Każdy silnik spalinowy do swojej prawidłowej pracy wymaga źródła energii. Najpopularniejsze silniki spalinowe to te wykorzystujące benzynę (bezołowiową) lub olej napędowy do uzyskania energii mechanicznej napędzającej pojazd. Istnieją również mniej popularne, alternatywne źródła napędu samochodów, tj.: gaz propan - butan, wodór, napęd hybrydowy, biopaliwa, itp. Jednak ich stosowanie jest marginalne (wyjątek gaz propan - butan oraz w ostatnim dziesięcioleciu napęd hybrydowy).

Benzyna - podstawowe informacje

Dotychczas najpopularniejszym źródłem napędu samochodów osobowych była benzyna. Jest to mieszanina węglowodorów alifatycznych (czyli związków zbudowanych z atomów węgla i wodoru o strukturze łańcuchowej), które posiadają w łańcuchu od 5 do 12 atomów węgla. W dużej mierze są to związki nasycone - alkany. W skład benzyny wchodzą również śladowe ilości węglowodorów alifatycznych nienasyconych - posiadających podwójne lub potrójne wiązania pomiędzy atomami węgla (odpowiednio alkeny i alkiny) oraz węglowodorów aromatycznych, czyli węglowodorów o budowie pierścieniowej. Obecnie stosowane benzyny uzyskiwane są w skomplikowanych łańcuchach przemian chemicznych ropy naftowej (rektyfikacja ropy naftowej).

Proces spalania benzyny poprzedzony jest wymieszaniem porcji paliwa z porcją powietrza. Powstaje wówczas mieszanka paliwowo - powietrzna mająca postać mgiełki, w której zawieszone są kropelki benzyny. Odpowiednie wymieszanie benzyny oraz powietrza warunkuje prawidłowy przebieg procesu spalania (powinien przebiegać w bardzo krótkich odstępach czasu w całej objętości cylindra). Tak spreparowana mieszanka wtryskiwana jest do cylindra silnika. Tam następuje zapłon mieszanki pod wpływem przeskakującej iskry na świecy zapłonowej.

Benzyna - liczba oktanowa

Parametrem charakteryzującym jakość oraz zdolność benzyny do dobrego spalania jest liczba oktanowa. Określa ona odporność stosowanego paliwa na niekontrolowany samozapłon w cylindrze, a w konsekwencji jego odporność na spalanie stukowe. Wartość liczby oktanowej jest równa procentom objętościowym zawartości izooktanu (węglowodór nasycony o 8 atomach węgla w łańcuchu, który wykazuje się najlepszymi parametrami spalania spośród wszystkich węglowodorów wchodzących w skład benzyny) w takiej mieszaninie izooktanu i n-heptanu (węglowodór nasycony o 7 atomach węgla w łańcuchu, który wykazuje się najgorszymi parametrami spalania spośród wszystkich węglowodorów wchodzących w skład benzyny), która wywołuje identyczną liczbę stuków w silniku testowym jak analizowane paliwo.

Liczba oktanowa konkretnej benzyny określana jest w czasie badań polegających na porównaniu parametrów pracy silnika testowego zasilanego analizowanym paliwem z parametrami pracy tego samego silnika zasilanego paliwem uzyskanym ze zmieszania izooktanu i n-heptanu. Jeśli badana benzyna działa tak jak czysty izooktan, wówczas przyjmuje się, iż posiada ona liczbę oktanową równą 100. Jeśli badana benzyna działa tak jak czysty n-heptan, wówczas przyjmuje się jej liczbę oktanową równą 0. W zakresach pośrednich rozpatrywana benzyna dysponuje taką liczbę oktanową jak procentowa zawartość izooktanu w paliwie, składającym się tylko i wyłącznie z izooktanu i n-heptanu o identycznych parametrach.

Benzyna surowa uzyskiwana w procesie rafinacji i krakingu dysponuje zbyt niską liczbą oktanową (ok. 60) by móc ją stosować w obecnie produkowanych silnikach spalinowych. Dlatego też jej skład wzbogacany jest o dodatkowe substancje uszlachetniające zwane środkami przeciwstukowymi (antydetonatory zapobiegające zjawisku spalania stukowego). Niegdyś jednym z najpopularniejszych środków przeciwstukowych był tetraetyloołów. Jednak proces jego spalania powodował emisję substancji silnie toksycznych dla organizmów żywych oraz środowiska i dlatego w latach 90-tych benzyny ołowiowe zostały wycofane z użycia.

Benzyna - źródło energii

Podstawowa zasada działania silnika spalinowego polega na konwersji energii chemicznej zmagazynowanej w wiązaniach chemicznych związków (węglowodorów) na energię kinetyczną służącą do napędu kół samochodu (za pomocą układu tłok - korbowód - wał korbowy). Energia chemiczna wiązań chemicznych uwalniana jest w procesie spalania mieszanki paliwowo - powietrznej w cylindrach silnika. Istotą procesu jest wypalenie wtryśniętej do cylindra mieszanki w jak największym stopniu i w jak najkrótszym czasie pod wpływem iskry przeskakującej na świecy zapłonowej. Taki sposób spalenia mieszanki paliwowo - powietrznej gwarantuje prawidłową pracę całego układu oraz umożliwia najbardziej efektywne wykorzystanie wygenerowanej energii. Zbyt niska liczba oktanowa powoduje, że w cylindrze następują lokalne samozapłony paliwa przed właściwym momentem początku spalania. Sytuacja taka zaburza pracę całego układu - powstające przyrosty ciśnienia powodują powstawanie fal dźwiękowych określanych mianem ,,stuków" - spalanie stukowe.

Benzyna - kiedyś i teraz

Obecnie stosowane w samochodach silniki spalinowe wymagają co najmniej benzyny 95-oktanowej. Nowoczesne silniki koncernu VW (silniki z serii TSI oraz silniki z bezpośrednim wtryskiem paliwa FSI) wymagają benzyny 98-oktanowej. Zastosowanie w silniku przystosowanym do spalania benzyny 95-oktanowej benzyny o wyższej liczbie oktanowej nie wpływa zasadniczo na poprawienie parametrów pracy jednostki napędowej. Natomiast zastosowanie w silniku przystosowanym do spalania benzyny 98-oktanowej benzyny o niższej liczbie oktanowej w zasadniczy stopień pogarsza parametry pracy jednostki (zjawisko spalania stukowego) i może przyczynić się do powstania uszkodzeń o charakterze mechanicznym (panewki na główce i stopie korbowodu, łożyskowanie wału korbowego).

Olej napędowy - podstawowe informacje

Innym typem paliwa jest olej napędowy (ON) stosowany w silnikach wysokoprężnych z zapłonem samoczynnym. W silnikach wysokoprężnych, nazywanych od ich wynalazcy silnikami Diesla, zapłon mieszanki paliwowo - powietrznej następuje bez udziału zewnętrznego źródła ciepła - iskry. Zassane do cylindra powietrze ulega sprężeniu pod wpływem przesuwającego się tłoka. Do sprężonego powietrza (o bardzo wysokiej temperaturze) wtryskiwana jest porcja paliwa. Odpowiednie jej rozpylenie następuje dzięki zastosowaniu wysokosprawnych wtryskiwaczy paliwa, które działają pod bardzo wysokim ciśnieniem i dzięki temu umożliwiają uzyskanie optymalnej mieszanki paliwowo - powietrznej. Wysoka temperatura panująca w tłoku powoduje samoistne spalenie mieszanki i wygenerowanie energii kinetycznej przenoszonej na tłok.

Podobnie jak benzyna, olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów (w tym wypadku naftenowych, parafinowych oraz aromatycznych), jednak o wyższej temperaturze wrzenia (180 - 350°C) niż w przypadku benzyny. Olej napędowy uzyskiwany jest w procesach destylacyjnych ropy naftowej. Produkty procesów destylacyjnych (destylaty) charakteryzują się dużą zawartością siarki w związku z czym konieczne jest jej usuwanie w procesach hydrorafinacji (proces katalityczny z udziałem wodoru). Sposób zapłonu mieszanki paliwowo - powietrznej w silnikach wysokoprężnych (samozapłon) sprawia, że parametr kluczowy dla silników benzynowych, czyli liczba oktanowa, w przypadku silników Diesla nie ma większego znaczenia (brak zjawiska spalania stukowego). W przypadku oleju napędowego istotniejszym parametrem jest liczba cetanowa określająca podatność danego typu oleju napędowego na samozapłon. Podobnie jak w przypadku benzyn porównuje się badany typ oleju napędowego do oleju wzorcowego (mieszanka cetanu - bardzo krótki czas zapłonu i ?-metylo-naftalenu o długim czasie zapłonu) i na podstawie doświadczeń przeprowadzanych na silniku testowym przy użyciu analizowanego oleju napędowego określa się jego liczbę cetanową. Polskie normy określają minimalną liczbę cetanową sprzedawanych olejów napędowych gwarantującą prawidłową eksploatację silnika na poziomie ok. 51. Olej napędowy o niższej liczbie cetanowej niekorzystnie wpływa na pracę jednostki napędowej (wyższe spalenie, mniejsza ekonomika, większa emisja wibracji, hałasu i sadzy). Wyższa niż deklarowana przez normy liczba cetanowa wpływa pozytywnie na parametry pracy jednostki napędowej (niższe spalanie, łatwiejszy rozruch, cichsza praca).

Spośród węglowodorów wchodzących w skład oleju napędowego najlepszymi parametrami odznaczają się liniowe węglowodory parafinowe, które spalają się równomiernie w całej objętości a ich liczba cetanowa zawiera się w zakresie wartości 70 - 110. Nieco gorszymi parametrami odznaczają się rozgałęzione węglowodory parafinowe i nafteny, których liczba cetanowa oscyluje w zakresie wartości 20 - 70. Najgorszymi parametrami dysponują proste węglowodory aromatyczne, których liczba cetanowa waha się w granicach 0-60, natomiast w przypadku wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (poza naftenami) wartość ta wynosi tylko ok. 20.

następna »