tiểu luận phụ gia cho dầu nhờn động cơ

Trong kết quả nghiên cứu của mình, ông đã nêu lên khả năng có thể dùng dầu nhờn để thay thế hoàn toàn dầu thực vật và mỡ động vật, đồng thời nêu lên những nguyên lý bôi trơn… Cùng với nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

BÁO CÁO MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

PHỤ GIA CHO DẦU NHỜN ĐỘNG CƠ

GVHD: TS NGUYỄN HỮU LƯƠNG HVTH: PHÙNG THỊ CẨM VÂN MSHV: 10400166

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06/2011

Trang 1

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN 1

I.1. Định nghĩa 1

I.2. Lịch sử hình thành 1

I.3. Chức năng 3

I.3.1. Chức năng giảm ma sát 3

I.3.2. Chức năng làm sạch 4

I.3.3. Chức năng làm mát 4

I.3.4. Chức năng làm kín 4

I.3.5. Chức năng bảo vệ bề mặt 4

I.4. Thành phần 4

I.5. Dầu gốc 4

I.5.1. Dầu gốc động thực vật 5

I.5.2. Dầu gốc khoáng 5

I.5.3. Dầu gốc tổng hợp 8

I.6. Phân loại dầu nhờn 9

I.6.1. Phân loại dầu nhờn theo tính năng 9

I.6.2. Phân loại dầu nhờn theo độ nhớt 10

I.7. Tính chất của dầu nhờn 12

II PHỤ GIA CHO DẦU NHỜN 13

II.1. Phụ gia chống oxi hóa dầu 15

II.1.1. Phụ gia chống oxy hóa theo cơ chế gốc 16

II.1.2. Phụ gia phân hủy 18

II.2. Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt 19

Trang 2

II.3. Phụ gia ức chế ăn mòn 20

II.4. Phụ gia ức chế gỉ 21

II.5. Phụ gia tẩy rửa 21

II.6. Phụ gia phân tán 22

II.7. Phụ gia giảm điểm đông đặc 23

II.8. Phụ gia chống tạo bọt 24

II.9. Phụ gia tribology 25

II.9.1. Phụ gia chống mài mòn AW (Anti Wears) 26

II.9.2. Phụ gia cực áp EP (Extreme Pressure) 26

II.9.3. Phụ gia biến tính ma sát FM (Friction Modifiers) 27

III MỘT SỐ PHỤ GIA THƯƠNG MẠI CHO DẦU NHỜN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

có được những tính chất phù hợp với chỉ tiêu đề ra mà dầu gốc không có được

Hình 1: Dầu nhờn cho động cơ I.2 Lịch sử hình thành

 Cách đây 100 năm, con người vẫn chưa có khái niệm về dầu nhờn Tất cả các loại máy móc lúc bấy giờ đều được bôi trơn bằng dầu mỡ lợn và sau

đó dùng dầu ôliu Khi dầu ôliu khan hiếm thì người ta chuyển sang sử dụng các loại dầu thảo mộc khác Ví dụ, để bôi trơn cọc sợi máy dệt người ta sử dụng đến dầu cọ

 Khi ngành chế biến dầu mỏ ra đời, sản phẩm chủ yếu tại các nhà máy chế biến dầu mỏ là dầu hỏa, phần còn lại là mazut ( chiếm 70 – 90 %) không được sử dụng và coi như bỏ đi Nhưng khi ngành công nghiệp dầu mỏ phát triển thì lượng cặn mazut càng ngày càng lớn, buộc con người phải nghiên cứu để sử dụng nó vào mục đích có lợi Lúc đầu người ta lấy cặn dầu mỏ pha thêm vào dầu thực vật hoặc mỡ lợn với tỷ lệ thấp để tạo ra

1878 và đã gây được nhiều hấp dẫn đối với chuyên gia các nước Phát huy kết quả đó, năm 1879, Ragorzin cho xây dựng ở Conxtantinôp nhà máy thứ hai chuyên sản xuất dầu nhờn để xuất khẩu Chính Mendeleep cũng

đã làm việc ở các phòng thí nghiệm và những phân xưởng của nhà máy này vào những năm 1880 – 1881 Dưới sự chỉ đạo trực tiếp của ông, nhiều

cơ sở khoa học của ngành sản xuất dầu nhờn đã được xây dựng và chỉ trong vòng mấy năm sau đó, ngành chế tạo dầu nhờn đã thực sự phát triển

và đánh dấu một bước ngoặt trong lịch sử chế tạo chất bôi trơn

 Kết quả nghiên cứu của nhà bác học Nga N.P.Petrop đã tạo điều kiện để dầu nhờn được sử dụng rộng rãi hơn Trong kết quả nghiên cứu của mình, ông đã nêu lên khả năng có thể dùng dầu nhờn để thay thế hoàn toàn dầu thực vật và mỡ động vật, đồng thời nêu lên những nguyên lý bôi trơn… Cùng với những tiến bộ khoa học không ngừng, con người đã xây dựng được những tháp chưng cất chân không hiện đại thay thế cho những tháp chưng cất cũ kỹ, đây là bước phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dầu mỏ

 Các tập đoàn tư bản lớn liên quan đến dầu nhờn như:BP, Castrol, Esson, Mobil, Total, Esso… đã có mặt trên hầu hết các nước trên thế giới Họ đã

và đang áp dụng rộng rãi những thành tựu mới nhất của khoa học, đưa nền công nghiệp dầu mỏ hằng năm tăng trưởng không ngừng và sản xuất dầu nhờn cũng không ngừng được nâng cao về mặt chất lượng cũng như số lượng, sáng tạo thêm nhiều chủng loại dầu nhờn mới

Trang 3

I.3 Chức năng

 Trong động cơ đốt trong, dầu nhờn được sử dụng với 5 chức năng cơ bản bao gồm giảm ma sát, làm sạch, làm kín, làm mát động cơ và bảo vệ bề mặt Các chức năng chính trên phụ thuộc rất nhiều vào tính chất lý hóa của dầu nhờn, nhất là phụ thuộc vào tính chất độ nhớt của dầu nhờn

 Để đảm bảo cho dầu nhờn có thể thực hiện tốt các chức năng nêu trên thì dầu nhờn phải có phẩm chất tốt Cụ thể là dầu nhờn phải có tính bám dính tốt, có độ nhớt thích hợp, có độ bền hóa học, cơ học, sinh học, có độ dẫn nhiệt tốt, không gây ăn mòn hóa học, tẩy rứa phân tán tốt các cặn muội sinh trong trong quá trình hoạt động của động cơ

I.3.1 Chức năng giảm ma sát

 Bề mặt vật liệu/kim loại không hoàn toàn nhẵn, khi chuyển động sẽ xảy ra hiện tượng ma sát, cản trở chuyển động, phát sinh nhiệt và làm tổn hao công suất của động cơ

Hình 2: Lực ma sát phát sinh giữa hai bề mặt của chi tiết chuyển động

tương đối với nhau

 Dầu nhờn sẽ tạo thành màng dầu mỏng phân tách 2 bề mặt vật liệu Khi

có sự chuyển động thì chỉ có các phân tử dầu nhờn trượt lên nhau và hình thành lực ma sát nội tại giữa các phân tử dầu nhờn Lực ma sát nội tại nhỏ hơn nhiều so với lực ma sát khô sinh ra giữa hai bề mặt vật liệu Do vậy, dầu nhờn có chức năng làm giảm ma sát, chống mài mòn, giảm tổn thất công suất, ngăn ngừa hiện tượng bó máy

Trang 4

I.3.2 Chức năng làm sạch

 Dầu nhờn rửa sạch mạt kim loại, bụi, cát sạn trong không khí, muội than

và các chất nhiễm bẩn sinh ra trong quá trình làm việc của động cơ Giữ cho động cơ luôn sạch, hạn chế hiện tượng mài mòn do các cặn bẩn

 Dầu nhờn ở trạng thái lỏng, chảy qua các bề mặt chuyển động và kéo theo các chất nhiễm bẫn và đưa về carter

I.3.3 Chức năng làm mát

 Dầu nhờn hấp thụ nhiệt từ các chi tiết động cơ do quá trình cháy và do ma sát Nhiệt lượng này sau đó được chuyển ra ngoài

I.3.4 Chức năng làm kín

 Trong động cơ, tại vị trí piston – cylindre yêu cầu độ kín cao Dầu nhờn

có khả năng bám dính và tạo màng sẽ lấp kín các khe hở, ngăn ngừa tổn thất công suất, bảo đảm quá trình làm việc bình thường cho thiết bị

I.3.5 Chức năng bảo vệ bề mặt

 Trong quá trình hoạt động, do sự tiếp xúc của các tác nhân gây ăn mòn như ô xy, độ ẩm của không khí, khí thải hay khí cháy từ nhiên liệu đốt trong động cơ hay các lò đốt do vậy bề mặt vật liệu bị oxy hóa hay bị ăn mòn Dầu nhờn sẽ tạo thành màng dầu mỏng bảo vệ các bề mặt kim loại khỏi các tác nhân gây ô xy hóa

I.4 Thành phần

 Dầu nhờn thương phẩm là hỗn hợp của dầu gốc và phụ gia Phụ gia là các chất hữu cơ, vô cơ hoặc nguyên tố có tác dụng cải thiện một hay nhiều tính chất nhất định của dầu gốc Phụ gia được thêm vào với mục đích là giúp cho dầu nhờn thương phẩm có được những tính chất phù hợp với các chỉ tiêu đề ra mà dâu gốc không có được

 Dầu gốc động thực vật chỉ dùng trong một số trường hợp đặc biệt Nó chủ yếu là phối trộn với dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp để đạt được một số chức năng nhất định

 Ngày nay người ta thường sử dụng dầu khoáng hay dầu tổng hợp là chủ yếu Với tính chất ưu việt như giá thành rẻ, sản phẩm đa dạng và phong phú, dầu khoáng đã chiếm một vị trí quan trọng trong lĩnh vực sản xuất dầu nhờn, nhưng dầu tổng hợp cũng được quan tâm nhiều bởi tính chất ưu việt của nó

I.5.2 Dầu gốc khoáng

 Trước đây, thông thường người ta dùng phân đoạn cặn mazut là nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc Nhưng về sau này khi ngành công nghiệp nặng và chế tạo máy móc phát triển, đòi hỏi lượng dầu nhờn ngày càng cao và chủng loại ngày càng phong phú cũng như tiêu chuẩn về chất lượng ngày càng cao, nên người ta đã nghiên cứu tận dụng phần cặn của quá trình chưng cất chân không có tên gọi là cặn gudron làm nguyên liệu

để sản xuất dầu nhờn gốc có độ nhớt cao Tóm lại nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc là cặn mazut và gudron

 Cặn Mazut: là phần cặn của quá trình chưng cất khí quyển có nhiệt độ sôi cao hơn 350 °C Phần cặn này có thể đem đi đốt hoặc làm nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn gốc Để sản xuất dầu nhờn gốc, cặn mazut được chưng cất chân không thu được phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau:

o Phân đoạn dầu nhờn nhẹ (LVGO: Light Vacuum Gas Oil): có nhiệt

độ sôi từ 300 – 350 °C;

Thành phần của các phân đoạn này gồm những phân tử hydrocacbon có

số cacbon từ C21-C40, những hydrocacbon trong phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn (1.000 – 10.000), cấu trúc phức tạp, bao gồm:

 Cặn Gudron: là phần cặn còn lại của quá trình chưng cất chân không, có

nhiệt độ sôi trên 500 °C Trong phần này tập trung các cấu tử có số nguyên tử cacbon từ C41 trở lên, thậm chí có cả C80, có trọng lượng phân

tử lớn, có cấu trúc phức tạp Do đó người ta không chia thành phần của phân đoạn này theo từng hợp chất riêng biệt mà người ta phân làm ba nhóm như sau:

o Nhóm chất dầu: bao gồm các hydrocacbon có phân tử lượng lớn, tập trung nhiều các hợp chất thơm có độ ngưng tụ cao, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng giữa hydrocacbon thơm và napten, đây là nhóm chất nhẹ nhất có tỷ trọng xấp xỉ bằng 1 Nhóm chất này hòa tan được các dung môi nhẹ như paraffin và xăng Trong phân đoạn cặn gudron, nhóm dầu chiếm khoảng 45 – 46%

o Nhóm chất nhựa: hòa tan được trong các dung môi như nhóm dầu

nhưng nó là hợp chất có cực nên có thể tách ra bằng các chất như

Trang 7

than hoạt tính hay silicagen Nhóm chất nhựa gồm hai thành phần

là các chất trung tính và axit Các chất trung tính có màu nâu hoặc đen, nhiệt độ hóa mềm nhỏ hơn 100 °C, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ dàng hòa tan trong xăng, naphta Chất trung tính tạo cho nhựa có tính dẻo dai và tính kết dính Hàm lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến

độ kéo dài của nhựa, chiếm khoảng 10 – 15% khối lượng cặn gudron Các chất axit là chất có nhóm COOH, màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ dàng hòa tan trong clorofom và rượu etylic, chất axit tạo cho nhựa có tính hoạt động bề mặt, chiếm 1% trong cặn dầu mỏ

o Nhóm asphanten: là nhóm chất rắn màu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1, chứa hầu hết hợp chất dị vòng có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon disunfua (CS2), nhưng không hòa tan trong các dung môi nhẹ như parafin hay xăng, ở 300 °C không bị nóng chảy

 Công nghệ sản xuất dầu gốc khoáng bao gồm các giai đoạn cụ thể theo sau:

o Chưng cất chân không;

o Tách nhựa và asphalten;

o Tách aromatic;

o Tách parafin

o Xử lý bằng hydro

 Ngày nay, để đáp ứng yêu cầu cao của dầu nhờn bôi trơn, người ta bắt đầu quan tâm đến dầu gốc tổng hợp nhiều hơn Dầu gốc tổng hợp là dầu được tạo ra bằng các phản ứng hóa học từ những hợp chất ban đầu, do đó nó có những tính chất được định ra trước

 Ưu điểm của dầu gốc tổng hợp so với dầu gốc khoáng:

o Cho phép điều chế ra các loại dầu gốc có các tính chất như đã định trước vì chúng được tổng hợp bằng các phản ứng hóa học từ các chất có phân tử lượng nhỏ hơn;

o Cho phép tạo ra các chất có tính chất ưu việt nhất dùng để làm dầu gốc cho dầu nhờn, vì so với dầu gốc tổng hợp, dầu gốc khoáng dù

có dùng nhiều phương pháp phức tạp (xử lý bằng hydro) cũng

Trang 9

không thể tách được hết các cấu tử không mong muốn ra khỏi hỗn hợp dầu gốc Vì vậy, dầu gốc khoáng chỉ được sử dụng để pha chế các loại dầu nhờn có yêu cầu bôi trơn trung bình đại diện cho các thuộc tính chính của dầu gốc Dầu gốc tổng hợp còn có thể tạo ra các tính chất riêng biệt mà dầu gốc khoáng không có như hoàn toàn không cháy, hòa lẫn với nước,…

o Dầu gốc tổng hợp có khoảng nhiệt độ làm việc rộng hơn nhiều so với dầu gốc khoáng, khoảng từ 55oC đến 320oC

 Nhược điểm của dầu gốc tổng hợp so với dầu gốc khoáng:

o Nhược điểm lớn nhất của dầu gốc tổng hợp là đòi hỏi nhiều công đoạn tổng hợp hóa học phức tạp, do đó giá thành dầu gốc tổng hợp cao;

o Không sản xuất được một số lượng lớn như dầu gốc khoáng dù nguồn nguyên liệu lớn hơn nhiều so với dầu gốc khoáng;

o Không có các tính năng đa dạng như dầu gốc khoáng vì trong hỗn hợp chỉ có mặt của một số cấu tử thực hiện một loại chức năng riêng biệt nào đó

 Thành phần của dầu gốc tổng hợp chủ yếu bao gồm các thành phần:

o Hydrocacbon tổng hợp như oligome olephin, polymer, copolymer, ankyl của hydrocacbon thơm, polybuten, hydrocacbon no mạch vòng,…;

o Este hữu cơ như các este diaxit, este polyol của axit béo;

o Polyglycol chủ yếu là các polymer của etylen, propylene oxit có trọng lượng phân tử cao hoặc cả hai;

o Este photphat chủ yếu là các este ankyl/aryl photphat,…

I.6 Phân loại dầu nhờn

I.6.1 Phân loại dầu nhờn theo tính năng

 Khi phân loại theo tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất lại thống nhất phân theo tiêu chuẩn của Viện dầu mỏ Mỹ API (American Petroleum Institute)

Trang 10

 API phân ra theo cấp S (Service) dùng để dành cho dầu nhờn cho động

cơ xăng và C (Commercial) dùng để dành cho động cơ diesel Hiện tại, với động cơ xăng, API phân ra nhiều loại với thứ tự tiến dần từ SA, SB,

SC tới mới nhất là SM Đối với động cơ diesel, API chia thành CA, CD,

CC tới CG, CH và CI Càng về sau, chất lượng sản phẩm càng tốt do các nhà sản xuất phải thêm vào những chất phụ gia đặc biệt để thích nghi với những công nghệ động cơ mới

Hình 4: Phân loại dầu nhờn theo tính năng I.6.2 Phân loại dầu nhờn theo độ nhớt

 Ở phương pháp phân loại theo độ nhớt, các nhà sản xuất dầu nhớt thống nhất dùng cách phân loại của Hiệp hội kỹ sư ôtô Mỹ SAE (Society of Automotive Engineers) Các phân loại của SAE tùy thuộc vào sản phẩm dầu đó là đơn cấp hay đa cấp Dầu đa cấp có độ nhớt thỏa mãn ở nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau còn dầu đơn cấp chỉ đáp ứng ở một nhiệt độ nào đó

 Hệ thống phân loại của SAE khá phức tạp, nó liên quan tới nhiều khái niệm khác nhau Tuy nhiên, có thể chỉ ra những yếu tố chính Đối với dầu

đa cấp, sau chữ SAE là tiền tố như 5W, 10W hay 15W, 20W Những số đứng trước chữ "W" dùng để chỉ khoảng nhiệt độ mà loại dầu động cơ đó

 Đứng sau chữ "W" ở loại dầu đa cấp có thể là chữ 40, 50 hoặc 60 Đây là

ký tự dùng để chỉ khoảng độ nhớt ở 100 oC của các loại dầu nhờn Thông thường, số càng to thì độ nhớt càng lớn và ngược lại Ví dụ, với xe hoạt động không quá khắc nghiệt như động cơ ôtô chẳng hạn, chỉ số này ở khoảng 30, 40 hoặc 50 là đủ Với những động cơ hoạt động ở vùng nhiệt

độ cao, chỉ số này phải cao hơn, khoảng trên 60 Do sự thay đổi nhiệt độ nên tùy thuộc mùa mà người ta dùng loại 40 hoặc 50 Trong mùa đông, trời lạnh, nhiệt độ động cơ thấp nên chỉ cần dùng loại nhỏ như 30, 40 Ở mùa hè, nhiệt độ động cơ cao nên có thể dùng loại 50

 Do đặc tính của dầu đa cấp nên người ta thường gọi nó là "dầu bốn mùa" Khi có chữ "W", khách hàng có thể hiểu nó dùng được cho cả mùa đông

và mùa hè Ngoài loại đa cấp, nhiều nhà sản xuất cho ra cả loại dầu đơn cấp và chỉ có ký hiệu như SAE 40, SEA 50 Loại dầu này thường được dùng cho các loại động cơ 2 kỳ, máy nông nghiệp, công nghiệp

o Ảnh hưởng của tải trọng;

o Tiếp xúc với ô xy không khí;

o Ảnh hưởng xúc tác của các bề mặt kim loại;

o Nhiễm bẩn do nhiên liệu, các sản phẩm cháy, bụi bẩn, nước,…

 Vì vậy, trong quá trình sử dụng, dầu nhờn thường được phân tích đánh giá theo các chỉ tiêu hóa lý như sau:

Trang 13

o Hàm lượng kim loại;

o Hàm lượng tro sunfat;

o Khối lượng riêng

II PHỤ GIA CHO DẦU NHỜN

 Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí là các nguyên tố, được thêm vào dầu nhờn để nâng cao các tính chất riêng biệt vốn có hoặc bổ sung các tính chất sẵn có của dầu gốc nhằm mực đích thu được dầu nhờn có phẩm chất tốt hơn, thỏa mãn các yêu cầu đối với từng mục đích sử dụng khác nhau Thường, mỗi loại phụ gia được sử dụng với nồng độ từ 0,01 – 5% Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một phụ gia có thể được sử dụng ở khoảng nồng độ từ vài phần triệu đến trên 10%

 Phần lớn các loại dầu nhờn cần nhiều loại phụ gia khác nhau để thỏa mãn tất cả các yêu cầu tính năng Trong một số trường hợp, các phụ gia riêng biệt được pha thẳng vào dầu gốc Trong một số trường hợp khác, hỗn hợp các loại phụ gia được pha trộn thành phụ gia đóng gói, sau đó sẽ được đưa tiếp vào dầu gốc

 Có loại phụ gia chỉ có một chức năng nhưng cũng có nhiều phụ gia có thể đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau Do vậy sẽ có phụ gia đơn chức và phụ gia đa chức

 Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, gây ra hiệu ứng tương

hỗ hoặc hiệu ứng đối kháng Trường hợp sau có thể làm giảm hiệu quả của phụ gia, tạo ra những sản phẩm phụ không tan, hoặc những sản phẩm

có hại khác Những tương tác này do hầu hết các phụ gia đều là các hóa chất hoạt động vì thế chúng tác dụng qua lại ngay trong phụ gia đóng gói hoặc trong dầu tạo ra các chất mới

 Yêu cầu chung của một loại phụ gia:

o Dễ hòa tan trong dầu;

o Không hoặc ít hòa tan trong nước;

o Không ảnh hưởng đến tác dụng nhũ hóa của dầu;

o Không bị phân hủy bởi nước và kim loại;