Chỉ số octan

Chỉ số octan, hay còn gọi là số octan, là một chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng chịu nén của nhiên liệu trong động cơ hoặc máy bay. Nhiên liệu có số octan cao có thể chịu nén tốt hơn trước khi bị nổ (cháy). Nói chung, nhiên liệu có chỉ số octan cao thường được sử dụng cho động cơ xăng hiệu suất cao yêu cầu tỷ số nén lớn hơn. Ngược lại, nhiên liệu có số octan thấp hơn (nhưng chỉ số cetane cao hơn) phù hợp cho động cơ diesel, vì động cơ diesel (hay còn gọi là động cơ đánh lửa nén) chỉ nén không khí và phun nhiên liệu vào không khí đã được làm nóng nhờ quá trình nén. Động cơ xăng dựa vào sự đánh lửa của hỗn hợp không khí và nhiên liệu nén, được đốt cháy ở cuối giai đoạn nén bằng bugi. Vì vậy, độ nén của nhiên liệu là yếu tố quan trọng đối với động cơ xăng. Sử dụng xăng có số octan thấp hơn có thể gây ra hiện tượng động cơ bị gõ.

Nguyên lý hoạt động

Vấn đề: hiện tượng đánh lửa trước và âm thanh gõ

Trong động cơ Otto với hệ thống đánh lửa, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được làm nóng khi bị nén và sau đó được kích hoạt bởi bugi để cháy nhanh. Nếu nhiên liệu chưa cháy bị đốt nóng hoặc nén quá mức trong buồng đốt, các phần này có thể tự cháy (gây nổ) trước khi ngọn lửa chính tiếp cận. Sóng xung kích từ vụ nổ có thể tạo ra áp suất cao hơn mức động cơ thiết kế và gây ra tiếng 'gõ' hoặc 'ping'. Hiện tượng này có thể gây hại lớn cho động cơ nếu xảy ra nghiêm trọng.

Các hệ thống quản lý động cơ hiện đại trong ô tô thường trang bị cảm biến tiếng gõ để phát hiện tiếng gõ phát sinh do sự nén của nhiên liệu. Trong những động cơ được điều khiển bằng máy tính, hệ thống quản lý động cơ tự động điều chỉnh thời điểm đánh lửa để giảm tiếng gõ xuống mức chấp nhận được.

Isooctan như một tiêu chuẩn tham khảo

Octan là nhóm hydrocarbon đặc trưng có mặt trong xăng. Chúng là chất lỏng không màu, sôi ở khoảng 125 °C (260 °F). Trong nhóm octan, isooctan được sử dụng làm tiêu chuẩn để so sánh khả năng chống tự cháy của nhiên liệu xăng hoặc LPG.

Chỉ số octan của xăng được đo trong động cơ thử nghiệm và so sánh với hỗn hợp 2,2,4-trimethylpentane (iso-octan) và heptane để xác định khả năng chống va đập của nhiên liệu. Phần trăm thể tích của 2,2,4-trimethylpentane trong hỗn hợp này chính là chỉ số octan của nhiên liệu. Ví dụ, xăng có chỉ số octan 90 tương tự như hỗn hợp 90% iso-octan và 10% heptane. Xếp hạng 90 không có nghĩa là xăng chỉ chứa iso-octan và heptane; thực tế, xăng là sự pha trộn của nhiều hydrocarbon và có thể chứa các chất phụ gia khác. Định nghĩa đã được mở rộng để cho phép chỉ số octan vượt quá 100 vì một số nhiên liệu có khả năng chống gõ mạnh hơn iso-octan tinh khiết.

Chỉ số Octane không phản ánh hàm lượng năng lượng của nhiên liệu. (Xem Hiệu ứng bên dưới và Nhiệt của quá trình đốt cháy). Nó chỉ là thước đo cho khả năng nhiên liệu cháy một cách kiểm soát, thay vì nổ một cách không kiểm soát. Khi số octan tăng lên bằng cách pha trộn ethanol, năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích sẽ giảm. BTU của ethanol có thể so sánh với BTU của xăng trong điều kiện đốt cháy.

Nhiên liệu có thể đạt chỉ số octan nghiên cứu (RON) trên 100, vì iso-octan không phải là chất chống nổ mạnh nhất hiện có. Nhiên liệu đua, avgas, LPG và nhiên liệu cồn như methanol có thể đạt chỉ số octan 110 hoặc cao hơn đáng kể. Các phụ gia xăng thường dùng để tăng cường octan bao gồm MTBE, ETBE, isooctan và toluene. Chì dưới dạng tetraethyllead đã từng là một phụ gia phổ biến, nhưng việc sử dụng nó trong nhiên liệu xe cơ giới đã bị giảm dần trên toàn thế giới kể từ những năm 1970.

Phương pháp đo lường

Số Octane Nghiên cứu (RON)

Chỉ số octan phổ biến nhất trên toàn cầu là Số octane nghiên cứu (Research Octane Number - RON). RON được xác định bằng cách thử nghiệm nhiên liệu trong động cơ với tỷ số nén thay đổi dưới điều kiện kiểm soát và so sánh với kết quả của hỗn hợp iso-octan và n-heptane.

Số Octane Động cơ (MON)

Một phương pháp đánh giá octan khác, gọi là Số Octane Động cơ (MON), được xác định ở tốc độ động cơ 900 vòng/phút thay vì 600 vòng/phút như RON. Thử nghiệm MON sử dụng động cơ thử nghiệm tương tự như trong thử nghiệm RON, nhưng với nhiên liệu đã được làm nóng trước, tốc độ động cơ cao hơn và thời gian đánh lửa được điều chỉnh để nâng cao khả năng chống va đập của nhiên liệu. Tùy thuộc vào thành phần nhiên liệu, MON của xăng bơm hiện đại thường thấp hơn khoảng 8 đến 12 octan so với RON, nhưng không có mối liên hệ trực tiếp giữa RON và MON. Thông số kỹ thuật xăng của trạm bơm thường yêu cầu cả RON tối thiểu và MON tối thiểu.

Chỉ số chống gõ (AKI) hoặc (R + M)/2

Tại hầu hết các quốc gia châu Âu (cũng như ở Úc, Pakistan và New Zealand), chỉ số octan hiển thị trên máy bơm xăng là RON, nhưng ở Canada, Hoa Kỳ, Brazil và một số quốc gia khác, số được hiển thị là trung bình của hai chỉ số RON và MON, gọi là Chỉ số chống gõ (AKI) và thường được ghi trên máy bơm là (R + M)/2. Đôi khi nó cũng được gọi là Số octane được đăng (Posted Octane Number - PON).

Sự khác biệt giữa RON, MON và AKI

Vì sự chênh lệch từ 8 đến 12 octan giữa RON và MON, chỉ số AKI hiển thị ở Canada và Hoa Kỳ thường thấp hơn từ 4 đến 6 octan so với các khu vực khác trên thế giới cho cùng một loại nhiên liệu. Sự khác biệt này giữa RON và MON gọi là Độ nhạy của nhiên liệu, và thường không được công bố ở các quốc gia áp dụng hệ thống chỉ số chống gõ.

Xem bảng trong phần sau để so sánh.

Số Octane Quan sát trên Đường (RdON)

Một loại đánh giá octan khác, gọi là Số Octane Quan sát trên Đường (RdON), được dựa trên thử nghiệm xăng trong động cơ đa xi lanh trong điều kiện thực tế, thường là ở các mô hình mở rộng. Phương pháp này được phát triển từ những năm 1920 và vẫn còn được sử dụng đáng tin cậy đến ngày nay. Các thử nghiệm ban đầu được thực hiện trên xe ô tô đường phố nhưng với sự phát triển công nghệ, chúng đã được chuyển sang động lực kế khung gầm với các điều kiện môi trường được kiểm soát để cải thiện độ chính xác.

Chỉ số Octane

Việc xác định số octan qua hai phương pháp phòng thí nghiệm yêu cầu sử dụng động cơ tiêu chuẩn và quy trình thử nghiệm, điều này có thể vừa tốn kém vừa mất thời gian. Động cơ tiêu chuẩn cần thiết cho thử nghiệm có thể không phải lúc nào cũng có sẵn, đặc biệt là ở những khu vực xa xôi hoặc trong các phòng thí nghiệm nhỏ hoặc di động. Chính những yếu tố này đã dẫn đến việc tìm kiếm các phương pháp nhanh chóng để đánh giá khả năng chống kích nổ của xăng. Các phương pháp này bao gồm FTIR, máy phân tích hồng ngoại trực tuyến và những phương pháp khác. Việc phát triển một phương trình tính toán chất lượng octan cũng có thể phục vụ mục đích tương tự với các lợi thế bổ sung. Thuật ngữ Chỉ số Octane thường được dùng để chỉ chất lượng octan được tính toán thay vì đo lường thực tế hoặc số octan của động cơ. Chỉ số octan rất hữu ích trong việc pha trộn xăng. Xăng động cơ, như được bán trên thị trường, thường là sự kết hợp của nhiều loại xăng khác nhau từ các quy trình khác nhau như xăng chạy thẳng, xăng định dạng lại, xăng cracked, v.v... Các loại này được coi là một nhóm khi pha trộn để đáp ứng các thông số kỹ thuật của sản phẩm cuối cùng. Hầu hết các nhà tinh chế sản xuất và phân phối nhiều loại xăng, chủ yếu khác nhau về chất lượng chống kích nổ. Khả năng dự đoán chất lượng octan của các hỗn hợp trước khi pha trộn là rất quan trọng, và chỉ số octan được tính toán đặc biệt phù hợp cho việc này.