nghiên cứu tái sinh dầu nhờn thải động cơ

Màu sắc của dầu nhờn Sự khác nhau về màu sắc của dầu bôi trơn có nguồn gốc từ sự khác nhau về dầu thô dùng chế biến ra nó, về khoảng nhiệt độ sôi, về phơng pháp và mức độ làm sạch trong

Mở đầu

Chúng ta đang sống trong thời đại của khoa học và công nghệ, nền công nghiệp hiện đại đã và đang xâm nhập vào mọi nơi, mọi chỗ trên thế giới và xu h-ớng quốc tế hoá đời sống kinh tế thế giới cũng ngày càng phát triển mạnh mẽ Máy móc, thiết bị, các hoạt động giao thông vận tải ngày càng nhiều với chất l-ợng ngày một nâng cao Tất cả những đặc điểm nêu trên của thời đại đã đạt ra sự cần thiết phải có một nền công nghiệp bôi trơn tiên tiến, hiện đại, thoã mãn nhu cầu ngày càng tăng về cả số lợng và chất lợng của nền kinh tế quốc dân đang không ngừng phát triển

Hoàn cảnh lịch sử đã tạo nên một tình huống không bình thờng là, trong khi nớc ta sản xuất và xuất khẩu hàng chục triệu tấn dầu mỗi năm, đồng thời là n-

ớc đông dân thứ 13 trên thế giới, thì lại là một trong số rất ít nớc trên thế giới không có công nghệ lọc – hoá dầu Các sản phẩm hoá dầu quan trọng đều phải nhập ngoại Dầu nhờn cũng không phải là trờng hợp ngoại lệ

Hằng năm, mức tiêu thụ dầu mỡ bôi trơn ở nớc ta đạt khoảng 100000 tấn/năm, với mức tăng trởng 4 - 8% Toàn bộ lợng dầu nhờn này phải nhập từ nớc ngoài dới dạng thành phẩm hoặc ở dạng dầu gốc cùng với các loại phụ gia rồi tự pha chế Trong khi đó hầu nh toàn bộ dầu thải (dầu sau sử dụng) đợc thải trực tiếp ra môi trờng Đó là sự lãng phí quá lớn vì dầu thải chính là nguồn nguyên liệu có thể sử dụng trong công nghiệp và hơn nữa nó sẽ gây ra ô nhiễm môi trờng nghiêm trọng nếu điều này không đợc cải thiện Việc tái sinh dầu thải không những cho phép tiết kiệm đáng kể nguồn nguyên liệu, mà còn có giá trị về mặt kinh tế cao, và quan trọng hơn là giải quyết đợc nạn ô nhiễm môi trờng, một vấn

đề đang đợc quan tâm hàng đầu trong đời sống và sản xuất

Không phải chỉ những nớc nhập khẩu dầu hay các nớc đang phát triển mà ngay cả các nớc có trữ lợng dầu thô không nhỏ và các nớc phát triển cũng không ngừng nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ tái sinh hiện đại Hiện nay trên thế

giới có rất nhiều công nghệ tái sinh dầu thải khác nhau dựa trên thiết bị hiện đại, phức tạp nh xử lý đặc biệt bằng hoá chất, chng cất chân không, ly tâm, trích ly và hydro hoá làm sạch Tất cả các phơng pháp hiện đại đấy đều cho ra sản phẩm dầu gốc hoàn toàn có thể thay thế đợc dầu khoáng ban đầu Tuy nhiên đều đòi hỏi vốn đầu t xây dựng dây truyền tái sinh lớn, kỹ thuất cao, công nghệ phức tạp, công nhân, kỹ s vận hành có trình độ chuyên môn cao.

ở nớc ta, vấn đề tái sinh dầu thải cha thật sự đợc quan tâm Việc tái sinh dầu thải không tập trung, quy nô nhỏ, sử dụng các phơng pháp đơn giản Quy trình thu gom cha hợp lý, lại sử dụng phơng pháp không hoàn chỉnh về công nghệ, gây ô nhiễm môi trờng Nhiều xởng tái sinh t nhân còn gây cháy nổ nghiêm trọng do không có ý thức phòng chống cháy nổ và bảo vệ môi trờng

Do vậy việc nghiên cứu để đa ra phơng pháp tái sinh dầu thải phù hợp với

điều kiện hiện nay của Việt Nam là một vấn đề đáng quan tâm Bởi vì, phát triển bền vững chỉ có thể đạt đợc khi dựa trên cơ sở khoa học công nghệ vững chắc và mục tiêu của nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ là phục vụ phát triển kinh tế, phát triển đất nớc

Dầu nhờn động cơ là nhóm dầu quan trọng nhất trong các loại dầu bôi trơn Tính trung bình, chúng chiếm khoảng 40% tổng các loại dầu bôi trơn sản xuất trên thế giới ở Việt Nam, dầu nhờn động cơ chiếm khoảng 60% lợng dầu bôi trơn Vì vậy trong đề tài này, chúng tôi tập trung khảo sát và xây dựng quy trình tái sinh dầu thải động cơ sao cho thu đợc hiệu suất cao nhất và có chất lợng cao nhất dựa vào sự kết hợp hai phơng pháp: đông tụ và hấp phụ

Chơng I Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung [2, 5]

Ngay từ thời đồ đồng, khi mà con ngời chế tạo ra xe có bánh và các loại xe kéo thì cũng là lúc xuất hiện các chất bôi trơn đầu tiên Nh vậy kỹ thuật và các chất bôi trơn đã trở thành những yếu tố không thể tách rời nhau Dù lợng chất bôi trơn cần dùng chỉ bằng 10% so với nhiên liệu, nhng nếu thiếu chất bôi trơn hoặc chất bôi trơn không phù hợp, thì không một loại động cơ, máy móc nào từ đơn giản đến phức tạp có thể hoạt động nhịp nhàng và lâu bền đợc

Tại sao các chất bôi trơn lại có vai trò quan trọng nh vậy?

Khi một vật dịch chuyển trên bề mặt của một vật khác thì sẽ xuất hiện một lực gọi là lực ma sát Lực đó đã cản lại chuyển động của chính các vật thể Hiện tợng ma sát luôn kéo theo sự hao phí công suất nhằm khắc phục ma sát và làm toả nhiệt, gây mài mòn các chi tiết làm việc

Không chỉ ở các nớc đang phát triển mà ngay cả ở các nớc công nghiệp phát triển, tổn thất do ma sát và mài mòn gây ra chiếm tới vài phần trăm tổng thu nhập quốc dân ở CHLB Đức, thiệt hại do ma sát mài mòn các chi tiết máy liên quan tới việc sử dụng vật liệu bôi trơn hằng năm lên tới 32- 40 tỷ DM Trong đó ngành công nghiệp chiếm 8,3- 9,4 tỷ, ngành năng lợng 2,67- 3,2 tỷ và ngành giao thông vận tải là 17- 32 tỷ ở Canada, tổn thất do ma sát và mài mòn là hơn 5 tỷ

đôla Canada Chi phí bảo dỡng các máy móc và các thiết bị do mài mòn lên tới 46% chi phí ban đầu Riêng trong ngành lâm nghiệp của thế giới, chi phí sửa chữa gây ra bởi ma sát và mài mòn gấp 3,5 lần chi phí đầu t ban đầu ở nớc ta, mặc dù mức độ cơ giới hoá trong đời sống và kỹ thuật cha thật cao, nhng theo

đánh giá của các chuyên gia cơ khí, những tổn thất do ma sát và mài mòn cùng với những chi phí bảo dỡng, sửa chữa hằng năm cũng lên tới vài trăm triệu đôla Mỹ…

Những thiệt hại đáng kể đó của ma sát đòi hỏi con ngời luôn luôn phải tìm tòi, nghiên cứu để tạo ra những chất bôi trơn tốt nhất Trong khi cố gắng giảm tác

động của ma sát, con ngời đã áp dụng nhiều biện pháp khác nhau Một thành tựu lớn của con ngời là phát hiện ra rằng khi các bề mặt làm việc đợc bôi trơn bằng dầu thì ma sát giảm xuống rất nhiều Dầu nhờn (hoặc mỡ nhờn) làm giảm lực ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc bằng cách “cách ly” các bề mặt này để chống lại sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt kim loại Khi có hai bề mặt chuyển động đợc ngăn cách bởi một lớp dầu thì sẽ xuất hiện ma sát lỏng, tức là ma sát trong bản thân lớp dầu, giữa các phân tử dầu Lợng tổn thất năng lợng trong ma sát lỏng so với trong ma sát khô thì nhỏ hơn rất nhiều

Cùng với việc làm giảm ma sát trong chuyển động, dầu nhờn còn có một số chức năng khác góp phần cải thiện nhiều nhợc điểm của thiết bị, có thể kể đến

nh :

- Bôi trơn làm giảm bớt sự cọ sát, giảm lực ma sát, cờng độ mài mòn, ăn mòn của các bề mặt tiếp xúc đảm bảo cho máy móc có công suất làm việc tối đa

- Làm mát động cơ, chống lại sự quá nhiệt của các chi tiết

- Làm kín động cơ do dầu nhờn có thể lấp kín đợc các khe hở không thể khắc phục trong quá trình gia công, nhờ vậy đảm bảo đợc công suất của động cơ

- Tác dụng tẩy rửa sạch những hạt kim loại, cát, than chống lại sự mài…mòn

- Giảm mức tiêu thụ năng lợng của thiết bị, giảm chi phí bảo dỡng, sửa chữa cũng nh thời gian chết do hỏng hóc của thiết bị

1.2 Thành phần của dầu nhờn [1, 3]

Dầu nhờn thơng phẩm bao gồm hai hợp phần là dầu gốc và phụ gia Dầu gốc đợc sử dụng nhiều nhất là các phân đoạn dầu khoáng gốc dầu mỏ Ngoài ra còn có thể sử dụng một số loại dầu gốc tổng hợp hay dầu gốc động thực vật.

Dầu gốc chế biến từ dầu mỏ có nhiều chủng loại Tuy vậy chúng đợc sản xuất chủ yếu từ quy trình pha trộn trên cơ sở bốn loại nguyên liệu là:

- Phân đoạn dầu nhẹ: sôi trong khoảng 350- 400 oC

- Phân đoạn dầu trung bình: sôi trong khoảng 400- 450 oC

- Phân đoạn dầu nặng: sôi trong khoảng 450- 500 oC

- Phân đoạn dầu cặn: sôi khoảng trên 500 oC

Do vậy hầu hết các hợp chất có mặt trong các phân đoạn trên đều có mặt trong thành phần của dầu nhờn

1.2.1 Thành phần hydrocacbon của dầu gốc

1.2.1.1 Nhóm hydrocacbon naphten- parafin

Đây là nhóm hydrocacbon chủ yếu có trong dầu gốc dầu mỏ, hàm lợng của chúng có thể lên tới 40- 80% tuỳ thuộc loại dầu mỏ Nhóm hydrocacbon này có cấu trúc chủ yếu là các hợp chất hydrocacbon vòng naphten, có kết hợp với các nhánh alkyl hoặc iso alkyl Số nguyên tử cacbon trong phân tử có thể từ 20 đến

70 Các xyclo parafin thờng ở dạng vòng 5, 6 cạnh, cũng có thể ở dạng ngng tụ 2 hoặc 3 vòng hoặc lên tới 5 vòng nhng rất ít gặp Trong phân đoạn dầu nhẹ chứa chủ yếu loại một vòng và có ít nhánh phụ, còn ở phần có nhiệt độ sôi trung bình

và cao thờng là những cấu tử có nhiều vòng với nhánh phụ dài và các vòng ngng

tụ Những hydrocacbon naphtenic một vòng có mạch nhánh dài là thành phần rất tốt của dầu nhờn vì chúng có độ nhớt cao và ít thay đổi theo nhiệt độ

Ngoài ra còn có các hydrocacbon dạng n-parafin và iso-parafin với hàm ợng không lớn, mạch cacbon không quá 20 nguyên tử Loại hydrocacbon này có tính ổn định tốt, tính bôi trơn ít thay đổi theo nhiệt độ, nhng độ nhớt thấp và nhiệt

l-độ đông đặc cao

1.2.1.2 Nhóm hydrocacbon thơm và naphten thơm

Nhóm này bao gồm các hợp chất trong dãy đồng đẳng của benzen, naphtalen Cũng nh hydrocacbon naphtenic, các cấu tử aromat một vòng có nhánh phụ dài là nguyên liệu quý để sản xuất dầu nhờn có độ nhớt và chỉ số độ nhớt cao Đôi khi còn có đồng đẳng của phenantren và antraxen

Một hợp phần nữa là các hydrocacbon hỗn tạp, trong phân tử có cả vòng thơm và naphten, chúng thờng nằm ở phần có nhiệt độ sôi cao Nhóm hydrocacbon này dễ bị oxy hoá tạo ra các hợp chất keo nhựa, đồng thời có tính bôi trơn thay đổi nhiều theo nhiệt độ, do đó chúng là hợp phần là giảm chất lợng dầu thơng phẩm

1.2.1.3 Nhóm hydrocacbon rắn

Các hydrocacbon rắn có trong nguyên liệu sản xuất dầu bôi trơn, đôi khi lên tới 40- 50% tuỳ thuộc bản chất dầu thô Phần lớn chúng đã đợc tách lọc nhng không tránh khỏi còn lại một lợng nhỏ Sự có mặt của nhóm hydrocacbon này làm tăng nhiệt độ đông đặc, giảm khả năng sử dụng dầu ở nhiệt độ thấp, nhng lại làm tăng tính ổn định của độ nhớt theo nhiệt độ và tính ổn định chống oxy hoá

Nhóm này có hai loại hydrocacbon rắn là:

- Parafin là hỗn hợp chủ yếu của các n- alkan có khối lợng phân tử cao (thờng có mạch cacbon lớn hơn 20)

- Xerezin là hỗn hợp các hydrocacbon naphten có mạch nhánh alkyl dạng thẳng hoặc dạng nhánh và một lợng không đáng kể hydrocacbon rắn có vòng thơm và mạch nhánh alkyl

điểm của các hợp chất này là có độ nhớt lớn nhng có chỉ số độ nhớt lại rất thấp Mặt khác các chất nhựa có khả năng nhuộm màu rất mạnh, nên sự có mặt của chúng trong dầu sẽ làm dầu bị tối màu Trong quá trình bảo quản và sử dụng, khi tiếp xúc với oxi không khí ở nhiệt độ thờng hoặc nhiệt độ cao, nhựa đều dễ bị oxy hoá tạo ra các sản phẩm có trọng lợng phân tử lớn hơn tuỳ theo mức độ oxy hoá Những chất này làm tăng độ nhớt và đồng thời tạo cặn không tan đọng lại trong dầu khi đa vào bôi trơn lại làm tăng mài mòn các chi tiết tiếp xúc Đối với các loại dầu nhờn dùng bôi trơn các động cơ đốt trong, nếu hàm lợng chất nhựa

bị oxy hoá mạnh càng lớn thì chúng càng tạo ra nhiều loại cacbon, cacboid, cặn cốc, tạo tàn Vì vậy chúng đợc loại khỏi dầu nhờn nhờ quá trình làm sạch

Các hợp chất chứa lu huỳnh trong dầu nhờn chủ yếu là lu huỳnh dạng sunfua, khi đợc dùng để bôi trơn các động cơ đốt trong chúng sẽ bị cháy tạo nên

SO2 và SO3 gây ăn mòn các chi tiết động cơ

Những hợp chất của oxy, chủ yếu các hợp chất axit naphtenic có trong dầu gây ăn mòn các đờng dẫn dầu, thùng chứa làm bằng các hợp kim của Pb, Cu, Zn,

Sn, Fe Những sản phẩm ăn mòn này lại lắng đọng lại trong dầu, làm bẩn dầu và góp phần tạo cặn đóng ở các chi tiết của động cơ

1.3 Một số tính chất cơ bản của dầu nhờn [1, 3, 9]

1.3.1 Một số tính chất vật lý của dầu nhờn

1.3.1.1 Khối lợng riêng và tỷ trọng

Khối lợng riêng là khối lợng của một đơn vị thể tích của một chất ở nhiệt

độ tiêu chuẩn

Tỷ trọng là tỷ số giữa khối lợng riêng của một chất đã cho ở nhiệt độ quy

định với khối lợng riêng của nớc ở nhiệt độ quy định đó

Khối lợng riêng là một tính chất vật lý cơ bản và cùng với những tính chất khác đặc trng cho các phân đoạn nhẹ và nặng của dầu mỏ cũng nh đánh giá chất lợng của dầu thô

Phép xác định khối lợng riêng khá nhanh và dễ dàng Vì các sản phẩm của một loại dầu thô nhất định có khoảng nhiệt độ sôi và độ nhớt nhất định, sẽ có khối lợng riêng trong một khoảng xác định Tuy nhiên khối lợng riêng của một chất bôi trơn ít có ý nghĩa trong việc đánh giá chất lợng Khối lợng riêng của dầu

đã sử dụng cũng gần bằng khối lợng riêng của dầu nhờn cha sử dụng Một giá trị của khối lợng riêng bất thờng có thể cho thấy dầu bị lẫn sản phẩm khác hay một dung môi, một chất khí Chẳng hạn sự thay đổi khối lợng riêng của dầu nhờn

động cơ có thể là dấu hiệu bị lẫn nhiên liệu Tuy nhiên khối lợng riêng và tỷ trọng vẫn đợc dùng chủ yếu để xác lập các chỉ tiêu về trọng lợng và thể tích trong vận chuyển, tồn chứa và mua bán

Tiêu chuẩn ASTM D 941 để xác định khối lợng riêng và tỷ trọng bằng picnometer Lipkin có hai mao quản đối với dầu bôi trơn bất kỳ có độ nhớt nhỏ hơn 15 cSt (mm2/s) ở 12 oC

Tiêu chuẩn ASTM D 1298 thờng dùng trong phòng thí nghiệm Ngời ta dùng một tỷ trọng kế bằng thuỷ tinh để xác định khối lợng riêng, tỷ trọng hay độ

oAPI của tất cả các sản phẩm ở dạng lỏng

Tiêu chuẩn ASTM D 1250 cung cấp những bảng số nhằm chuyển đổi khối lợng riêng (hay tỷ trọng) của một sản phẩm dầu mỏ lỏng đo đợc từ -17,8 oC (0oF) tới 160 oC (500 oF) về nhiệt độ tiêu chuẩn ở 60 oF (15,6 oC)

1.3.1.2 Màu sắc của dầu nhờn

Sự khác nhau về màu sắc của dầu bôi trơn có nguồn gốc từ sự khác nhau về dầu thô dùng chế biến ra nó, về khoảng nhiệt độ sôi, về phơng pháp và mức độ làm sạch trong quá trình tinh luyện, về hàm lợng và phụ gia pha vào các dầu đó Màu dầu rất khác nhau: từ trong suốt đến sẫm màu hoặc đen kịt Màu ít có ý nghĩa đối với dầu động cơ vì rất nhiều dầu mới có pha các phụ gia tối màu và thông thờng trong quá trình sử dụng dầu động cơ tối màu rất nhanh

sáng truyền qua của một trong số dãy kính màu Ngời ta dùng một nguồn ánh sáng tiêu chuẩn, còn mẫu thì đợc đạt trong buồng thử rồi so sánh với màu của các

đĩa thuỷ tinh màu có giá trị từ 0,5 đến 8,0

Phép xác định màu của các sản phẩm dầu mỏ đợc sử dụng chủ yếu cho mục đích kiểm tra trong quá trình sản xuất và đối với ngời tiêu dùng thì màu dầu cũng là một chỉ tiêu chất lợng quan trọng, vì ngời ta nhìn thấy đợc Thông thờng các loại dầu thơng phẩm có màu nâu – vàng với xanh lá cây hoặc xanh lơ Các loại dầu thơng phẩm có màu tối hay mầu xấu đều không đợc a chuộng

1.3.2 Tính bôi trơn và lu chuyển của dầu nhờn

Trong động cơ, khi làm việc dầu nhờn lu chuyển trong hệ thống bôi trơn

Để dầu có thể bôi trơn tốt, đồng thời thực hiện đợc các chức năng khác, yêu cầu dầu phải có tính lu chuyển tốt Để đánh giá tính lu chuyển của dầu nhờn ở các

điều kiện khác nhau và xét khả năng bôi trơn của chúng, ngời ta sử dụng chỉ tiêu chất lợng là độ nhớt, chỉ số độ nhớt và nhiệt độ đông đặc

1.3.2.1 Độ nhớt của dầu nhờn

Độ nhớt của dầu nhờn là một đại lợng vật lý đặc trng cho trở lực ma sát nội tại của nó sinh ra khi chuyển động Nó là một trong những tính chất sử dụng quan trọng của dầu nhờn, có ảnh hởng nhiều đến sự lu thông của dầu trong hệ thống cũng nh khả năng bôi trơn và làm mát các bề mặt ma sát Thêm vào đó, độ nhớt xác định điều kiện của động cơ có thể khởi động dễ dàng ở điều kiện lạnh, chịu đợc sự sinh nhiệt trong ổ bi, bánh răng, xylanh, nó cũng đánh giá khả năng làm kín của dầu cũng nh mức độ tiêu hao và thất thoát

Nh vậy đối với mỗi chi tiết máy điều cơ bản đầu tiên là phải dùng dầu có

độ nhớt thích hợp đối với những điều kiện vận hành máy Thờng thì các phơng tiện tải trọng nặng, tốc độ thấp thì sử dụng các dầu bôi trơn có độ nhớt cao, những phơng tiện vận tải nhẹ, tốc độ cao thì dùng dầu có độ nhớt thấp Độ nhớt cũng là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc theo dõi dầu trong quá trình sử

dụng Nếu độ nhớt tăng, thì đó là biểu hiện dầu bị oxy hoá Còn nếu độ nhớt giảm thì có thể là nhiên liệu hay các tạp chất khác nhiễm vào dầu.

Theo các đơn vị SI thì độ nhớt đợc định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một

đơn vị diện tích (N/m2) cần dùng trong quá trình chuyển động tơng đối (m/s) giữa hai mặt phẳng nằm ngang đợc ngăn cách nhau bởi một lớp dầu dày 1 mm Đó là

độ nhớt động lực đợc tính bằng pascal giây (Pa.s)

Theo đơn vị CGS thì lại tính bằng poazơ P (dyn.s/cm2) Có thể chuyển đổi giữa hai đơn vị này theo công thức: 1 Pa.s = 10P Poazơ có thể chuyển sang đơn

vị động học thờng sử dụng là stoc (St) mà giá trị phụ thuộc tỷ trọng của dầu Trong hệ số đơn vị SI độ nhớt động học đợc tính bằng m2/s hay mm2/s (1 mm2/s =

1 cSt)

Có nhiều phơng pháp và thiết bị đợc dùng để đo độ nhớt, nhng quan trọng nhất là những dụng cụ dùng mao quản, mà trong mao quản đó thời gian chảy của dầu tỷ lệ với độ nhớt động học Nhiều hình dạng mao quản khác nhau đã đợc sử dụng, các chỉ tiêu kỹ thuật và những quy trình sử dụng của tất cả các loại nhớt kế

động học mao quản làm bằng thuỷ tinh đợc dẫn ra ở ASTM D 446 Một loại nhớt kế khác (nhớt kế Brookfield) đo độ cản trở sự quay của một xylanh trong dầu Với những hệ số chuyển đổi phù hợp cho những cỡ xylanh khác nhau ngời

ta có thể xác định đợc độ nhớt rất lớn hay rất nhỏ của dầu

Độ nhớt của bất kỳ chất lỏng nào cũng đều giảm đi khi nhiệt độ tăng Do

đó cần phải có một phơng pháp xác định độ nhớt của các dầu bôi trơn ở những nhiệt độ khác với nhiệt độ mà chúng đã đợc đo Thông thờng ngời ta tiến hành đo

độ nhớt ở hai nhiệt độ, sau đó đánh dấu những điểm này trên những đồ thị đặc biệt của độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ Hai nhiệt độ thờng dùng là 40oC và

100oC Đồ thị tơng quan độ nhớt – nhiệt độ trong thực tế là một đờng thẳng Bởi vậy khi một đờng thẳng đợc thiết lập bởi hai độ nhớt đã biết, thì độ nhớt thứ ba cần tìm tại một nhiệt độ nhất định nào đó có thể xác định trực tiếp trên đồ thị

Họ dầu gốc parafin có tính nhớt nhiệt tốt, quy ớc có chỉ số độ nhớt VI

- H là độ nhớt động học đo ở 40oC của một loại dầu có chỉ số độ nhớt bằng 100 và cùng độ nhớt động học ở 100oC với dầu cần đo chỉ số độ nhớt;

Nếu độ nhớt động học của dầu ở 100oC nhỏ hơn hay bằng 70 mm2/s thì các giá trị tơng ứng của L và H cần phải tra trong bảng ASTM D 2270 Bảng 1.1 trích một phần bảng ASTM D 2270.

Bảng 1.1 Một số giá trị của L và H ứng với giá trị độ nhớt động học ở 100 o C

Dầu có giá trị VI bằng 100 hay lớn hơn, chỉ số độ nhớt đợc tính nh sau:

VI = [(antilg N – 1)/0,00715] + 100Trong đó N = (lgH – lgU)/lgY

Nếu độ nhớt của dầu ở 100oC nhỏ hơn hay bằng 70 mm2/s thì giá trị H tơng ứng đợc tra từ ASTM D 2270 Nếu độ nhớt đo đợc lớn hơn 70 mm2/s thì giá trị H

đợc tính nh sau:

H = 0,1684 Y2 + 11,85 Y – 97 Ngoài ra có thể xác định chỉ số độ nhớt theo toán đồ nh ở hình 1.2

Cách xác định nh sau: Đặt thớc nối hai điểm của giá trị độ nhớt ở 40oC và

100oC, điểm cắt sẽ là giá trị chỉ số độ nhớt VI cần tìm

1.3.3 Tính bay hơi của dầu nhờn

Thành phần chủ yếu của dầu nhờn là các hydrocacbon có nhiệt độ sôi cao,

do đó chúng rất khó bay hơi Tuy vậy ngời ta vẫn phải đánh giá tính bay hơi của dầu nhờn vì có thể có những thành phần nhẹ lẫn trong dầu, nhất là với dầu đã qua

sử dụng thờng hay bị lẫn nhiên liệu Tính bay hơi của dầu có liên quan đến an toàn cháy nổ nên đợc đánh giá cẩn thận qua các chỉ tiêu độ chớp cháy và lợng nhiên liệu lẫn vào dầu

1.3.3.1 Nhiệt độ chớp cháy của dầu nhờn

Nhiệt độ chớp cháy của dầu đợc định nghĩa là nhiệt độ thấp nhất mà tại áp suất khí quyển là 101,3 kPa, mẫu đợc nung nóng đến bốc hơi và bắt lửa trong những điều kiện đặc biệt của phơng pháp thử Mẫu sẽ chớp cháy khi có một ngọn lửa và lan truyền tức thì khắp bề mặt của mẫu

Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó lợng hơi thoát ra trên bề mặt dầu có thể bén cháy khi có mồi lửa lại gần và cháy ít nhất trong thời gian 5 giây không tắt.

Để xác định nhiệt độ chớp cháy của dầu nhờn ngời ta thờng dùng phơng pháp ASTM D 92 (phơng pháp cốc hở) Ngoài ra còn có tiêu chuẩn ASTM D 93 (phơng pháp cốc kín), phơng pháp này đợc dùng để phát hiện sự nhiễm bẩn dầu bôi trơn bởi những lợng nhỏ của các hợp chất dễ bay hơi

Đánh giá nhiệt độ chớp cháy của một loại dầu là để xác định sự có mặt của những thành phần sôi thấp hoặc nhiên liệu trong dầu Theo quy định các loại dầu

có nhiệt độ chớp cháy không đợc thấp hơn một giới hạn nhiệt độ tối thiểu nào đó, nhằm đảm bảo an toàn chống cháy nổ trong quá trình bảo quản, và sử dụng dầu, nhất là ở nơi nhiệt độ cao và không thông thoáng Đối với dầu động cơ, trị số giới hạn tối thiểu của điểm chớp cháy cốc hở trong khi sử dụng đợc các nhà chế tạo

và các hãng dầu khuyến cáo là từ 150oC đến 170oC

1.3.3.2 Hàm lợng nhiên liệu trong dầu bôi trơn

Việc lẫn nhiên liệu vào dầu hay xảy ra nhất là lúc máy đang vận hành Sự pha tạp quá mức của nhiên liệu vào dầu luôn gắn liền với sự trục trặc nào đó của qua trình vận hành máy

Tiêu chuẩn ASTM D 322 đợc dùng xác định hàm lợng xăng (theo % khối lợng) lẫn trong dầu bôi trơn bằng phơng pháp chng cất

Tiêu chuẩn ASTM D 3525 để xác định hàm lợng xăng và ASTM D 3524 để xác định hàm lợng nhiên liệu diezen (% khối lợng) lẫn vào dầu bằng phơng pháp sắc ký khí với những điều kiện thích hợp

Nhiên liệu lẫn vào dầu sẽ làm giảm nhiệt độ bén cháy và chớp cháy, dễ gây nên mất an toàn cháy nổ Ngoài ra nhiên liệu còn làm giảm chất lợng của dầu nhiều mặt, nhất là khả năng bôi trơn giảm ma sát, chống mài mòn Đối với dầu

động cơ, khi lợng nhiên liệu bị lẫn vào dầu vợt qua 5% khối lợng thì phải thay dầu.

1.3.4 Tính bảo vệ kim loại của dầu nhờn

Các hợp phần hydrocacbon của dầu nhờn không có tính ăn mòn nhng một

số tạp chất lẫn trong dầu có tính ăn mòn kim loại, cần phải hạn chế tới mức tối thiểu Đồng thời ngời ta còn pha trộn trong dầu một số phụ gia chống gỉ, bảo vệ

bề mặt kim loại Để đánh giá tính ăn mòn và khả năng bảo vệ bề mặt kim loại của dầu nhờn, cần xác định các chỉ tiêu trị số kiềm tổng, axit tổng và kiểm nghiệm ăn mòn mảnh đồng

* Trị số axit và kiềm

Trong dầu gốc đã qua chế biến vẫn chứa một lợng nhỏ axit nh axit naphtenic, axit oxycacboxylic Sau một thời gian sử dụng, hàm l… ợng các hợp chất này tăng lên do tác dụng oxy hoá của không khí đối với các hợp phần dễ phản ứng trong dầu Ngoài ra cũng có thể có một lợng nhỏ axit hữu cơ nhiễm vào dầu nhờn từ các hợp chất chứa lu huỳnh trong nhiên liệu diezen hoặc phụ gia chứa clo pha vào xăng Tính axit còn do một số loại phụ gia mang tính axit pha vào dầu

- Trị số axit tổng (TAN) là chỉ tiêu đánh giá tính axit của dầu, đặc trng bởi số miligam kali hydroxyt (KOH) cần thiết để trung hoà toàn bộ lợng axit có trong 1g dầu

- Trị số kiềm tổng (TBN) là chỉ tiêu đánh giá độ kiềm của dầu nhờn, cho biết lợng axit clohydric hay percloric, đợc quy chuyển sang lợng KOH tơng đơng (tính bằng miligam) cần thiết để trung hoà hết các hợp chất mang tính kiềm có mặt trong 1g mẫu

Có ba phơng pháp xác định trị số trung hoà:

- Phơng pháp thứ nhất: ASTM D 974 (xác định trị số axit và kiềm bằng phơng pháp chuẩn độ có dùng chỉ thị màu), đó là phơng pháp chủ yếu thích hợp với các loại dầu sáng mầu.

- Phơng pháp thứ hai: ASTM D 664 (xác định trị số axit của các sản phẩm dầu mỏ bằng phơng pháp chuẩn độ điện thế), phơng pháp này đợc dùng cho các loại dầu tối màu

- Phơng pháp thứ ba: ASTM D 2896 (xác định trị số kiềm của các sản phẩm dầu mỏ bằng phơng pháp chuẩn độ điện thế dùng axít percloric)

Hiện nay, nhiều loại phụ gia đợc sử dụng nhằm nâng cao phẩm chất dầu bôi trơn, tuỳ thuộc vào thành phần cấu tạo của phụ gia mà dầu sẽ có tính kiềm hay tính axit Trong dầu mới cũng nh dầu đã sử dụng những chất đợc coi là có tính axit gồm: các axit vô cơ và hữu cơ, các este, các hợp chất nhựa, cũng nh các phụ gia Tơng tự nh vậy, các hợp chất đợc coi là có tính kiềm bao gồm: các chất vô cơ và hữu cơ, các muối của các kim loại nặng, các phụ gia, đặc biệt là các phụ gia dùng trong điều kiện khắc nghiệt nh phụ gia rửa…

Trong một số trờng hợp các phụ gia có thể chứa các axit yếu và kiềm yếu khi tan vào trong dầu chúng không tác dụng với nhau, nhng lại tác dụng với cả hai loại axit mạnh và kiềm mạnh, mà ta dùng trong phép xác định trị số trung hoà cho cả hai trị số là trị số axit và trị số kiềm Cũng còn có những loại phụ gia khác

có khả năng tham gia phản ứng trao đổi với kiềm trong quá trình trung hoà làm sai lệch giá trị axit của phép xác định Những hiệu ứng này của phụ gia đã che lấp mất sự thay đổi độ axit của dầu Do đó việc xác định trị số trung hoà có thể ít

có ý nghĩa đối với một số loại dầu có chứa chất phụ gia

Rất nhiều loại phụ gia hiện đang sử dụng cho dầu động cơ, có chứa các hợp chất kiềm, nhằm trung hoà các sản phẩm axit của quá trình cháy, lợng tiêu tốn các thành phần kiềm này là một chỉ số về tuổi thọ sử dụng của dầu Phép đo độ kiềm liên quan đến TBN hiện đang đợc áp dụng cho hầu hết các dầu động cơ, đặc biệt là dầu động cơ diezen

Chỉ số axit tổng TAN của dầu thải là một đại lợng đánh giá mức độ biến chất của dầu do quá trình oxy hoá Đối với hầu hết các loại dầu bôi trơn, chỉ số TAN có giá trị ban đầu tơng đối nhỏ và tăng dần trong quá trình sử dụng dầu Tuy nhiên với một số dầu có tính chống ăn mòn do có chứa những phụ gia có tính axit nên độ axit ban đầu cao, vì vậy giá trị TAN ban đầu của dầu mới không thể dùng để tiên đoán một cách chính xác chất lợng của dầu.

1.3.5 Độ sạch của dầu nhờn

Độ sạch của dầu nhờn đợc đánh giá qua hiện tợng nhiễm bẩn dầu bởi các tạp chất từ bên ngoài nh nớc, nhiên liệu, tạp chất cơ học Tuy nhiên trong bản thân thành phần dầu cũng chứa một số yếu tố khiến cho khi dầu hoạt động ở nhiệt độ cao, dầu bị cháy sẽ tạo ra một số tạp chất bẩn này Một số chỉ tiêu để xác định độ sạch của dầu là: hàm lợng nhiên liệu, hàm lợng nớc, hàm lợng tro, hàm lợng cốc và cặn không tan trong dầu

1.3.5.1 Hàm lợng nớc

Hàm lợng nớc là lợng nớc đợc tính bằng phần trăm (%) hay phần triệu (ppm) so với khối lợng của dầu Nớc lẫn vào dầu làm thay đổi rất nhiều chất lợng của dầu Hàm lợng nớc lớn làm giảm khả năng bôi trơn của dầu, giảm độ cách

điện của dầu, làm tăng tính ăn mòn kim loại, xúc tiến quá trình oxy hoá, phân huỷ các loại phụ gia, do đó làm tăng quá trình tạo muội, mài mòn xecmăng, bạc xylanh, bạc lót ổ trục Hàm lợng nớc trong dầu đến 0,2 % đợc đánh giá là có vết nớc trong dầu

Có ba phơng pháp chính để xác định nớc trong dầu:

- ASTM D 95 để xác định nớc trong dầu bằng phơng pháp chng cất

- ASTM D 96 để xác định nớc và cặn trong dầu bằng phơng pháp ly tâm

- ASTM D 1744 có thể xác định nớc trong dầu nhờ thuốc thử Karl Fisher

Theo quy định không đợc có nớc trong dầu bôi trơn Có thể phát hiện định tính của nớc trong dầu bôi trơn bằng phép thử độ nổ giòn của dầu khi đốt nóng mẫu thử trên bề mặt kim loại.

1.3.5.2 Cặn không tan

Những tạp chất không tan trong dầu nh cát bụi lọt vào dầu bôi trơn trong khi bảo quản, vận chuyển, ngoài ra trong quá trình sử dụng còn tạo thành mạt kim loại do sự mài mòn, muội nhiên liệu và các sản phẩm oxy hóa khác Cặn không tan trong dầu làm tăng sự mài mòn các chi tiết máy và có thể làm động cơ ngừng hoạt động Cặn không tan phân làm hai loại:

- Cặn không tan trong pentan: bao gồm các cặn cứng lọt từ ngoài vào và cặn nhựa do dầu bị oxy hoá tạo thành

- Cặn không tan trong toluen: chỉ gồm các cặn cứng (quen gọi là tạp chất cơ học) do từ ngoài lọt vào dầu

Cặn không tan trong pentan lớn hơn cặn không tan trong toluen và hiệu số giữa hai phần cặn này nói lên mức độ dầu chịu oxy hoá nhiều hay ít

Cặn không tan ảnh hởng xấu tới chất lợng dầu nhờn, do đó nhìn chung theo quy định trong dầu không cho phép có cặn không tan trong toluen, nghĩa là không có tạp chất cơ học Tuy vậy trong các loại dầu có chứa phụ gia thì lợng cặn không tan đợc phép là: 0,010 – 0,025 %, do một phần phụ gia tách ra

Có hai phơng pháp xác định cặn không tan trong dầu:

- ASTM D 893 dùng xác định hàm lợng cặn theo phơng pháp ly tâm rồi sấy khô và xác định khối lợng

- TCVN 3165 – 79 dùng xác định tạp chất cơ học bằng cách chiết ly

1.3.5.3 Hàm lợng cặn cacbon của dầu nhờn

Hàm lợng cặn cacbon (% khối lợng) tạo thành khi đốt dầu nhờn đến nhiệt

độ cao trong khí quyển kín, các hợp chất nhẹ bay hơi đi, còn lại các chất nặng bị phân huỷ, bị cốc hoá chuyển thành cặn cacbon (còn gọi là cặn cốc)

Xác định hàm lợng cặn cacbon cho phép đánh giá sơ bộ về mức độ tạo muội của dầu nhờn trong động cơ đốt trong Hàm lợng cặn cacbon phụ thuộc chủ yếu vào hàm lợng chất nhựa – asphanten trong dầu Khi hàm lợng nhựa – asphanten càng lớn thì hàm lợng cặn cacbon càng cao và trong chừng mực nào đó thì lợng muội tạo thành trong động cơ càng nhiều.

Thờng xác định hàm lợng cặn cacbon theo hai tiêu chuẩn:

- ASTM D 189 dùng xác định cặn cacbon Conradson

- ASTM D 524 dùng xác định cặn cacbon Romsbottom

Theo quy định hàm lợng cặn cacbon của các loại dầu không vợt quá 0,7%

1.4 Tác dụng của dầu nhờn trong động cơ [1, 3, 4, 6, 9]

Mục đích chính của việc sử dụng dầu nhờn là làm giảm lực ma sát giữa bề mặt tiếp xúc với nhau bằng cách tạo ra một lớp màng mỏng phân cách hai bề mặt

đó không cho chúng cọ sát trực tiếp với nhau Tại sao dầu nhờn lại có thể làm

đ-ợc điều đó? Đấy là do dầu nhờn có những tác dụng nhất định đối với động cơ

 Độ nhớt cao làm động cơ khởi động khó khăn, dầu khó lu thông vào các bề mặt ma sát và khó phủ kín bề mặt ma sát tạo hiện tợng ma sát khô, gây mài mòn chi tiết máy.

 Dầu có độ nhớt thấp giảm khả năng làm mát

Nếu độ nhớt quá nhỏ:

 Độ nhớt quá nhỏ làm cho khả năng bám dính kém không có khả năng che kín Dầu không lấp đầy đợc các khe hở dẫn đến bị dò lọt khí cháy, nhiên liệu, nớc…

 Dầu có độ nhớt nhỏ dễ bị đẩy ra khỏi bề mặt ma sát do không chịu đợc tải trọng, dễ dẫn đến ma sát giới hạn, gây mài mòn

 Tăng lợng tiêu hao dầu nhờn do khả năng bay hơi cao và bám dính kém dễ bị trôi

Để tăng độ nhớt, chỉ số độ nhớt cũng nh tăng độ bám dính của dầu thờng

sử dụng các phụ gia nh polyacrylat, polyizobutylen, xà phòng nhôm của các axit không no và các loại xà phòng khác

1.4.2 Tác dụng làm mát máy

Dầu nhờn trong động cơ không những có tác dụng bôi trơn, mà còn có một tác dụng vô cùng quan trọng đó là tác dụng làm mát máy Nếu máy có thể đem toàn bộ nhiệt năng của nhiên liệu biến thành công, thì hơi thừa sẽ nguội, mà dầu nhờn chỉ cần hoàn thành một loại công việc là làm giảm sự cọ sát

Nhng trên thực tế máy chỉ có thể đem 25 – 35% nhiệt năng biến thành công, còn 65 – 75% nhiệt năng cần phải đa ra ngoài máy Mỗi lần đốt cháy 1kg xăng thì trong máy phải dẫn ra nhiệt năng là 8000 kcal nếu không máy nóng qúa

sẽ h hỏng

Nhiệt năng cha biến thành công, sẽ theo hơi thừa ra ngoài máy và bị dầu nhờn đem đi, dầu nhờn luôn luôn thu hút nhiệt năng từ mặt cọ sát của máy và truyền ra nớc làm nguội

Mặc dù khả năng truyền nhiệt của dầu nhờn rất nhỏ, khi nhiệt độ tăng thêm

1oC, khả năng truyền nhiệt của dầu nhờn trong 1 giây chỉ đợc 0,0005 cal, trong khi của nớc là 0,0015 cal tức là gấp 3 lần, do vậy dầu nhờn là chất làm nguội không tốt, tuy nhiên nó vẫn có tác dụng làm nguội nhất định

1.4.3 Tác dụng làm kín

Mặt kim loại không thể bằng nhẵn mãi đợc, ngay cả nếu ta cho rằng mặt ngoài của kim loại bằng nhẵn thì vẫn có những chỗ không bằng, tuy nhiên phải dùng kính hiển vi mới thấy đợc Khi khe hở giữa pittông và xylanh, khe hở giữa séc- măng và rãnh đã quá lớn, thì mắt thờng mới có thể nhìn thấy Nếu trong xylanh không có dầu nhờn thì hơi thừa sẽ từ buồng nổ qua các khe hở đa vào trong cacte Dầu nhờn vào đầy tất cả các khe tạo một lớp màng kín, hơi sẽ không thể đi qua đợc, dầu nhờn làm kín sát sẽ đảm bảo đợc công suất của động cơ

1.4.4 Tác dụng tẩy rửa, làm sạch

Trong quá trình làm việc, các loại cặn cơ học sinh ra luôn là mối hiểm hoạ

đối với các thiết bị máy móc đặc biệt là động cơ đốt trong Chúng là bụi, muội than và mạt kim loại Các cặn kim loại này có thể bám trên bề mặt của các bề mặt cần bôi trơn làm tăng ma sát giữa các bề mặt, gây hiện tợng mài mòn mạnh Không những thế lợng nhiệt gây ra do ma sát lớn có thể gây quá nhiệt cục bộ làm

động cơ hoạt động thiếu chính xác, hiệu suất động cơ giảm Để chống đợc hiện ợng này, dầu nhờn phải có khả năng kéo đợc những chất cặn này ra khỏi bề mặt bôi trơn và giữ chúng ở trạng thái lơ lửng, không cho chúng lắng trở lại Có đợc tính năng đó là do trong dầu nhờn còn có thêm các phụ gia tẩy rửa

Với nồng độ từ 2% đến trên 10%, các chất tẩy rửa trong dầu có thể ngăn cản hoặc loại trừ các cặn không tan trong dầu, cặn sơn, cacbon, và các hợp chất chì trên các bộ phận của động cơ đốt trong Chúng tác dụng bằng cách hấp phụ trên các hạt không tan, giữ chúng ở trạng thái lơ lửng trong dầu để giảm tối thiểu

động ở nhiệt độ thấp Nh vậy chức năng cơ bản của một chất phân tán là làm yếu lực cấu kết giữa các tiểu phân riêng biệt với nhau, tạo điều kiện làm tan rã các kết tủa xốp và các khối kết tụ, do đó cho phép từng tiểu phân có thể tồn tại nh một thực thể riêng biệt Nói cách khác các chất phân tán có một ái lực mạnh với các tiểu phân gây bẩn dầu và chúng bao quanh mỗi một tiểu phân bằng các phân tử tan trong dầu, nhờ đó giữ cho các cặn của dầu không bị kết tủa và đóng cặn lại trong động cơ Ngoài ra, đa số các chất tẩy rửa và một số chất phân tán đều có khả năng trung hoà các sản phẩm axit trong quá trình cháy nhiên liệu và trong dầu bị oxy hoá nhờ vậy cũng giảm khả năng tạo cặn.

Mức độ yêu câù phân tán và tẩy rửa tuỳ thuộc vào sự khác biệt của các yếu

tố nh dạng nhiên liệu, nhiệt độ làm việc của động cơ, tăng áp, tính hoạt động liên tục, nhiệt độ môi trờng xung quanh

1.4.5 Tác dụng ổn định chống oxy hoá

Các sản phẩm do oxy hóa dầu động cơ sẽ sinh ra các chất tạo cặn, tăng ờng ăn mòn các ổ đỡ kim loại, làm tăng độ nhớt Hơn nữa, điều kiện làm việc của

c-động cơ luôn tạo điều kiện cho quá trình oxy hoá xảy ra nh lợng dầu trong c-động cơ ít, thời gian sử dụng dầu dài, công suất động cơ lớn Do vậy khả năng chống…oxy hoá là một tính năng quan trọng đối với dầu bôi trơn của động cơ đốt trong Khả năng chống oxy hoá của dầu nhờn thờng đợc tăng cờng bằng cách cho thêm vào dầu các loại phụ gia chống oxy hoá

1.4.6 Tác dụng chống gỉ, ăn mòn

Dầu động cơ phải có một số khả năng sau:

- Ngăn ngừa hiện tợng gỉ và ăn mòn do nớc ngng tụ và các sản phẩm cháy ở nhiệt độ thấp cũng nh chế độ hoạt động không liên tục gây ra

- Chống lại sự mài mòn do các sản phẩm trong quá trình cháy gây ra

- Bảo vệ các ổ đỡ hợp kim đồng – chì khỏi sự ăn mòn do các sản phẩm oxy hoá gây ra

Chỉ cần một trong các yếu tố trên cũng gây ra sự ăn mòn trong các động cơ, do đó các loại dầu cần đợc pha chế đảm bảo tốt mọi tính năng chống oxy hoá.

1.5 Sự biến chất của dầu nhờn trong quá trình sử dụng, bảo quản

và vận chuyển

Bất kỳ một sản phẩm nào sau một thời gian sử dụng nhất định cũng bị biến chất hoặc h hỏng dẫn đến phải thay thế Dầu nhờn cũng không tránh khỏi quy luật ấy

Trong quá trình làm việc trong các máy móc thiết bị, dầu nhờn sẽ tiếp xúc với kim loại, chịu tác động của không khí, nhiệt độ xung quanh, áp suất, các tr-ờng điện từ, ánh sáng tự nhiên và một loạt các yếu tố khác Dới ảnh hởng của các yếu tố này, cùng với thời gian sẽ xảy ra sự thay đổi chất lợng của dầu Đó là sự phân huỷ, sự oxy hoá, polime hoá, ngng tụ các hydrocacbon, sự cháy không hoàn toàn, sự nhiễm bẩn từ các chất bên ngoài và sự lẫn nớc Do các quá trình này mà trong dầu sẽ tích luỹ các chất nhựa asphan, cốc, mồ hóng, các muối khác nhau, các axit cũng nh các mạt kim loại, các hạt khoáng, các chất có dạng sợi, nớc… Tất cả các tạp chất này làm thay đổi tính chất lý hoá của dầu và đợc gọi chung là quá trình lão hoá của dầu

Để giảm quá trình lão hoá, kéo dài tuổi thọ của dầu thì dầu khoáng cần phải có tính bôi trơn tốt, đảm bảo đợc chế độ bôi trơn lỏng hoàn toàn và độ bền

đáng tin cậy của màng dầu trong mọi ổ ma sát của các cơ cấu máy trong dải vận tốc, nhiệt độ cũng nh tải trọng lớn Sự bảo toàn màng dầu trên bề mặt là cần thiết

để khắc phục tình trạng ma sát bán khô hoặc ma sát khô gây mài mòn và phá huỷ chi tiết máy Dầu nhờn cũng cần phải bền về mặt hoá học để chống lại sự oxy hoá trong không khí trong điều kiện nhiệt độ cao cũng nh không thay đổi tính chất của dầu trong quá trình bảo quản và vận chuyển Một loại dầu nhờn không

ổn định sẽ bị oxy hoá rất nhanh và mạnh, tạo ra các cặn rắn Những cặn này là

trong động cơ Trong quá trình oxy hoá, trong dầu sẽ xuất hiện các hợp chất…axit có tính ăn mòn Chúng sẽ rút ngắn thời gian làm việc của dầu cũng nh thời gian làm việc của thiết bị Dầu không chỉ cần bền về mặt oxy hoá bởi oxy không khí mà còn phải đảm bảo không bị biến đổi trong quá trình hoạt động dới áp suất,

độ ẩm và nhiệt độ cao

1.5.1 Sự oxy hoá [1, 4, 7]

Khi làm việc trong các động cơ, máy móc và các thiết bị khác, đặc biệt là trong quá trình vận chuyển và tồn chứa dầu nhờn tại các kho, vấn đề tiếp xúc giữa dầu nhờn với oxy không khí là điều không thể tránh đợc Sự tiếp xúc này là nguyên nhân chủ yếu gây ra các phản ứng oxy hoá của dầu nhờn

Do kết quả của phản ứng oxy hoá, các tính chất hoá lý của dầu nhờn bị thay đổi, chính điều đó sẽ làm cho phẩm chất sử dụng của dầu nhờn kém hẳn đi

Trong điều kiện có oxy và chịu tác động của nhiệt độ cao, các loại dầu khoáng sẽ có nhiều biến đổi về hoá tính, đồng thời sinh ra các kết tủa asphan – axit và các sản phẩm hoà tan khác Phần lớn các chất kết tủa nói trên là các axit hữu cơ, chúng sẽ làm cản trở sự tuần hoàn của dầu nhờn trong hệ thống bôi trơn

và ăn mòn các chi tiết bằng kim loại của máy móc thiết bị

Theo một số tài liệu của các nhà nghiên cứu thì trong số ba nhóm hydrocacbon chủ yếu có trong thành phần của dầu nhờn, chỉ có loại hydrcacbon thơm là ít bị oxy hoá nhất, hydrocacbon naphten kém bền vững dễ bị oxy hoá hơn một chút và đặc biệt dễ bị oxy hoá nhất khi ở nhiệt độ cao là hydrocacbon parafin

Tốc độ oxy hoá, mức độ oxy hoá, cũng nh tính chất của các sản phẩm do oxy hoá tạo thành đều phụ thuộc vào yếu tố sau:

- Bản chất hoá học của chính loại dầu nhờn, cụ thể là tính chất của các hợp chất hoá học có trong dầu nhờn, số lợng các hợp chất đó trong hỗn hợp và mối quan hệ với sự tác động của oxy trong không khí

- Các điều kiện bên ngoài nh: nhiệt độ, áp suất, bề mặt tiếp xúc giữa dầu nhờn với oxy.

- Sự có mặt của các tạp chất có khả năng thúc đẩy hoặc ức chế đối với quá trình oxy hoá và thời gian làm việc của dầu

ở nhiệt độ dới 30oC và áp suất bình thờng, dầu nhờn để ngoài trời bị oxy hoá rất chậm Cùng với sự tăng nhiệt độ, tốc độ oxy hoá tăng lên đáng kể, nhiệt

độ càng cao thì oxy hoá càng nhanh và càng mạnh ở nhiệt độ 270 – 300oC và cao hơn thì đồng thời với sự oxy hoá mãnh liệt còn có sự phân huỷ nhiệt của các hydrocacbon tạo thành CO2, H2O và các hợp chất chứa cacbon khác Diện tích bề mặt tiếp xúc của dầu với không khí càng lớn thì càng tạo điều kiện cho oxy khuếch tán vào trong dầu và làm tăng phản ứng polime hoá dới tác động của oxy tạo ra các sản phẩm nhựa và asphanten Các kim loại cũng có những ảnh hởng nhất định đến quá trình oxy hoá của dầu: các kim loại có tác dụng xúc tác mạnh nhất là Fe, Cu, Ni, Pb, Mn và Zn trong khi đó các kim loại nh Al, Sn không thúc

đẩy quá trình oxy hoá, muối của nó thậm chí lại có tác động kiềm chế quá trình này Các muối kim loại tạo thành trong quá trình làm việc của dầu nh muối của axit naphtenic có tác động thúc đẩy sự oxy hoá của dầu Nớc cũng có tác dụng thúc đẩy sự oxy hoá của dầu vì chúng có tác dụng làm tăng khả năng hoạt tính cho các chất xúc tác nói trên

Trong quá trình làm việc của dầu trong động cơ thì đồng thời với qúa trình phân huỷ và tạo ra các sản phẩm oxy hoá đầu tiên nh các axit hữu cơ, phenol, r-

ợu, andehit, các chất nhựa còn nảy sinh các quá trình thứ cấp nh… quá trình polime hoá và ngng tụ Sản phẩm của quá trình oxy hoá sâu và ngng tụ sâu chính

là các axit chứa oxy, các axit asphantogen, các asphanten, các cacben, cacboit Các chất này khác với nhựa và axit, nó không tan trong dầu Chúng tạo hệ keo hoặc ngng tụ thành chất cặn trong dầu Dầu có chứa các chất này khi bị tác động

Rõ ràng oxy hoá là một trong các quá trình cần đợc lu ý vì các sản phẩm

do quá trình oxy hoá trong động cơ gây ra sẽ tạo nên các cặn làm bẩn các chi tiết

động cơ và hệ thống bôi trơn, tăng cờng ăn mòn các ổ đỡ hợp kim đồng – chì Vì vậy dầu động cơ cần phải có các chất ức chế oxy hoá

1.5.2 Sự phân huỷ nhiệt của dầu [5]

Trong buồng đốt động cơ, nhiệt độ lên rất cao và mọi chất hữu cơ đều rất

dễ bị cháy, nhng ở động cơ thì thờng không đủ thời gian (quá trình cháy xảy ra trong khoảng thời gian 1% giây), không đủ oxy để cháy hoàn toàn nhiên liệu, và dầu lọt vào buồng đốt Vì vậy buồng đốt luôn có điều kiện tạo thành mồ hóng, các hạt cốc, các sản phẩm cha cháy hết khác Nhiệt độ bề mặt buồng đốt và tại

đầu piston ở các động cơ khác nhau thay đổi trong khoảng 250 – 400oC Việc tạo muội trên các chi tiết động cơ bắt đầu từ việc hình thành lớp màng keo trên các chi tiết đó

Khi dầu tiếp xúc với các phần tử có nhiệt độ cao của máy móc thì xảy ra phân huỷ nhiệt, cracking Kết quả của quá trình này là tạo ra các sản phẩm nhẹ bay hơi cũng nh các cấu tử nặng, các hạt than cứng và muội than Xu hớng của dầu khoáng đối với sự phân huỷ nhiệt phụ thuộc trớc hết vào thành phần hydrocacbon của nó Các hydrocacbon trong dầu mà có cấu trúc càng phức tạp, mạch càng dài thì càng dễ phân huỷ dới tác động của nhiệt độ cao Vì đặc tính bền nhiệt của dầu không thể tạo ra nhờ các phụ gia, nên dầu có độ ổn định nhiệt tốt phải đợc chế tạo từ các dầu gốc thích hợp Tuy vậy, việc lựa chọn phụ gia cẩn thận để pha chế dầu cũng rất quan trọng, vì sự biến chất của phụ gia khi có hiện tợng cracking dầu cũng dẫn đến sự tạo cặn

Dầu đi qua lớp vòng găng vào buồng đốt, một phần dầu không đáng kể có thể quay lại đáy cacte dầu, một phần nữa rơi vào vùng nhiệt độ cao và bị cháy ở

đó gây ra quá trình cacbon hoá, oxy hoá và cuối cùng phần dầu đợc văng ra ở dạng màng mỏng, phủ lên bề mặt đầu piston và buồng đốt Màng dầu còn lại trong buồng đốt ngay từ những vòng quay đầu tiên đã bị các sản phẩm cháy của

nhiên liệu và dầu làm bẩn, do tác dụng của nhiệt độ cao và oxy không khí nó biến thành các chất nhựa và sau đó thành keo Màng nhựa keo có khả năng giữ trên bề mặt kim loại các sản phẩm cháy và biến chất của dầu, nhiên liệu cũng nh các hạt kim loại do các chi tiết bị mài mòn lọt vào xylanh cùng với không khí.

Trong khi động cơ hoạt động thì việc những phân tử dầu mới, mồ hóng và các hạt cốc không ngừng rơi vào màng keo Sự thay đổi đáng kể do màng dầu bị các sản phẩm cháy làm bẩn dẫn đến tạo thành lớp than rắn trên bề mặt kim loại gọi là muội than Bề dày lớp muội không ngừng tăng lên và chỉ tăng đến một độ dày nhất định vì khi bề dày lớp muội tăng thì mép trên của nó sẽ gần với vùng nhiệt độ cao hơn, những phân tử dầu mới sẽ gây ra sự thay đổi cũng nhiều hơn và không có khả năng tiếp tục bám chắc trên bề mặt muội Đến một lúc nào đó lớp muội không tăng thêm đợc nữa và sẽ xuất hiện thế cân bằng cho tới khi do một nguyên nhân nào đó mà vùng nhiệt độ cao sẽ không tiến đến gần sát bề mặt lớp muội hoặc không tách ra xa bề mặt đó

Việc tạo muội trong buồng đốt làm giảm thời gian hoạt động lâu bền của

động cơ, tăng chi phí sử dụng do những nguyên nhân sau:

- Nhiệt độ các chi tiết phủ muội tăng lên và khi lợng tăng lên thì thể tích buồng đốt bị thu hẹp, làm tăng tỷ số nén động cơ, khả năng trao đổi nhiệt kém đi sẽ tạo điều kiện xảy ra kích nổ

- Muội có thể phá vỡ quá trình đốt cháy bình thờng nhiên liệu trong chế hoà khí động cơ, các hạt muội bị đốt cháy đổ lên buồng đốt sẽ có thể là nguyên nhân làm nhiên liệu cháy sớm

- Khi có muội bám trên các chi tiết buồng đốt sẽ hạn chế lợng hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng đốt làm giảm công suất động cơ

- Muội đóng ở đế supap sẽ làm supap khó đóng, làm cháy supap

- Muội ở bugi đánh lửa sẽ làm nó không đánh lửa đợc

- Các hạt muội từ buồng đốt rơi xuống đáy cacte dầu sẽ làm nóng vòng găng, tăng độ mài mòn các chi tiết làm việc và các chất lắng đọng khác nhau trên các chi tiết động cơ cũng nh trong hệ thống bôi trơn.

Nh vậy, tính bền nhiệt có ý nghĩa quan trọng đối với chất lợng của dầu Dầu có chất lợng cao thì không tạo muội hoặc ít tạo muội

1.5.3 Sự pha tạp nhiên liệu vào dầu nhờn động cơ [1,9]

Việc lẫn nhiên liệu vào dầu hay xảy ra nhất là lúc máy đang vận hành Hỗn hợp làm việc đa vào xylanh của động cơ đốt trong đợc cấu thành từ không khí, hơi và các giọt dạng sơng mù của nhiên liệu Các giọt nhiên liệu này có thể đọng trên thành xylanh và trộn lẫn với dầu nhờn Đặc biệt trong giai đoạn đầu của quá trình làm việc, khi khởi động động cơ, hơi nhiên liệu có thể ngng tụ lại trên các

bề mặt lạnh phía trong xylanh và sẽ chảy xuống pha loãng dầu

Sự làm loãng dầu bởi nhiên liệu đợc quyết định trớc hết bởi tình trạng của

động cơ Nếu động cơ bị mài mòn càng nhiều thì mức độ làm loãng dầu bởi nhiên liệu càng lớn Sự pha tạp quá mức của nhiên liệu vào dầu nhờn luôn gắn với sự trục trặc nào đó của quá trình vận hành máy

Tuy nhiên loại nhiên liệu sử dụng cũng có một phần ảnh hởng đến sự pha tạp nhiên liệu vào dầu nhờn Loại nhiên liệu có thành phần cất càng nặng, tức là nhiệt độ sôi càng cao thì nó càng bay hơi chậm hơn, ngng tụ càng dễ hơn và sự pha loãng dầu càng mạnh hơn Thật vậy, nếu nhiệt độ sôi cuối của xăng máy bay

là 180oC thì hàm lợng nhiên liệu lẫn trong dầu nhờn trong quá trình hoạt động của động cơ khoảng 2 – 3%, trong khi đó với xăng ôtô mà có nhiệt độ sôi cuối

là 190oC thì hàm lợng nhiên liệu lẫn trong dầu nhờn lên đến 7%

Nhiên liệu lẫn vào dầu còn làm giảm nhiệt độ bén cháy và chớp cháy của dầu nhờn, dễ gây nên mất an toàn cháy nổ Ngoài ra nhiên liệu còn làm giảm chất lợng của dầu ở nhiều mặt: dầu bị pha loãng bởi các cấu tử nặng của nhiên liệu làm cho độ nhớt của dầu giảm, ảnh hởng đến khả năng tạo màng bôi trơn, chống mài mòn và tác dụng làm kín của dầu nhờn

1.5.4 Sự nhiễm bẩn bởi các khoáng tạp [7,9]

Các khoáng tạp lẫn trong dầu chủ yếu gồm có nớc và các tạp chất (cơ học) cứng Nớc trong dầu nhờn đã đợc lọc sạch thờng rất nhỏ, nhng trong quá trình làm việc dầu sẽ dần dần bị lẫn nớc Nớc trong dầu gồm nớc từ không khí xung quanh, từ các sản phẩm cháy của nhiên liệu và do sự không kín của hệ thống làm mát của động cơ Nớc lẫn trong dầu dới dạng huyền phù giản đơn, hoặc dới dạng nhũ tơng

Các tạp chất khoáng nh bụi, cát, các mạt kim loại sinh ra do mài mòn các

bề mặt kim loại của các chi tiết rơi vào dầu trong quá trình làm việc và tích luỹ lại trong dầu Sự pha trộn của dầu bị bẩn trong điều kiện nhất định sẽ dẫn tới tạo thành một chất dính sền sệt tách ra từ dầu và lắng xuống đáy cacte dầu, ở hộp supap, trong đờng ống dẫn dầu, trong hệ thống bôi trơn và các bầu lọc Hiện tợng tích cặn trong động cơ có thể làm động cơ hoạt động bất bình thờng và làm hỏng

động cơ nh:

1 Cặn có thể làm tắc các rãnh dầu, đờng dầu và các bầu lọc, do đó có thể xảy ra tình trạng nóng chảy bạc lót ổ đỡ, kẹt cổ trục khuỷu và thậm chí gây ra sự cố

2 Cặn sẽ làm cho phần dầu mới giảm phẩm chất ngay sau khi cho vào

động cơ

3 Cặn bẩn dần dần có thể quánh lại và rắn lại đến mức không thể dùng phơng pháp cơ học để làm sạch các chi tiết đợc

1.6 Các phơng pháp tái sinh dầu thải động cơ

Trong quá trình sử dụng, các loại dầu bôi trơn chịu nhiều tác động của nhiều yếu tố khác nhau, do đó các tính chất sử dụng của chúng bị biến đổi và thời hạn sử dụng sẽ bị giảm đi Khi dầu không đủ các chỉ tiêu chất lợng để có thể đáp

ợng dầu thải này tức là phải tách tất cả những hợp chất sinh ra trong quá trình sử dụng của dầu để đa dầu về trạng thái dầu ban đầu.

1.6.1 Các phơng pháp tái sinh dầu thải động cơ chủ yếu

Có ba phơng pháp chủ yếu để tái sinh dầu nhờn đó là:

 Phơng pháp vật lý: lắng, lọc, ly tâm, chng cất

 Phơng pháp lý – hoá: hấp phụ, đông tụ

 Phơng pháp hoá hoc: làm sạch bằng axit sunfurich và kiềm

Tuỳ thuộc vào đặc tính và mức độ biến chất của dầu mà chọn phơng pháp tái sinh thích hợp Các phơng pháp vật lý chỉ tái sinh đợc những dầu thải có mức

độ biến chất cha sâu Đối với các dầu thải động cơ có chứa các phụ gia phân tán tẩy rửa thì các phơng pháp vật lý hầu nh không có tác dụng Để tái sinh loại dầu thải này cần phải dùng phơng pháp lý hoá, phơng pháp hoá học, và thông thờng

là sử dụng tổng hợp nhiều phơng pháp khác nhau

1.6.1.1 Phơng pháp tái sinh vật lý [4, 6, 7]

 Lắng: các hạt kim loại, nớc, các chất hắc ín, asphan nằm trong dầu sẽ tự lắng xuống khi dầu ở trạng thái tĩnh và theo thời gian, dựa trên nguyên lý ngng lắng các hạt dới tác dụng của trọng lực Để dầu nhờn lắng tốt, các bể chứa hoặc các phơng tiện chứa đựng khác phải có thiết bị sấy nóng và có đáy hình nón Vì khi đun nóng tỷ trọng và độ nhớt của dầu sẽ giảm xuống, do đó các tạp chất cơ học và nớc sẽ lắng nhanh hơn, triệt để hơn Nhiệt độ tốt nhất để ng-

ng lắng dầu là 80 ữ 90oC Nếu không đun nóng dầu, thì dầu nhờn lắng rất chậm và sẽ không đạt đợc hiệu quả nh mong muốn Việc để lắng sơ bộ giúp cho quá trình tái sinh rút ngắn thêm nhiều, đồng thời còn giảm bớt các khoản chi phí khác

 Lọc: dùng trong quá trình làm sạch sơ bộ hoặc dùng để tái sinh các loại dầu không yêu cầu độ sạch cao Nó chỉ tách đợc các tạp chất cơ học

 Rửa bằng nớc: dầu thải đợc rửa bằng nớc để loại bỏ các sản phẩm axit hữu cơ, muối, xà phòng hoà tan trong nớc Việc rửa bằng nớc không thể phục hồi dầu thải đã bị lão hoá quá lớn Phơng pháp này thờng đợc sử dụng đối với dầu tuốc bin để loại bỏ các axit thấp phần tử hoà tan đợc trong nớc, hoặc dùng kết hợp sau giai đoạn dùng chất đông tụ của phơng pháp tái sinh hoá - lý hoặc sau giai đoạn làm sạch bằng chất kiềm của phơng pháp tái sinh hoá học.

 Ly tâm: để phân riêng pha rắn và pha lỏng của dầu nhờn thải dùng phơng pháp lắng lọc thì quá trình xảy ra chậm, không thích hợp với lu lợng lớn và với những cặn nhỏ lẵn trong dầu tạo huyền phù mịn Bằng phơng pháp ly tâm có thể đạt đợc độ phân ly lớn, lọc đợc sạch, thời gian lắng và lọc cũng ít hơn

 Chng cất: là phơng pháp tái sinh dầu thải khá phổ biến trên thể giới Nó có

u điểm là loại đợc hoàn toàn nớc, nhiên liệu, tạp chất cơ học lẫn trong dầu Tuy nhiên nó luôn đi kèm cùng với các phơng pháp làm sạch khác nh hấp phụ, làm sạch bằng hydro, trích ly bằng dung môi chọn lọc do nó không tách hết đ-

ợc các cấu tử có màu tối Mặt khác còn phải có các thiết bị chuyên dụng nên dầu t lớn

1.6.1.2 Phơng pháp tái sinh hoá lý [8, 19]

 Đông tụ: là sự tập hợp những hạt keo tạo ra những chất kết tụ lắng xuống Phơng pháp này thích hợp cho những loại dầu thải động cơ có chứa các phụ gia phân tán tẩy rửa mạnh, khả năng lắng đọng kém Có thể đông tụ bằng tác động cơ học, bằng nhiệt, bằng dòng điện, bằng chất đông tụ Các chất đông tụ có thể là chất điện ly, chất hoạt động bề mặt, hoặc chế phẩm tẩy rửa tổng hợp

H2SO4, NaCO3, Na2SiO3, Na3PO4, Na2SO4 là những chất đông tụ điển hình Chất đông tụ hoạt động bề mặt có hai loại: không ion và ion Tốt nhất là những chất hoạt động bề mặt anion gốc sunfonat, mà phổ biến nhất là sunfonat: RSO3Na trong đó R là gốc hydrocacbon có 12 – 18 nguyên tử cacbon Chất

tạo ra các hệ hợp chất có khối lợng riêng lớn hơn dầu và lắng xuống dới tác dụng của trọng lực.

Quá trình động tụ có hiệu quả hay không còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh: nhiệt độ, thời gian xử lý, khối lợng chất đông tụ và sự tiếp xúc của chất đông

tụ với dầu thải

 Hấp phụ: là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hoà tan trong chất lỏng bằng chất rắn xốp Đối với dầu nhờn thải, chất hấp phụ đợc sử dụng phổ biến là

đất sét tẩy màu, silicagel, oxit nhôm Chất hấp phụ có khả năng giữ trên bề mặt của mình một lợng các chất asphan, axit, este và các sản phẩm oxy hoá khác của dầu thải Các chất đợc sử dụng làm chất hấp phụ thờng đợc hoạt hoá trớc khi hấp phụ nhằm làm tăng khả năng hấp phụ của chúng

1.6.1.3 Phơng pháp tái sinh hoá học [1, 6, 7]

 Làm sạch bằng chất kiềm:

Là phơng pháp làm sạch phổ biến, do kiềm sẽ tác dụng với các axit hữu cơ (sinh ra do quá trình dầu bị oxy hoá) tạo ra xà phòng Để lắng trong một thời gian nhất định sẽ có hiện tợng tách lớp, lớp trên là dầu sạch lẫn kiềm d Vì vậy sau đó bắt buộc phải rửa bằng nớc cho sạch hết kiềm Khó khăn đối với quá trình

xử lý dầu thải bằng chất kiềm đó là hiện tợng tạo nhũ và sự thuỷ phân của xà phòng Để hạn chế đợc cả hai quá trình này cần phải chọn nồng độ kiềm và nhiệt

độ xử lý thích hợp Các chất kiềm đợc dùng để làm sạch dầu thải phổ biến nhất là NaOH, Na2CO3, Na3PO4, thuỷ tinh lỏng

 Làm sạch bằng axit sunfuric:

Đây là phơng pháp hoá học đồng thời cũng là phơng pháp hoá lý bởi lẽ axit sunfuric ngoài tác dụng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất nó còn là một chất đông tụ rất tốt cho dầu Tất cả các chất bẩn đợc tách ra khỏi dầu thải cùng với gudron axit (cặn nhớt nặng do phần lớn asphan hoà tan trong axit cùng với cacben và cacboid axit – những sản phẩm của quá trình oxy hoá dầu)