa chữa thường có nhiều mạt kim loại cịn sót lại trong
q trình lắp ráp và nhiều vảy tróc ra khi chạy rà nên phải dùng dầu bơi trơn
có độ nhớt nhỏ để tăng khả năng rửa trôi các mạt bẩn trên bề mặt và sau đó
chạy rà phải thay nhớt mới phù hợp hơn. Ngoài ra, trong động cơ diezen khi
nhiên liệu cháy tạo ra muội than, cần tránh hiện tượng muội bám cặn trên thành
18olyme nhiều gây cháy xecmăng, cũng như muội làm nghẽn bộ lọc các đường
dẫn dầu bơi trơn. Trong động cơ xăng pha chì khi xăng cháy cũng tạo ra một
lượng muội chì, cần tránh sự đóng cặn của muội chì. Tất cả hiện tượng vừa nói
trên góp phần tạo ra hai loại cặn trong dầu máy trong quá trình làm việc là cặn
bùn và cặn cứng.
Cặn bùn được tạo thành do sự kết hợp giữa hơi nước, bụi, sản phẩm xuống
cấp và nhiên liệu cháy dở. Ban đầu cặn bùn tồn tại ở dạng những hạt rất nhỏ
mà khơng có bầu lọc nào có thể tách chúng ra được. Lúc ban đầu tác hại khơng
lớn vì chúng ít và rời rạc. Nhưng cùng với thời gian cặn bùn tích tụ nhiều, đóng

cục lại và sẽ gây tác hại, làm hạn chế sự lưu thông của dầu.
Cặn cứng (Vecni) là sản phẩm của quá trình oxy hố các hợp phần kém ổn
định có trong dầu trong nhiệt độ và áp suất cao. Cặn cứng làm thành một lớp
cứng trên các chi tiết có nhiệt độ cao của động cơ. Các bộ phận bơm, xecmăng,
piston và các ổ đỡ rất dễ bị đóng cặn cứng. Nếu để cho các cặn cứng tích tụ
trên các chi tiết này động cơ không thể làm việc một cách bình thường được.
Dầu nhờn với phụ gia tẩy rửa sẽ có tác dụng ngăn cản sự tích tụ của cặn
bùn, cặn cứng, giữ cho bề mặt các chi tiết luôn được sạch và tạo điều kiện cho
động cơ hoạt động một cách trơn tru.
Để đảm bảo các công dụng của dầu bơi trơn u cầu dầu bơi trơn có thành
phần và có chất lượng phù hợp. Thành phần và chất lượng đó phụ thuộc vào
các loại dầu nhờn gốc và các phụ gia sử dụng trong pha chế cũng như điều kiện
tại xưởng pha chế dầu nhờn.

18


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

2.1.2. 4. Chống ăn mòn.
Nước là một nguyên nhân gây nên sự rỉ sét của các chi tiết được chế tạo từ
kim loại. Mỗi một thể tích nhiên liệu đốt cháy trong động cơ sản ra hơn một thể
tích nước, mặc dù phần lớn lượng nước này ở thể hơi và thoát ra qua ống xả,
tuy nhiên cịn một ít đọng lại trong 19oly xi lanh hay lọt qua xecmăng và
ngưng lại trong cacte. Hiện tượng này thường xảy ra khi thời tiết lạnh hay khi
động cơ chưa được sưởi ấm. Thêm vào đó là các sản phẩm phụ sinh ra do nhiên
liệu cháy dở. Nhưng khí cháy có tính ăn mịn cũng lọt qua xecmăng rồi ngưng
lại hoặc hồ tan trong dầu, ngồi ra cịn các chất axít được tạo thành do sự oxy
hố dầu. Vì vậy khả năng tạo rỉ sét và ăn mịn càng trở nên trầm trọng. Các chi
tiết cần được bảo vệ chống lại sự ăn mòn và chống rỉ.

Màng dầu bôi trơn phủ lên bề mặt các chi tiết ma sát có tác dụng chống rỉ
sét cho máy móc trong thời gian ngừng hoạt động, đặc biệt là các bộ phận ẩm
ướt như tuốc bin hơi, máy móc làm việc trên cơng trường, đồng ruộng. Ngồi
ra chúng cịn có tác dụng hạn chế tối đa sự lan truyền của chất axit, một sản
phẩm của quá trình cháy các loại nhiên liệu nhiều lưu huỳnh trong động cơ
19olyme. Tuổi thọ của động cơ phụ thuộc một phần vào khả năng trung hồ
của dầu máy đối với những hợp chất có tác dụng ăn mịn. Để dầu nhờn đảm
bảo được tính năng này phải sử dụng các phụ gia mang tính kiềm có tác dụng
trung hồ các axit tạo ra khi nhiên liệu cháy. Thơng thường trong q trình sử
dụng dầu nhờn, hàm lượng phụ gia ngày sẽ giảm dần. Khi phụ gia thấp dưới
quy định cho phép thì dầu khơng cịn đủ phẩm chất và phải thay thế.
2.1.2. 5. Chống mài mịn.
Dầu nhờn có tác dụng ngăn chặn tối đa sự mài mịn xảy ra ở các nơi có
nhiều chuyển dịch tương đối giữa các bề mặt với tốc độ thấp, ở giữa các bề mặt
chịu tải cao.
Ở điều kiện nhiệt độ và áp lực cao, màng dầu bơi trơn có khả năng bị phá
huỷ nên yêu cầu trong dầu bôi trơn phải có những phụ gia chống mài mịn, tạo
thành trên các chi tiết kim loại một màng chất bảo vệ bền vững. Chúng sẽ trượt
dọc theo nhau mà không gây hiện tượng mài mòn các bề mặt kim loại.

19


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

2.1.2. 6. Làm mát động cơ.
Do ma sát tại các bề mặt làm việc như piston- xylanh trục khuỷu – bậc lót
đều phát sinh nhiệt. Mặt khác một số chi tiết như piston, vòi phun còn nhận
nhiệt của khí cháy truyền đến. Do đó, nhiệt độ ở một số chi tiết là rất cao, có
thể phá hỏng các điều kiện làm việc bình thường của động cơ như gây ra bó

kẹt, giảm độ bền của các chi tiết, kích nổ ở động cơ xăng, giảm hệ số nạp…
Nhằm giảm nhiệt cho các chi tiết máy cần có hệ thống làm mát trong q trình
động cơ hoạt động. Làm mát động cơ dựa vào hệ thống làm mát chỉ thực hiện
được 60% công việc làm mát. Nước làm mát phần trên động cơ là các đỉnh
xylanh, 20oly xylanh và các van, còn trục khuỷu các ổ đỡ, trục cam, các bánh
răng, piston và các cụm chi tiết khác được làm mát bằng dầu máy. Dầu máy
cacte theo hệ thống bơi trơn (có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chi tiết ) được dẫn
đến các bề mặt có nhiệt độ cao để tải bớt nhiệt đi và cacte lại được làm mát
bằng bộ tản nhiệt khơng khí. Đặc biệt dầu bơi trơn là phương tiện chính làm
mát piston. Thực tế cho thấy khi dòng dầu làm mát dẫn đến đỉnh dưới của
piston gặp trục trặc thì piston sẽ bị kẹt ngay. Nếu vì một lý do nào đó lượng
dầu không đủ để tản bớt nhiệt, khiến nhiệt độ vượt ngưỡng an tồn sẽ làm cho
kim loại của vịng bị nóng chảy ra và bị phá huỷ.
Chức năng làm mát này đòi hỏi phải chịu nhiệt độ cao nghĩa là dầu giữ
được tính ổn định, khơng bị biến chất do tác dụng của oxy trong khơng khí ở
nhiệt độ cao. Để đạt được tính ổn định đó trên thực tế phải nhờ tới các phụ gia
chống oxy hoá. Muốn tản nhiệt tốt phải thay dầu trước khi độ nhiễm bẩn của
dầu quá cao nằm tại các hệ thống dẫn dầu, đồng thời giữ mức dầu trong cacte
cao hơn mức dầu tối thiểu cho phép.
2.2.

Các thành phần cơ bản của dầu nhờn.

Từ xưa, con người đã biết sử dụng nhiều loại dầu nhờn khác nhau như mỡ
nước, mỡ động vật, dầu thảo mộc, các sản phẩm dầu mỡ tổng hợp, các loại dầu
mỡ quánh… Ngày nay, dầu nhờn có nguồn gốc từ dầu mỏ được sử dụng phổ
biến nhất. Nguyên liệu chủ yếu của loại dầu nhờn này là dầu gốc, gồm các
hydrocacbon tự nhiên và tổng hợp khác nhau. Tuy nhiên, dầu gốc khơng có đủ

20

HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

các tính năng cần thiết nên người ta thường cho thêm các phụ gia để tăng
cường tính năng cho dầu nhờn.
2.2.1.

Dầu gốc.

2.2.1.1.

Khái niệm về dầu gốc.

Nguyên liệu chính để sản xuất dầu gốc là phân đoạn nặng sau chưng cất khí
quyển có nhiệt độ sơi trên 300 oC. Trong phân đoạn này có chứa các hợp chất
hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ 21 đến 40 hay cao hơn, chủ yếu là :

-

Paraffin mạch thẳng và mạch nhánh.

-

Naphten vịng thơm hay đa vịng, có hoặc khơng có mạch nhánh alkyl.

-

Các hydrocacbon thơm đơn vịng hay đa vịng, có hoặc khơng có mạch

nhánh alkyl.

-

Các hợp chất lai hợp mà chủ yếu là loại lai hợp giữa naphten và

paraffin, giữa naphten và hydrocacbon thơm.
Những hydrocacbon trong phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn và có
cấu trúc phức tạp, đặc biệt là dạng hydrocacbon lai hợp tăng lên rất nhiều.
Bảng 2.1 : Tính chất vật lý và hóa học của các loại dầu gốc.
Tính chất / thành phần hóa học

Dầu parafin

Dầu naphten

Dầu aromatic

Độ nhớt ở 40oC, mm2/s

40

40

36

Độ nhớt ở 100 oC, mm2/s

6,2

5,0

4,0

Chỉ số độ nhớt

100

0

-185

0,8628

0,9194

0,9836

Nhiệt độ chớp cháy ,oC

229

174

160

Điểm 21olymer, oC

107

73

17

Nhiệt độ đông đặc, oC

-15

-30

-24

Phân tử lượng

440

330

246

Chỉ số khúc xạ

1,4755

1,5068

1,5503

0,2

3,0

6,0

Tỷ trọng d4

20

Phân tích qua đất sét
% hợp chất phân cực

21


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

% thành phần thơm

8,5

43

80

% thành phần no

91,3

54

14

% CA

2

19

41

% CN

32

37

36

% CP

66

44

23

Loại nguyên tử carbon
( phân tích cấu trúc nhóm )

Loại hydrocacbon n-parafin, iso-parafin thường có số lượng ít hơn so với

naphten hay hydrocacbon thơm và dạng lai hợp, điều này vẫn cịn đúng đối với
dầu thơ họ parafinic. Các iso-parafin lại có số lượng ít hơn n-parafin, chúng có
đặc điểm là có cấu trúc mạch chính dài, ít nhánh phụ và các nhánh chỉ là các
nhóm metyl.
Các hydrocacbon naphten là loại chiếm đa số trong phân đoạn này, số vịng
naphten có thể từ 1 đến 4 vịng. Xung quanh vịng naphten thường có nhánh
phụ là các nhóm metyl và đồng đẳng. Những loại naphten có 1 hoặc 2 vịng và
có nhánh phụ là các hydrocacbon parafin dài, nhánh phụ thường là mạch alkyl
thẳng hoặc nhánh và thường ít nhánh.
Các hợp chất thơm ở phân đoạn dầu nhớt thường gặp là loại 1, 2 hay 3 vòng
thơm. Đại bộ phận các hợp chất thơm ở phân đoạn dầu nhớt là loại lai hợp, lai
hợp naphten và hydrocacbon thơm hay parafin.
Ngồi các hydrocacbon, trong dầu gốc cịn có các hợp chất dị nguyên tố
chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh. Nói chung các hợp chất phi hydrocarbon là rất có
hại, chúng tạo màu sẫm cho sản phẩm, làm giảm độ ổn định oxy hóa của sản
phẩm.
Tính chất của dầu gốc phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hydrocacbon.
Người ta thấy các hợp chất n-parafin với phân tử lượng lớn thường là parafin
rắn (sáp), chúng làm giảm độ linh động của dầu nhớt nên hàm lượng của chúng
cũng phải giảm đến mức cần thiết, đặc biệt đối với các loại dầu bôi trơn làm

22


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

việc ở nhiệt độ âm. Trong khi đó các iso-parafin lại là thành phần rất tốt trong
dầu bơi trơn vì chúng có độ nhớt thích hợp và tính chất nhớt nhiệt rất tốt.
Bảng 2.2 : Chỉ số độ nhớt của iso-parafin C21 và C24
Hydrocacbon

Số nguyên tử C trong phân tử

Chỉ số độ nhớt

2-metyl eicozan

21

165

3-metyl eicozan

21

146

4-metyl eicozan

21

145

5-metyl eicozan

21

140

2-metyl tricozan

24

170

2,2-dimetyl docozan

24

163

2,4-dimetyl docozan

24

144

2,4,6-trimetyl heneicozan

24

118

Số liệu bảng trên cho thấy, nếu mạch càng dài, nhánh phụ ở vị trí đầu mạch
và lại có nhánh thì chúng có chỉ số độ nhớt đặc biệt cao và đó là các cấu tử
thích hợp nhất trong thành phần của dầu gốc có chất lượng cao.
Các hydrocacbon naphten hay hydrocacbon thơm 1 vòng hay 2 vịng với
mạch nhánh parafin dài khi có cùng nhiệt độ sơi thì độ nhớt cũng xấp xỉ nhau.
Khi tăng chiều dài nhánh, độ nhớt tăng lên rõ rệt và chỉ số độ nhớt cũng tốt, đặc
biệt là khi mạch nhánh alkyl lại phân nhánh. Còn đối với các naphten và

hydrocacbon thơm nhiều vịng hoặc lai hợp naphten-hydrocacbon thơm thường
có độ nhớt rất cao, song chỉ số độ nhớt lại rất thấp. Như vậy các hợp chất này
không phải là cấu tử cần thiết để tạo ra sản phẩm dầu bơi trơn chất lượng cao.
Mặt khác trong q trình bảo quản hay làm cho các hợp chất này có xu hướng
tạo nhựa mạnh làm giảm nhanh chóng tính năng sử dụng của dầu nhớt.
Như vậy chỉ có các hợp chất hydrocacbon với cấu trúc gồm naphten hay
hydrocacbon thơm 1 vòng có nhánh iso-parafin dài và các iso-parafin mới là
những cấu tử lý tưởng cho dầu bơi trơn vì chúng khơng chỉ có độ nhớt đảm bảo

23


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Ngun

mà cịn có chỉ số độ nhớt rất cao cho phép chế tạo được dầu nhớt có chất lượng
cao.
2.2.1.2. Phân loại dầu gốc.
Dầu gốc được phân loại dựa vào dựa vào 3 tiêu chí :
Dựa vào bản chất hoá học của các hydrocarbon, dầu gốc được chia làm 3
loại :
+ Parafin : Độ ổn định oxy hóa cao, điểm chảy cao, chỉ số độ nhớt cao.
+ Naphten : Độ ổn định nhiệt nhỏ hơn dầu parafin, hàm lượng lưu huỳnh
thấp, điểm đông đặc thấp, trị số acid tổng cao, chỉ số độ nhớt thấp.
+ Aromatic : Độ bền oxy hóa thấp, độ bền nhiệt thấp , điểm đông cao, hàm
lượng lưu huỳnh cao, chỉ số độ nhớt rất thấp.
Theo tiêu chuẩn API, dầu gốc được chia thành 5 nhóm :
Bảng 2.3 : Phân loại dầu gốc theo tiêu chuẩn API.

Nhóm

%

%
Sunfua

Hydrocarbon

VI

bão hịa

Phương pháp
sản xuất

I

> 0.03

< 90

80 ≤ VI ≤ 120

Trích ly chiết tách bằng dung mơi

II

≤ 0.03

≥ 90

80 ≤ VI ≤ 120

Xử lý bằng hydro

III

≤ 0.03

≥ 90

VI ≥ 120

Hydro isome hóa

IV

PolyAlphaOlefins (PAO) – Dầu tổng hợp

V

Tất cả các loại dầu gốc cịn lại khơng nằm trong nhóm I, II, III, IV

2.2.2.

Các loại phụ gia.

Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí cả những
nguyên tố được đưa thêm vào dầu nhờn để nâng cao tính chất riêng biệt của sản
phẩm cuối cùng. Phụ gia được pha vào sản phẩm dầu mỡ với nồng độ thông
thường 0,01  20% khối lượng.

Phụ gia có thể sử dụng riêng biệt, cũng có thể dùng hỗn hợp một số phụ gia
được pha trộn thành phụ gia hỗn hợp.

24


HVTH: Trần Nguyễn Bảo Nguyên

2.2.2.1.

Phụ gia chống oxy hóa.

Phản ứng ơxy hố là phản ứng trong đó ơxy kết hợp với các chất khác,
trong đó có sự trao đổi điện tử. Đây là một khía cạnh quan trọng của quá trình
bơi trơn khi mà oxy khơng khí có thể tác dụng với các hợp phần của dầu bôi
trơn ở những điều kiện vận hành khác nhau. Để làm giảm sự tạo thành các sản
phẩm oxy hoá từ dầu nhờn, người ta sử dụng các chất ức chế oxy hố. Chúng
có tác dụng làm giảm bớt các peroxyt hữu cơ, do đó kết thúc các phản ứng và
vì thế làm giảm tối đa sự tạo thành axit, muội, 25olymer và cặn bùn…
Phản ứng ức chế:
ROO. + InhH  ROOH + Inh .
Inh . + .OOR  InhOOR ( hợp chất không hoạt động)
Trong đó Inh là chất ức chế ơxy hố.
+ Nhóm thứ nhất: Bao gồm các hố chất phản ứng với các gốc khơi mào,
các gốc peroxyt và hydroperoxyt để tạo thành các hợp chất khơng hoạt động.
+ Nhóm thứ hai: Gồm những chất hố học có tác dụng phân huỷ những
hợp chất trên thành những hợp chất kém hoạt động.
2.2.2.2.

Phụ gia thụ động hóa kim loại.

Các chất phụ gia làm ngăn cản hoặc làm chậm tác động xúc tác được gọi là
các chất khử hoạt tính kim loại hoặc thụ động hóa kim loại. Các chất khử hoạt
tính kim loại chung nhất là các dẫn xuất halogen và propylendiamin của
disalixiliden.
OH
OH

N

CH 2 CH 3

N- salixiliden etylamin
Các chất này khử hoạt tính kim loại có mặt trong dầu bơi trơn do hình thành
các phức chelat. Các chất thụ động kim loại là các phụ gia dầu bôi trơn tác
động bằng cách tạo màng trên bề mặt là các phụ gia dầu bơi trơn có tác động
bằng cách tạo màng trên bề mặt kim loại. Chúng có thể được xem như chất ức
chế ăn mịn vì chúng ngăn cản q trình oxy hóa dầu nhờn bởi tác động xúc tác

25