PALIWA SILNIKOWE
Znaczna większość samochodowych silników czterosuwowych o zapłonie elektrycznym napędzana jest benzynami (paliwa lekkie). W razie konieczności silniki te mogą być dostosowane do zasilania takimi paliwami gazowymi, jak gaz ciekły, gaz wysokosprężony oraz gaz generatorowy.
Paliwa do silników samochodów wyścigowych zawierają głównie benzol oraz składniki palne o niskiej temperaturze wrzenia i dużym cieple parowania (metanol, etanol, aceton). Zwykle zawartość benzyny nie przekracza 20%, a zawartość płynu etylowego waha się w granicach 0,9-r-1,5 cm3/l.
Z grupy paliw lekkich najbardziej rozpowszechniona jest benzyna naturalna, którą otrzymuje się z ropy naftowej lub z gazów ziemnych w procesie destylacji. Znane są jednak i inne metody otrzymywania benzyny. Na przykład z wtórnej przeróbki ciężkiej frakcji ropy naftowej (tzw. kraking), z przeróbki węglowodorów gazowych drogą polimeryzacji i kondensacji oraz na drodze syntezy z węgla i wodoru.
Paliwa lekkie powinny odznaczać się następującymi właściwościami:
jak największą wartością opałową,
brakiem zanieczyszczeń mechanicznych oraz wody,
odpornością na zamarzanie lub rozwarstwianie w niskiej temperaturze,
lotnością i prężnością par, w celu sprawnego wytworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej,
bezdetonacyjnym spalaniem mieszanki w silniku,
nie wykazywać skłonności do rozkładu w warunkach eksploatacji lub składowania,
wytwarzać jak najmniejszą ilość osadów w silniku oraz układzie zasilania,
— nie powodować korozji części silnika oraz układu zasilania. Wyszczególnione wymagania w stosunku do paliw lekkich stanowią
podstawę do oceny ich wartości techniczno-eksploatacyjnych. Są one zazwyczaj określane za pomocą umownych wskaźników liczbowych (np. PN-66/C-96025) i zostaną kolejno omówione.
Wartość opałowa paliwa jest miarą energii zawartej w jednostce paliwa, którą można przetworzyć na energię cieplną. Podawana jest w kilokaloriach na 1 1 lub 1 kg ciekłego paliwa (dla paliw gazowych w kilokaloriach na 1 m3). Wartość opałowa nie ma wpływu na moc silnika, lecz na jednostkowe zużycie paliwa. Tłumaczy się to tym, że bez względu na rodzaj paliwa mieszanka paliwowo-powietrzna ma niemal taką samą wartość opałową. Różna jest natomiast proporcja pomiędzy paliwem i powietrzem. Do spalenia paliwa o wyższej wartości opałowej potrzebna jest większa ilość powietrza i odwrotnie. Wartość opałowa benzyny samochodowej wynosi 10400-f-10600 kcal/kg.
Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza jest to ilość powietrza potrzebna do całkowitego spalenia paliwa. Z dokładnością wystarczającą do celów praktycznych przyjmuje się, że na każde 1000 kcal wartości opałowej paliwa potrzeba około 1 m3 powietrza. Jeżeli mieszanka zawiera nadmiar paliwa, to nazywamy ją bogatą, jeżeli natomiast zawiera nadmiar powietrza — nazywamy ją ubogą.
Zanieczyszczenia mechaniczne oraz woda nie powinny w ogóle znajdować się w paliwie, tak też przewidują krajowe normy. Wprawdzie woda nie miesza się z benzyną i można ją łatwo usunąć przez przefiltrowanie, to niemniej jednak dó paliwa może przedostać się pewna ilość tzw. wody higroskopijnej. Najczęściej zjawisko wchłaniania wody występuje, gdy paliwo styka się z wilgocią atmosferyczną, przy czym higroskopijność paliw rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Jest to zjawisko szczególnie niebezpieczne w temperaturze poniżej 0°C, gdyż woda wydziela się wówczas w postaci kryształków lodu i może być przyczyną zakłóceń w pracy silnika. Środkiem zapobiegającym zamarzaniu wody higroskopijnej jest alkohol izopropylowy, dodawany do paliwa w ilości 0,5-4-1,0°/o.
Prężność par, charakteryzująca dążność paliwa do przejścia w stan gazowy, jest z jednej strony zjawiskiem dodatnim, gdyż ułatwia rozruch silnika, lecz z drugiej strony stwarza niebezpieczeństwo tworzenia się korków parowych w przewodach. W związku z tym prężność par paliw samochodowych jest ograniczona normą krajową (PN-66/C--96025) w granicach od 0,7 do 0,8 kG/cm2, przy czym wyższa wartość dotyczy okresu zimowego.
Lotność paliwa wskazuje, jaki procent paliwa odparowuje w określonej temperaturze i określonych warunkach. W celu wytworzenia właściwej mieszanki paliwowo-powietrznej, a zatem zapewnienia prawidłowej pracy silnika, lotność paliwa powinna być wystarczająco duża. Lotność paliwa ocenia się na podstawie tzw. krzywej destylacji normalnej. Charakteryzuje ona przebieg procesu destylacji (wrzenia) paliwa. Norma PN-66/C-96025 określa charakterystyczne punkty tej krzywej dla benzyn samochodowych.
Odporność detonacyjna paliwa powinna być możliwie wysoka. Miernikiem odporności paliwa na spalanie detonacyjne jest liczba oktanowa. Liczbę oktanową paliwa (symbol LO) ustala się za pomocą porównania badanego paliwa z paliwem wzorcowym. Jako paliwo wzorcowe służy mieszanina izooktanu (LO = 100) i heptanu (LO = 0), przy czym wartość cyfrową liczby oktanowej stanowi procentowa zawartość izooktanu w mieszaninie wzorcowej. Mieszanina ta pod względem odporności na spalanie detonacyjne zachowuje się tak samo, jak badane paliwo.
Do porównywania badanego paliwa z paliwem wzorcowym stosuje się specjalny silnik jednocylindrowy o zmiennym stopniu sprężania i o znormalizowanych wymiarach. Stosowane są dwie metody porównawcze: motorowa (symbol MM) i badawcza (symbol RM). Metoda motorowa przewiduje nieco trudniejsze warunki pracy silnika i w związku z tym wykazuje ona o kilka jednostek mniej niż metoda badawcza (średnio 3-4-6 jednostek — rys. 1.35). Wprawdzie w Polsce obowiązuje oznaczanie liczb oktanowych metodą motorową, niemniej jednak norma PN-66/C-96025 wprowadziła oznakowanie rozprowadzanych przez CPN Etylin 78 i 94 według metody badawczej, co odpowiada liczbom oktanowym 76 i 88 według metody motorowej. W celu porównania można podać, że benzyna naturalna wg metody motorowej ma LO w granicach 50-f-65.
Im wyższy jest stopień sprężania w silniku, tym wyższą liczbę oktanową powinno mieć stosowane do niego paliwo, w przeciwnym bowiem przypadku spalanie będzie miało charakter detonacyjny. Zależność tę ilustruje zamieszczony wykres (rys. 1.36).
Dane te są orientacyjne, ponieważ wymagania odporności przeciwstukowej paliwa zależą nie tylko od stopnia sprężania silnika, ale również od innych jego parametrów technicznych. Dlatego też decydujące są ustalenia zawarte w instrukcjach fabrycznych pojazdów oraz stan techniczny silników. W przypadku braku zaleceń fabrycznych, wartości podane na wykresie mogą wystarczająco zorientować, jakiego paliwa należy użyć, aby zapewnić prawidłową pracę silnika.
Ponieważ silniki mają coraz wyższy stopień sprężania, do benzyny dodawane są na ogół składniki wysokooktanowe lub tzw. antydetonatory. W Polsce jako składnik wysokooktanowy najczęściej dodawany jest benzol silnikowy, mogą być jednak również stosowane alkohole, izooktan lub alkilat.
Antydetonatorem lub środkiem przeciwstukowym nazywa się taki związek chemiczny, który dodany w niewielkiej ilości do benzyny powoduje podwyższenie jej liczby oktanowej. Najczęściej stosowany jest czteroetylek ołowiu. Jest to bezbarwna, oleista ciecz o bardzo silnych własnościach trujących i korodujących. W związku z tym norma PN-66/C-96025 ustala, że zawartość czteroetylku ołowiu w Etylinie 78 nie może być większa niż 1,2 G/kG, a w Etylinie 94 — nie więcej niż 1,0 G/kG. Ponadto w celu zmniejszenia korodującego działania czteroetylku ołowiu, jest on dodawany do benzyny jako mieszanina ze związkami bromu i chloru.
Barwa benzyny zmienia się zależnie od barwy dodanego płynu etylowego. Stosuje się ponadto dodatkowe dobarwianie benzyn etylizowanych, w celu odróżnienia poszczególnych gatunków. Na przykład rozprowadzana przez CPN Etylina 78 ma kolor niebieski, a Etylina 94 — kolor żółty.
Skłonności paliwa do rozkładu w warunkach eksploatacji lub składowania przeciwdziała się, dodając niewielkie ilości związków chemicznych, które nazywane są stabilizatorami lub katalizatorami ujemnymi. Starzenie się paliwa jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym. Tworzą się wówczas żywice oraz następuje rozpad płynu etylowego. Proces ten postępuje szybciej, gdy paliwo styka się z powietrzem, znajduje się w podwyższonej temperaturze, wystawione jest na działanie promieni świetlnych, zawiera wodę lub zbiornik, w którym jest przechowywane, wykonany jest z niewłaściwego materiału (np. miedź lub ołów).
Również bardzo niekorzystna jest zawartość w paliwie żywic, smół i gum. Norma krajowa ogranicza zawartość tych składników w paliwie do 10 mg/100 cm3.
Korozję metali powodują szkodliwe zanieczyszczenia paliwa, do których zalicza się kwasy, siarkę i inne domieszki. Najbardziej szkodliwa jest siarka i jej związki, gdyż powodują znaczny wzrost zużycia gładzi cylindrowej i pierścieni tłokowych wskutek korozji. Poza tym siarka wchodzi w reakcję z czteroetylkiem ołowiu i obniża własności przeciwdetonacyjne paliwa. Z tych też względów dopuszczalna zawartość siarki w paliwie nie powinna przekraczać 0,15%>. Najskuteczniejszym sposobem przeciwdziałania korozji w silnikach jest stosowanie do paliw i olejów silnikowych inhibitorów korozji, które powodują zobojętnienie kwasów.