Zážehový pístový motor, postupnì stále zdokonalovaný z pùvodního Ottova motoru, má za sebou již stovku let svoji existence. Pøestože šedesátá léta byla pøedznamenána øadou nových konstrukcí spalovacích motorù, z nichž je tøeba zejména se zmínit o rotaèních motorech s epitrochoidním spalovacím prostorem (napø. Wankelùv motor), nakonec však postavení Ottova motoru se zdánlivì archaickým vratným pohybem pístu nebylo pøekonáno ani po stránce technické, ani po stránce ekonomické. Do jeho vývoje však zasáhly a stále zasahují pronikavì dva momenty :
· snaha hospodárnosti projevující se v úsilí konstruktérù po nejmenší specifické spotøebì paliva - benzínu;
· snaha po ochranì životního prostøedí.
Snaha po dosažení maximální hospodárnosti ve spotøebì paliva do urèité míry souvisí i s omezením pronikání škodlivin do životního prostøedí, což se týká pøedevším obsahu CHx (uhlovodíkù), dále CO a NOx (oxidù dusíku). Požadavky na zvýšení ochrany Ž.P. se v sedmdesátých letech zaèínají odrážet v kodifikaci velmi pøísných legislativních opatøení. Novì vyvíjené motory let osmdesátých navíc kromì požadavkù hospodárnosti a „èistých“ výfukových plynù musí splòovat požadavek konzumace alternativních paliv, jako napø. alkoholických èi plynných, jako je napø. propan-butan, zemní plyn èi vodík.
Do konce našeho století zùstává Ottùv motor pøes konkurenci vyvíjených nekonvenèních motorù, jako napø. Stirlingùv motor, plynová turbína, parní motor, palivové èlánky, nové typy akumulátorù, v èele konvenèních motorù vyrábìných pro mobilní energetické prostøedky (MEP) všeho druhu. Narùstající konkurenci se snaží èelit rozsáhlou modernizací, která se týká pøedevším :
· Pøípravy smìsi. Pùvodní odpaøovací karburátor je dnes nahrazován stále dokonalejšími, avšak na údržbu nároènìjšími typy karburátorù. Díky rozvinuté elektronice se vstøikování benzínu rozšíøilo, a tak pøi stejné spotøebì narostl specifický výkon o 10-15 %. Rovnìž se zdokonalily mechanické principy vstøikování.
· Zapalování. I zde díky elektronice se projevuje zlepšení ve spolehlivosti a výkonu pøi použití bezkontaktního elektronického zapalování.
· Zlepšení složení toxických složek výfukových plynù, pøí. zneškodòování nìkterých toxických složek ve výfukových plynech. Speciální sondy kontrolují a øídí optimální složení smìsi, katalyzátory zneškodòující nìkteré složky (CHx, CO a NOx).
· Zdokonalení spalovacích prostorù umožòuje spalování velmi chudých smìsí a spolu s kompresním pomìrem pøináší zvýšení speciálního výkonu a lepší využití paliva. Zvýšený kompresní pomìr se obráží:
· ve zmenšeném kompresním prostorù, který tím má menší ochlazovaný povrch, a proto klesají i tepelné ztráty;
· ve zlepšeném vyprázdòování válce, stoupá objemová úèinnost;
· ve zlepšenéém hoøení a spálení všech èástí paliva, kapénky paliva lépe zplynuje a jejich shoøení probíhá rychleji a úplnìji. Zvyšování kompresního pomìru má však svoje meze, které souvisejí
se stoupáním nárokù na antidetonaèní vlastnosti paliva. Rovnìž úèinnost (tepelná) stoupá potom
mnohem pomaleji, zejména po dosažení e = 10 : 1. Po roce 1973 se v Evropì ustálil u bìžných komerèních zážehových motorù osobních vozidel kompresní pomìr na hodnotì 8,5 až 9,6 : 1 v závislosti na požadovaném výkonu a dalších parametrech.
Spalovací pochody v zážehovém motoru
V podstatì mohou nastat dva pøípady spalování benzínu v zážehovém motoru :
· normální neboli horké spalování,
· detonaèní neboli studené spalování
Normální spalování
Smìs palivo - vzduch (pøipravené v objemovém pomìru nejvhodnìjším pro dané provozní podmínky)
proudí sacím potrubím do válce (resp. válcù) motoru, kde je pøi kompresním zdvihu stlaèena na 0,8 - 1,5 MPa.
Koneèná teplota pøi kompresi se pohybuje od 400 do 600 stupòù a není natolik vysoká, aby se smìs sama zapálila; teprve elektrická jiskra zapalovací svíèky zavádí spalovací proces. Pro prùbìh a kvalitu spalování v zážehovém motoru je dùležité, jakým zpùsobem se šíøí plamen svíèky v závislosti na èase i prostoru.
Plamenová zóna se šíøí od svíèky hemisféricky (pøi normálním prùbìhu), a sice sdílením tepla, konvencí a radiací tepla, ale hlavnì úèelnì a zámìrnì øízeným proudìním smìsi a jejím víøením. Rychlost a šíøení plamene zaèíná na svíèce a je celkem malé, nejvìtší je až po dosažení maximálního tlaku pøi spalování (tlaková špièka 3,0 - 4,0 MPa) a pøi maximální teplotì spalování (teplotní špièka 2000 až 2500°C). A opìt ke konci spalování, když plamenná zóna se pøibližuje chladnìjším stìnám válce, je rychlost šíøení plamene menší.
V celkovém prùmìru, poèítáno na trvání celého spalovacího cyklu, je rychlost šíøení plamene ve spalovacím prostoruz pøi normálním prùbìhu 10 - 25 m/sec. Horní hranice dosahuje pøi 10% nedostatku vzduchu ( l = 0,90) a pøi vyšších otáèkách, kdežto pøi pøíliš bohaté smìsi nebo pøi pøíliš chudé smìsi a malých otáèkách klesá rychlost spalování v dùsledku malého víøení smìsi. Pro zajímavost: rychlost šíøení plamene ve víøení a proudìní smìsi ve spalovací bombì je pouze 1 - 5 m/sec. Rychlost šíøení plamene, a tím i spalovacího procesu, je ovlivòována hlavnì palivem, provozními podmínkami (otáèky, teplota, zatížení, pøebytek vzduchu l) a konstrukcí motoru (kompresní pomìr, velikost válcù, chlazení).
Spalování probíhá nejlépe, když dráha plamene je krátká, zapálení smìsi probìhne na nejteplejším místì spalovacího prostoru a plamenová zóna není uzavøená. To se dá dosáhnout úèelným uspoøádáním svíèky a ventilù, úèelným uspoøádáním a chlazením spalovacího prostoru.
Energie, ztracená vysokofrekvenèním kmitáním, se ovšem projeví na citelnì zeslabeném výkonu motoru a enormnì namáhané pístové skupinì (píst, pístní èep, ojnièní ložisko), což pøispívá k rychlému opotøebení motoru, obzvláštì ložisek.
Ukázalo se, že motory s vìtším vrtáním a rovnìž rozlehlejším spalovacím prostorem mají pøi stejném kompresním pomìru vìtší tzv. oktanový nárok, což je minimální hodnota oktanového èísla paliva, pøi kterém neprobíhá ještì detonaèní proces.
Sklon ke „klepání“ (správnì: detonaènímu spalování) se mùže snížit :
· vyššími otáèkami;
· menším zatížením;
· škrcením nasávaného vzduchu, tj. menším úhlem škrtící klapky (v praxi = ménì „plynu“);
· zmenšením komprese pøi daném OÈ paliva (na což má vliv i dekarbonizace spalovacího prostoru motoru, silnìjší tìsnìní pod hlavou motoru aj.);
· pøíznivìjším osazením trysek karburátoru;
· vìtší vlhkostí vzduchu (pøisávání vodních par);
· menším pøedstihem (lépe øeèeno správným nastavením základního pøedstihu, který v provozu je ovlivòován podtlakovým ovládáním a otáèkovou regulací);
· lepším chlazením (chladnìjší nasávaný vzduch, použití ethanolu s vysokým odparným teplem, odstranìním úsad a kamene v plášti válcù, sodíkem chlazené výfukové ventily, hliníkové válce s dobrým odvodem tepla, chlazením oleje aj.);
· použitím paliva s vhodným OÈ odpovídajícím oktanovému nároku motoru;
· konstrukèními zásahy (úprava spalovacího prostoru, zmenšení obsahu jednotlivých válcù na celkový objem motoru, vhodnou úpravou kompresního prostoru, antidetonaèní štìrbinou, pøíp. víøením smìsi v upraveném pístu aj.);
· zmenšením kompresního pomìru o 1 klesá oktanový požadavek benzínového motoru okrouhle o 10 - 15 oktanových jednotek, ovšemže toto nelze paušalizovat, nebo i dva rùzné motory se stejným kompresním pomìrem a stejným obsahem válcù se mohou dost podstatnì lišit svým oktanovým požadavkem (viz pøedchozí odstavec)!
Je zajímavé i pùsobení nadmoøské výšky. Se stoupající nadmoøskou výškou se snižuje oktanový požadavek (pøibližnì na každých 1000 m výšky asi o 8 oktanových jednotek).
Antidetonaèní vlastnosti paliv, oktanové èíslo a jeho zjišování
Jak už bylo øeèeno v pøedchozí kapitole, je detonaèní spalování funkcí teploty a tlaku spalované smìsi a vše, co zvìtšuje tlak a teplotu komprimované smìsi ve spalovacím prostoru, zvìtšuje i sklon motoru ke klepání.
Rùzná paliva se za stejných podmínek chovají jinak, nìkterá klepání vzdorují - mají vlastnosti antidetonaèní, a zase jiná paliva klepání usnadòují - jsou tedy prodetonaèní.
Antidetonaèní odolnost paliva se vyjadøuje oktanovým èíslem (OÈ). Toto èíslo je nyní hlavním jakostním parametrem benzínum èímž je palivo odolnìjší vùèi klepání.
Oktanové èíslo paliva je definováno jako objemové procento izooktanu (2,2,4 -trimethylpentanu) ve smìsi s n-heptanem, vykazující ve zkušebním motoru stejnou odolnost vùèi klepání jako zkoušené palivo. Intenzita klepání zkušebního motoru (viz dále) se hodnotí buï knockmetrem, èi snímáním teploty pod svíèkou nebo i sluchem. Pro hodnocení antidetonaèní odolnosti benzínu byly zvoleny dva èisté uhlovodíky jako standardy. Èistý n-heptan, který vykazuje velmi malou odolnost vùèi klepání, má OÈ - O, zatímco izooktan (2,2,4-trimethylpentan) má odolnost velkou a jeho OÈ = 100.
Jako zkušebního motoru se nejvíce používá amerického zkušebního motoru CFR (Conmitee for Fuel Research) nebo sovìtského II - 9, nebo nìmecký BASF. Podle americké metody ASTM se postupnì vyvinuly ètyøi metody antidetonaèních vlastností, oznaèované F-1 až F-4. Metody F-1 a F-2 jsou urèeny pro silnièní, metody F-3 a F-4 pro letecká paliva. Pracovní podmínky v tìchto zkušebních motorech musely proto být pøizpùsoberny podmínkám v motorech, v praxi používaných. A proto se ustálily zmínìné dvì mezinárodní metody pøevzaté dle ASTM (American Society for Testing and Materials):
· Metoda oznaèovaná mezinárodnì F-2, je zvána též motorová metoda (MM).
· Metoda oznaèovaná mezinárodnì F-1, zvaná též výzkumná metoda (RM).
Provozní podmínky pro obì metody jsou zøejmé z tabulky è. 8. Hodnota OÈ dle F-1 (RM) je až na vzácné výjimky vždy vìtší než F-2 (MM). Podmínkám provozu vozidel více vyhovuje metoda výzkumná (RM - VM).
Zvìtšující se obsah uhlovodíkù, zejména nafténù, olefinù a aromátù, se projevuje zvýšením rozdílu obou OÈ, který u aromátù mùže dosáhnout až dvanácti jednotek. A právì tento rozdíl (OÈRM - OÈMM) je charakteristický pro reakci paliva a zmìnu provozních podmínek a nazývá se citlivostí paliva, døíve znaènì zdùvodòovanou. Dnes se na citlivost paliva pohlíží již ménì jednoznaènì, nebo je funkcí obsahu aromátù v palivu, což mùže pøinášet i nevýhody v podobì zanášení a karbonizace spalovacího prostoru i pohyblivých èástí pístové skupiny, a tím vznik nìkterých druhù nežádoucích jevù v chodu motoru, jako napø. pøechodné klepání, kymácení a dušení motoru. Proto jsou dnes v palivu více cenìny složky izoparafinické, které se dostávají do paliva pøidáním alkylátù a jejichž citlivost není velká.
Nositeli vysokého oktanového èísla v benzínu jsou aromatické uhlovodíky a alkany s øetìzcem o 5-8 oktanech uhlíku, alespoò se dvìma poboènými øetìzci. Cykloalkany mají OÈ ponìkud menší a velmi nízké OÈ mají n-alkeny. S rostoucí velikostí molekuly oktanové èíslo uhlovodíku klesá, proto OÈ benzínu závisí na prùbìhu jejich destilaèní køivky, hlavnì na jejím konci.
Motorová metoda MM (F-2) Výzkumná metoda VM (F-1)
Otáèky 900 ± 0 ot./min. 600 ± 6 ot/min.
Kompres. stupeò 4 až 10 (pøestav.) 4 až 10 (pøestavitelný)
Pøedstih pø. HÚ 26° pøi = 5,00 13° konstantní!
24° pøi = 5,41
22° pøi = 5,91
19° pøi = 6,91
Typ svíèky CHAMPION 813, vzdálenost elektrod 0,508 mm
Vzdálenost odtrhu pøerušovaèe 0,50 mm 0,50 mm
Ventilová vùle 0,20 ± 0,025 mm pøi teplém motoru
Druh oleje SAE 30
Tlak oleje 0,175 - 0,210 Mpa
Teplota oleje 50° až 65°C Teplota chladicí vody 100°C
Teplota pøedehøáté smìsi 149°C žádné pøedehøátí
Vlhkost vzduchu 3,6 až 7,1 g/kg suchého vzduchu
Teplota vstupního vzduchu 24 až 52°C 52° ± 1° pøi 760 mm Hg
Pøesnost ± 1 OÈ ± 1 OÈ
OÈ nìkterých typù uhlovodíkù:
Uhlovodík OÈVM OÈMM
n-heptan -0- -0-
izooktan 100 100
2,2,3-trimethylpentan 110 100
n-pentan 62 62
n-butan 94 89
n-hexan 25 26
cyklopentan 101 85
benzen 98 115
toluen 120 104
ethylbenzen 107 104
1,4-dimethylbenzen 116 110
Pøi mísení uhlovodíkù rùzných typù se výsledné oktanové èíslo vždy nerovná hodnotì odpovídající výpoètu podle smìsného pravidla. Nìkteré typy uhlovodíkù se projevují ve smìsi s jinými palivy jakoby jejich OÈ byly jiné než v èistém stavu. Ve smìsi se projevuje jejich OÈ buï vìtší èi menší, napø. OÈ (RM) èistého benzenu je 114,8, jeho smìsné OÈ = 91, ale napø. ethylbenzen má samotné OÈ = 97,9 a smìsné OÈ (RM) =
107. Oktanové èíslo uhlovodíku vypoètené ze zmìny OÈ smìsi se nazývá smìsné oktanové èíslo.
Smìsné oktanové èíslo se mìøí zpravidla tak, že se 20 % zkoušeného uhlovodíku (nebo jiného paliva)
pøidá do smìsi izooktanu a n-heptanu v pomìru 60:40.
Smìsné OÈ paliva = (OV - 48) . 5
OV = oktanové èíslo smìsi
Smìsné oktanové èíslo není konstantou, nýbrž se mìní s množstvím pøídavkù a blíží se k pùvodnímu OÈ uhlovodíku.
Hodnocení antidetonaèních vlastností metodami F-1 a F-2 není ve vztahu k silnièním palivùm zcela uspokojující v tom, že pro motor silnièního vozidla je typická stálá zmìna režimu, øízená podmínkami silnice a provozu. Pøi velmi rozdílných otáèkách se vyžaduje rùzný velký výkon podle potøeby a mìní se tedy bohatost smìsi. Z toho vyplývá, že spalovací vlastnosti paliva by mìly být charakterizovány køivkou probíhající celý rozsah prakticky používaných otáèek. Zkušenost, že motor klepe za plného zatížení, umožòuje sledovat køivku antidetonaèní odolnosti pøi rùzných otáèkách s tím, že motor pracuje na plný plyn a tedy maximální výkon. Na tomto základì vznikly metody stanovení silnièní oktanové køivky, z nichž se nejvíce rozšíøily dvì: modifikovaná UNION-TOWN a metoda tzv. mezní køivky BORDERLINE-method.
Popis tìchto metod se vymyká rámci uèebnice, nutno jen dodat, že je to metoda dost nákladná.
V závìru této kapitoly se zmíníme o tzv. delta oktanovém èíslu, které je dùležitým jakostním parametrem.
Delta oktanové èíslo paliva je oktanové èíslo paliva jako celku zmenšeného o OÈ podílu získaného oddestilováním lehkých podílù vroucích do 100°C. Je zøejmé, že èím je delta OÈ menší, tím je menší rozdíl antidetonaèních vlastností lehkých a tìžkých složek benzínu. Zejména použití TMO místo TEO napomáhá rovnomìrnìjšímu rozdìlení antidetonátoru i do lehèích podílù, a tím zamezení klepání vzdálenìjších válcù. Delta OÈ jakostních benzínù je menší než 10, u ès. benzínù BA-90 Speciál a BA-96 Super zpravidla 6-8 jednotek.
Další pojem, který souvisí s OÈ paliva, jsou :
· oktanový pøedpis,
· oktanový nárok,
· oktanová rezerva.
Oktanový pøedpis je výrobcem motoru pøedepsán ve formì doporuèení v instrukèní knížce èi provozním návodu pro daný typ motoru. Uživateli je tam jednoznaènì sdìleno a doporuèeno, aby používal pro daný motor palivo s pøedepsaným OÈ - VM. Zohledòuje se vìtšinou bìžnì vyrábìný typ paliva v dané zemi, napø. Ba-96 Super.
Oktanový nárok motoru není vìtšinou sdìlován uživateli, nebo není konstantou, mìní se zejména bìhem zábìhu a po nìm, zvyšuje se bìhem další životnosti motoru! Je to zejména dùsledek karbonových úsad
ve spalovacím prostoru, zmìna v odvodu tepla z hlavy motoru, zmìna v kompresním pomìru, a øada dalších dílèích zmìn. Oktanový nárok zjišuje konstruktér motoru pøi zkouškách motoru na brzdì. Oktanový nárok motoru je definován jako nejmenší oktanové èíslo paliva, se kterým daný motor neklepe v celém rozsahu otáèek motoru.
Oktanová rezerva zohledòuje rozdíl mezi oktanovým pøedpisem a oktanovým nárokem s tím, že se tak vytváøí bonus exploatace motoru, tj. možnost využití vyššího pøedstihu, menší spotøeby paliva, lepších akceleraèních vlastností atd. Konkstruktér motoru s tím poèítá napø. tím, že u starších motorù je možno využít oktanového korektoru (napø. u motoru Žiguli) èi u moderních motorù vybavených víceparametrovou regulací spalování se využívá oktanové rezerva automaticky na principu elektronické korektury pøedstihu na mezi klepání motoru (napø. motory SAAB a jiné).
Antidetonaèní Index - ADI
Oktanová èísla mìøená dle VM èi MM nám charakterizují autobenzín z odlišných pohledù, a tudíž nám neposkytují údaje vyjadøující komplexní antidetonaèní schopnost paliva pøi bìžném silnièním provozu OÈVM nám poskytuje informace týkající se schopnosti autobenzínu odolávat pøedzápalùm pøi vysokých rychlostech, vysokých provozních teplotách, nebo pøi vysokých rychlostech a èásteènì otevøené škrtící klapce. Tyto nedostatky vedly k zavedení silnièního oktanového èísla (SOÈ), které lépe vystihuje mìnící se provozní podmínky automobilu bìhem jízdy. Je tu ovšem jeden velký nedostatek: nemožnost výroby alespoò dvou zcela shodných motorù, které by dávaly shodné výsledky mìøení SOÈ.
Kompromisním øešením je zavedení AOI, což je aritmetický prùmìr OÈVM a OÈMM.
Antidetonátory, druhy a princip pùsobení
Chemické složení benzínu je dáno typem zpracované ropy a mìní se krakováním nebo reformingem, popø. pøídavkem zsoparafínù získaných alkylací. Tento poslední postup je bìžný v USA, kde jsou nevytíženy velké kapacity na výrobu vysokooktanových složek pro letecké benzíny (pokles spotøeby paliv pro pístové letecké motory). Použití alkylátù v Evropì (kromì NSR) není zatím bìžné.
Oktanové èíslo dosažené tìmito procesy však zpravidla ještì nestaèí nárokùm moderních motorù a je proto upravováno pøísadou antidetonátorù.
Antidetonátory jsou neuhlovodíkové látky nejrùznìjšího typu, jejichž malý pøídavek v palivu podstatnì zlepšuje jeho antidetonaèní vlastnosti. Jiné látky, zvané prodetonátory, naopak uspišují detonaèní spalování, èili mají tzv. iniciaèní úèinek. Jsou to napø. peroxidy, které uvolòují aktivní radikály.
Antidetonátory se zaèaly jako pøísady do benzínù používat již pøed poslední válkou. Chemický mechanismus jejich pùsobení není ještì do všech detailù probádán. Pøedpokládáme však, že antidetonátory :
· pøevádìjí aktivní látky radikály na radikály „neteèné“;
· podporují sluèování radikálù, a tím je vyøazují z èinnosti.
Obecnì lze øíci, že brzdí množení radikálù a zabraòují vzniku øetìzových reakcí. Zjednodušenì bychom
si jejich funkci mohli naznaèit u anilinu, který má antidetonaèní úèinek, i když se jej v praxi jako antidetonátoru nepoužívá :
C6H6NH2= C6N5NH+H
Anilin se rozpadne na radikál C6H5NH- a vodíkový atom H´ s nepárovým elektronem. Ten okamžitì odstraní nejbližší radikál ´OH, nebo jiný aktivní radikál a zabrzdí tím jednu øetìzovou reakci
H´ + ´OH = H2O
Anilinový radikál C6H5NH´ je sám neteèný a není schopen rozbìhnout øetìzovou reakci. Teoreticky je známa celá øada látek, které dovedou zabránit nastartování aldehydové reakce typické pro detonaèní proces.
Mezi nejpoužívanìjší patøí bezesporu tetraethylolovo, zkratka TEO, Pb(C2H5)4. Je to bezbarvá kapalina, velice jedovatá, hustoty 1,66, 1 cm3 této kapaliny obsahuje 1,057 g Pb, bod varu 199 °C. Používá se ve formì ethylové kapaliny (ethylfluidu), což je roztok TEO v toluenu, obsahující potøebné množství vynášeèù olova, stabilizátor a barvivo. Vynašeèe jsou halogenderiváty (pøedevším Cl a Br) uhlovodíkù, které pøevádìjí olovo po spálení ve spalovacím provotu na chloridy a bromidy olova, jež pøi teplotách nad 650°C až 700°C odcházejí ve formì par výfukem, a tak se vynáší olovo z válce.
Z toho vyplývají tøi dùvody omezeného pøidávání TEO do benzínu :
· úèinek TEO se stoupajícím množstvím klesá a náklady stoupají;
· reakce s vynašeèi neprobíhají kvantitativnì, èást se vždy usazuje v motoru;
· znaèná jedovatost TEO, nebo je jednak stejnì tìkavý jako páry benzínu a jednak se snadno resorbuje pokožkou.
V osmdesátých letech však do dozace olovnatých aditiv zasáhly ekologické aspekty. Poèínaje rokem 1983 se také v ÈSR zaèal obsah olova v podobì TEO èi TMO pronikavì snižovat, takže sice výkonová úroveò vyjádøena v OÈVM zùstává zachována, avšak dozace aditiv je snížena na 0,15 g olova na 1 litr autobenzínu. Kromì toho jsou v bìžné produkce bezolovnaté benzíny urèené zejména pro motory s katalyzátorem.
Rovnìž „studená koroze“ jako následek hydrolytického rozkladu vynášeèù (HCl) napadá lehké slitiny v motoru a v pøívodním potrubí a karburátoru.
U dvoutaktù se projevuje nepøíznivý úèinek TEO nìkolikanásobnì : Zkraty svíèek „mùstkování“, korozí ložisek, pøedzápaly a samozápaly zpùsobené žhnutím úsad ve spalovacím prostoru a øada jiných potíží.
Je tøeba zdùraznit, že všechny neèistoty v palivu, zejména sirné látky a síra sama, silnì snižuje úèinek TEO. Proto je tøeba benzíny urèené pro etylizaci zvláštì peèlivì rafinovat. Záporný vliv na TEO mají i nìkteré pøísady v minerálních olejích, což se zejména nepøíznivì projevuje v opalování výfukových ventilù.
Ani vynášeèe neodstraní zplodiny hoøení TEO ze zapalovacích prostorù úplnì a vznikající úsady pùsobí klepání, samozápaly, zkratování svíèek a zhoršují pøestup tepla. Tyto poruchy se zmírní použitím pøísad, které jednak zmenšují elektrickou vodivost úsad, jednak zlepšují jejich tepelnou vodivost. Firma SHELL pod oznaèením ICA (= Ignition Control Additive) zavádí trikresylfosfát.
Další potíž, kterou pùsobí TEO, vyvìrá z jeho pøíliš vysokého bodu varu, rozdìlení antidetonátorù do válcù motorù s dalším sacím potrubím, a tím vznik klepání ve válcích vzdálenìjších od karburace.
V kombinaci s TEO se pod znaèkou AK-33x používá methylcyklopentadienylmangantrikarbonyl.
Z dalších antidetonátorù se v posledních letech v cizinì (ale i u nás u Ba-96 Super) rozšiøuje používání velmi úèinného antidetonátoru - TMO = tetramethylolova.
TMO - je bezbarvá kapalina, velice jedovatá, bod varu jen 110°C (oproti 190°C u TEO) a hustoty 1,99
g/m3, takže v 1 ml TMO je obsaženo 1,540 g Pb, tj. o 45 % více olova než u TEO.
TMO je úèinnìjší zejména v aromatických palivech, zvláštì má-li benzín „lehkou“ destilaèní køivku. Z dalších už dnes nepoužívaných antidetonátorù to byl pentakarbonyl železa, Fe(CO)5, pod obchodním názvem
„MOTYL“. Je to bezbarvá kapalina, citlivá na svìtlo, bod varu 103°C, nejedovatá. Jeho úèinnost je ménì než polovièní vzhledem k TEO. Bohužel se nepodaøilo najít úèinný zpùsob vynášení železa ze spalovacího prostoru, a proto se vytváøí pøi jeho použití oxidové úsady na svíèkách a nejen to,unikající oxidy železa vytváøí brusnou pastu, takže vzniká zvìtšené opotøebení pístních kroužkù a válcù. Rovnìž vzniklými oxidy železa se katalyticky urychluje stárnutí oleje motoru.
Z celé øady další antidetonaèních èidel je znám monomethylanilin (MMA). Je to žlutá kapalina, hustoty 0,99, bodu varu 194°C, jedovatá, obsahující vždy nìco anilinu a dimethylanilinu. Používá se do smìsných antidetonátorù.
Zatím není znám nejedovatý úèinný antidetonátor, který by splòoval podmínku ekonomické výroby.
Øada zahranièních benzínù typu Super nebo letecké benzíny, mají OÈ vyšší jak 100, èili mají lepší antidetonaèní vlastnosti jak èistý izooktan. Srovnávacím palivem je však izooktan smíšený s pøedem vypoèteným množstvím TEO nebo èistý triptan (= 2,2,3-trimethylbutan) smíšený s TEO, jehož OÈ mùže být až
270.
Posuzování paliv pro zážehové motory
Autobenzíny mùžeme posuzovat z mnoha hledisek, jak chemických, paliváøských, provozních a motoráøských. Nìkteré jsou dominantní z hlediska provozního - motoráøského, jiná z hlediska paliváøského a chemického.
V dalším budeme øadit za sebou hlediska pøedevším provozní a motoráøské, která dominantnì ovlivòují zejména dynamické vlastnosti motoru a provozní spolehlivost jeho chodu.
· Dominantním kritériem prvoøadového významu je oktanové èíslo použitého autobenzínu. Pøedchozí kapitola zevrubnì vyèerpala význam OÈ a jeho urèování a stanovení.
· Druhým dominantním parametrem z hlediska provozního a motoráøského je karburaèní schopnost a odpaøivost autobenzínu. Rozumíme tím schopnost autobenzínu vytvoøit v karburátoru smìs par a podílu, který je tvoøen rozprášenými kapièkami autobenzínu.
Pro posouzení této základní vlastnosti používáme nìkolika kritérií, z nichž na prvním místì je to destilaèní køivka benzínu, dále tlak par dle REIDA, výparné teplo.
Destilaèní køivka je grafické vyjádøení závislosti pøedestilovaného množství benzínu na teplotì destilujících par.
Z tvaru, prùbìhu a jednotlivých bodù destilaèní køivky mùžeme posuzovat chování paliva, pøípadì ze zkušenosti pøedvídat nìkteré funkèní jeho projevy v motoru :
1. Zaèátek destilace - ZD - graficky vystižený jako zaèátek køivky, je teplota, pøi které z ústí chladièe skápne první kapka do odmìrného váleèku. Tato teplota charakterizuje body varu nejlehèích uhlovodíkù. Ty jsou hlavním pùvodcem ztrát paliva odparem pøi èerpání a skladování. Proto se pro zaèátek destilace pøedpisuje normou minimální pøípustná teplota, odvislá od klimatických pomìrù, napø. severu 30°C. v jižních zemích 40 i 50°C. V mnoha zemích se mìní teplota zaèátku destilace paliva podle roèního období, z nás je ZD normován v mezích hodnot 30 - 35°C.
2. Desetiprocentní bod je teplota, pøi níž pøedestiluje 10 % objemu paliva. Vyjadøuje schopnost paliva vytvoøit i ve studeném sacím potrubí dostateèný podíl par, aby se smìs ve válci zapálila jiskrou na svíèce. Pohybuje se v rozmezí 70 - 90°C. Jako vyhovující se udává teplota pod 80°C. U moderních paliv bývá ještì nižší, zpravidla 65 - 70°C.
3. Padesátiprocentní bod je teplota, pøi které pøedestiluje 50 % paliva, èili teplota støední, tzv. jádrové frakce, ovlivòuje reakci motoru na zmìnu polohy škrtící klapky karburátoru. Je-li tento bod nad 140°C, reaguje motor pomalu na pøidání plynu, jde pomalu do otáèek. Takový benzín se oznaèuje jako „líný“. U moderních paliv bývá tato teplota kolem 95 až 115°C. U nás je pøedepisována 115°C. Padesátiprocentní bod má tedy dvojí význam :
· závisí na nìm rychlost ohøívání motoru, tj. rychlost, jakou roste po spuštìní studeného motoru jeho schopnost tahu a výkon, tedyzávisí na nìm rychlost ohøívání motoru, tj. rychlost, jakou roste po spuštìní studeného motoru jeho schopnost tahu a výkon, tedy rozjezd vozidla. Tato doba mùže být u benzínù až dvojnásobná (8 minut u benzínu typu „TIGER“ a cca 14 až 16 minut u „líných“ benzínù);
· teplota 50 % bodu destilaèní køivky ovlivòuje také rychlost, jakou motor reaguje na otevøení škrtící klapky karburátoru, neboli jak „jde do otáèek“, a tím tedy živost vozidla.
4. Velmi závažným jakostním parametrem paliva je charakterizace konce destilaèní køivky. Zpravidla se standarizuje maximální teplota, do níž smí predestilovat 95 % paliva, ménì èato 97 % paliva s body varu vyššímu než asi 200°C, protože tyto uhlovodíky pøi spalování v motoru neslouží dokonale, kondenzují na stìnách válce, kde rozpouští vrstvu oleje a tento vliv, oznaèovaný jako øedìní oleje, je tím nebezpeènìjší, že moderní motorové oleje mají malou „viskositní rezervu“, která u starších viskosních olejù zøedìní v urèité míøe paralyzovala.
U dnešních moderních benzínù by 95 % bod nemìl pøekroèit 175 - 180°C. Podíly paliva nad 95 % mají zpravidla také nejmenší oktanové èíslo.
5. Teplota konce destilace, pøi níž destilaèní baòka vyschne, je omezena zpravidla na max. 210°C. Omezení teploty konce destilace má nìkolikerý význam. Zajišuje, že v motoru shoøí všechno palivo a tìžké kapalné zbytky nebudou øedit mazací olej. Podíly s teplotou varu nad 200°C se totiž zpravidla neodpaøí ani v horkém motoru, zùstávají ve formì kapek, které jen èásteènì shoøí, èást je vírem ve spalovacím prostoru vymrštìna na stìnu válce, rozpustí se ve vrstvì oleje a nižuje jeho viskozitu. Tìžké koncové frakce se tak význaènou mìrou podílejí na tvorbì úsad ve spalovacím prostoru, poruchovosti svíèek a vzniku pryskyøic.
Dalším kritériem pro posuzování benzínu je :
Tlak par podle REIDA, což je tlak benzínových par v uzavøené nádobì pøi 38°C. Èím vyšší tlak, tím snáze motor startuje a lépe se rozbíhá, ale tím vyšší jsou ztráty pøi uskladnìní. U autobenzínù bývá 0,025 - 0,07
MPa.
Tlak par je dle REIDA dùležitou charakteristikou paliva pokud se týká tvorby parních polštáøù (benzínu) v dopravním potrubí pøed èerpadlem.
Výparné teplo paliva - nepatøí mezi normované hodnoty, avšak má veliký význam pro funkci paliva v motoru. Rozumíme jím množství tepla v kJ, potøebné k pøevedení váhové nebo objemové jednotky paliva do plynného stavu. U zážehových motorù jsou vítána paliva s vysokým výparným teplem. Pøi vysokém výparném teple pøichází smìs z karburátoru do válce chladná, èili zvyšuje se objemová úèinnost válce, nevypaøený podíl, který se z velké èásti zplyòuje horkými stìnami válce, je schopen pøi vysokém výparném teple válce dobøe chladit. Tím se zvyšuje tepelná úèinnost.
Bylo napø. zjištìno, že ochlazení palivové smìsi v difuzoru karburátoru mùže oproti teplotì okolí dposáhnout u benzínu 20 stupòù, u benzenu 30 stupòù, u ethanolu 80 stupòù a u methanolu dokonce 140 stupòù. Proto lihová paliva výbornì chladí vnitøek válce, a tím zmenšují sklon ke klepání motoru.
Nevýhodou vysokého výparného tepla (viz tabulka è. 27) je nebezpeèí, že pokles teploty smìsi za karburátorem mùže být pøi nízké atmosférické teplotì tak znaèný, že palivo znovu kondenzuje nebo se dokonce v karburátoru a difuzoru vytvoøí námraza.
Vysokým výparným teplem se vyznaèují aromatické uhlovodíky a alkoholy. V tom je jeden z dùvodù, proè se pøidávají do speciálních pohonných látek.
Zamrzání karburátoru se objeví zpravidla pøi prvních kilometrech jízdy se studeným motorem za chladných a mlhavých podzimních dnù (pøi teplotách +2°C až +8°C a vlhkosti vzduchu vìtší jak 65 %) a mùže zpùsobit i zastavení motoru. Tyto potíže se odstraòují pøidáváním alkoholu, nejèastìji ethanolu, izopropanolu aj. do paliva v množství asi do 2 % objemu poèítáno na palivo. Jiný zpùsob je pøidávání takových látek do paliva, jež mají ke kovové ploše vìtší afinitu než voda. Vytvoøí na plochách vrstvièku, která zabrání pøilnutí ledu a tvorbì námrazy. Pro tento úèel se používá napø. organických aminù, které pùsobí souèasnì jako pøísada proti korozi.
Spalné teplo a výhøevnost(nebo horní a dolní výhøevnost).
Nebývají u benzínù normovány. Jsou to hodnoty, u nichž bychom pøedpokládali, že budou mít veliký vliv na výkon motoru. Ve skuteènosti jsou na výkon prakticky bez vlivu. Ovlivòují pouze specifickou spotøebu motoru. Znamená to, že ménì výhøevného paliva si motor „vezme“ více, spotøeba stoupne, avšak výkon zùstává zachován. Je to zpùsobeno pøedevším tím, že ménì vyhøevné palivo (líh) má menší spotøebu vzduchu, takže se výhøevnost celé pracovní smìsi rovná velmi pøibližnì výhøevnosti paliva s vìtší výhøevností, které ke spálení potøebuje vìtší množství vzduchu.
Spalné teplo benzínu o sp.hm. = 0,730 g.cm-3 je asi 46.000 kJ.kg-1 a výhøevnost asi 43.500 kJ.kg-1, resp. 31.800 kJ.dm-3. Tyto hodnoty nemají význam pro spotøebitele, zajímají nás jen pøi práci na motorové brzdì.
Pro vìtšinu prakticky používaných pohonných hmot, a už jsou to kapaliny èi zkapalnìné plyny, je výhøevnost 1 m3 pohonné smìsi (palivo, vzduch) prakticky stejná, a sice cca 3560 kJ.m-3.
Horní a dolní mez zápalnosti.
Pracovní smìs paliva a vzduchu je teoreticky pomìrnì velmi široká. Pomìr mezi benzínem a vzduchem,
v nìmž karburovaná smìs hoøí, leží mezi hodnotami 1:8,5 - 1:22.
Praktická spotøeba vzduchu dosahuje 1 m krychlového na každých 4.186,8 kJ výhøevnosti daného paliva. Normální zážehový motor nepracuje bìžnì v celém rozmezí shora uvedeném (nejekonomiètìjší smìs je 1:15).
U výbušných motorù používáme k vyjádøení pomìru mezi palivem a vzduchem symbolu l , který naznaèuje pomìr mezi skuteènì použitým vzduchem a mezi vzduchem teoreticky potøebným k dokonalému spálení paliva.
= skuteèný vzduch lambda / teoretický vzduch
Normální zážehový motor je schopen pracovat s maximální odchylkou asi 35 % od teorie, èili s lambda = 0,65 - 1,35 .
Je-li lambda vyšší než 1, pracujeme s vìtším než teoretickým množstvím vzduchu a smìs oznaèujeme jako chudou.
Je-li lambda nižší než 1, mluvíme o smìsu bohaté. Ze stanoviska hospodaøení by mìlo být nejvýhodnìjší používat chudou smìs, kde by pøebytek vzduchu zaruèil dobré spálení všeho paliva. Výkon motoru je však v tom pøípadì nízký. Je to zpùsobeno tím, že vznikají nadmìrné objemy spalin, které odnášejí znaèné množství nevyužitého tepla. Kromì toho je pøi chodu v chudé smìsi i opotøebení motoru nadmìrnì velké, zvláštì u výfukových ventilù.
Z tìchto dùvodù pracuje zážehový motor zásadnì v mírnì bohaté smìsi. l se pohybuje podle zatížení otáèek a jiných pracovních podmínek asi mezi 0,8 - 0,98.
Pøi práci v bohaté smìsi musí nutnì urèitá èást paliva shoøet nedokonale. Proto se ve výfukových plynech zážehového motoru vždy objeví urèité procento CO. Z analýz výfukových plynù ze zmìøených nebo odhadnutých ztrát paliva a ze složení paliva mùžeme pomìrnì snadno vypoèítat lambdu a kontrolovat tak funkci motoru. Z dalších kritérií kvality benzínu se dále uvádí : èistota a odparek (mg/100 cm3).
Èistota je charakterizována èirostí benzínu, posuzovanou organoopticky. Èirost a jemnost ovšem nelze zamìòovat za barvu paliva, která je dnes dána konvenèním barvivem. Pohledem mùžeme zjistit pouze neèistoty mechanické, v palivu rozptýlené, a pøípadnì dispergovanou vodu, pùsobící zákal. Posuzovat neèistotu benzínu podle odparku mùžeme pouze s pøihlédnutím k barvivu a obsahu TEO, což obojí zvyšuje odparek.
U našich autobenzínù je normován odparek max. 15 mg/100 cm3.
Bod krystalizace je teplota, pøi které se v daném palivu zaènou vyluèovat pevné podíly uhlovodíkù, pøedevším aromátù. U našich benzínù je to ménì než -30°C, u leteckých benzínù dvojnásobek -60°C.
Skladovací stabilita benzínù a obsah pryskyøiènatých látek.
Vlivem svìtla a vzdušného kyslíku, zvláštì za pøítomnosti kovù, probíhá v benzínu reakce zpùsobující vznik látek pryskyøiènatého charakteru. Pryskyøice se usazují pøi odpaøování benzínu na vnitøních plochách difuzoru, sacího potrubí a na sacím ventilu. Stálost a uskladnìní urèíme stanovením pøítomných a potenciálních pryskyøic, které se zjistí z odparu a stanovením tzv. indukèní doby. Benzín se vystaví za teploty 100°C kyslíku pod tlakem, a tím zpùsobem vytvoøí „umìlé stárnutí“. Stanovuje se, po jaké dobì se zaène kyslík spotøebovávat na oxidaci nestálých látek - potenciálních pryskyøic. U našich benzínù se ÈSN pøedepisuje minimální indukèní doba 360 minut.
Stálost benzínu v uskladnìní se zvyšuje jednak dokonalou rafinací, jednak pøísadami. Jsou to zpravidla vyšší fenoly a jejich deriváty, jako napø. 2,6-di-terc. butyl-4-methylfenol nebo N-butyl-paraaminofenol.
Ale také olej pro vrchní mazání ètyødobých motorù zmenšuje potíže s tvoøením pryskyøic v benzínu, nebo je udržuje v roztoku.
Naopak, vznik pryskyøic v benzínu je mocnì podporován již nepatrným množstvím kovù, obzvláštì mìdi, na což staèí pøítomnost tak malého množství Cu, jako 10 ppm (1 ppm = 10-4 %).
Korozívnost benzínu.
Kromì stálosti v uskladnìní posuzujeme u benzínu také korozívní vlastnosti. Uhlovodíky ani jejich spalné zplodiny samy nekorodují. Z pøímìsí mají nejsilnìjší korozívní úèinek sirné slouèeniny. Benzíny, které obsahují tzv. korozívní síru, napadají pøedevším mìï a mosaz a tvoøí lehce se odlupující vrstvièky, které mohou vyvolat poruchy v pøívodu paliva.
Také nekorozívní síra není v benzínu vítána, protože po spálení z ní vzniká silnì agresivní SO2, který napadá pøedevším výfukové potrubí (zvláštì je-li pøi studeném startu mokré). Proniká netìsností i do klikové skøínì, kde nejen koroduje, nýbrž i znehodnocuje olej. Z tìchto dùvodù se obsah síry v benzínu normuje. Síra reaguje s pøidaným TEO a pùsobí postupné snižování oktanového èísla. U jakostních paliv se pøipouští obsah síry maxim. 0,05 %, ještì pøístupné jsou hodnoty do 0,1 %.
Suchý benzín kovy nenapadá, avšak v benzínu se rozpouští voda až do 100 ppm (= 0,01 %) a benzín zpravidla toto množství obsahuje. Vlivem této vody a také vzduchu vzniká koroze hlavnì v ocelových nádržích
a potrubích. Proto nìkteré firmy pøidávají protikorozní látky (v souvislosti s pøídavkem alkoholù proti zmrznutí vody) ve formì organických aminù, napø. ethylendiaminodinonylnaftalensulfonátu.
Rùzné je chování benzínu vùèi pryži. Pryž je narušována pøedevším aromatickými uhlovodíky. Vzhledem k stále stoupající aromatizaci benzínù je proto nutno vyrábìt gumové spoje a tìsnìní ze syntetických kauèukù. Nejlépe se osvìdèuje silikonový kauèuk, zatím je však málo rozšíøený a bìžnìjší je akrylonitrolový kauèuk. Mezi kritéria jakosti menšího významu patøí hustota, viskozita a povrchové napìtí.
Hustota benzínu
Byla kdysi pøi hodnocení kvality posuzována velmi pøísnì. V souèasné dobì víme, že je pro funkci paliva prakticky bez významu. V normách a popisech paliv se uvádí pøedevším z komerèních dùvodù, aby bylo možno provádìt pøepoèty objemù na váhy (hmotnost).
Viskozita a povrchové napìtí.
Nepatøí u benzínù mezi hodnoty bìžnì uvádìné. Obì tyto velièiny však hrají roli pøi zplyòování paliva v karburátoru. Mají spoleèný pùvod v mezimolekulárních pøitažlivých silách. Nízké povrchové napìtí
(provázené nízkou viskozitou) zpùsobí, že se kapalina v karburátoru snadno rozpráší do drobných kapének.
Hustota našich autobenzínù se pohybuje v rozmezí 0,700 až 0,720 g/cm3 pøi 20°C. Z uhlovodíkových paliv mají nejvìtší povrchové napìtí aromatické ulovodíky. Naopak methanol i ethanol se vyznaèují velmi nízkým povrchovým napìtím.
Mísitelnost složek a citlivost vùèi vodì.
Patøí k velmi dùležitým faktorùm. V popisech se neuvádí a zaruèuje je výrobce. Benzíny všech typù se skládají z pouhých uhlovodíkù a jsou proto vzájemnì dobøe mísitelné. Uhlovodíky se též dobøe mísí
s ethanolem o vyšší koncentraci než 99,7 %.Tyto smìsi, oznaèované jako lihobenzolové smìsi, dvojsmìsi èi trojsmìsi, se u nás v souèasné dobì nepoužívají.
S ethanolem se benzíny mísí omezenì (do 20 % obj.). Proto se methanol nedá ve smìsích použít, pøestože by byl pro svou láci velmi výhodný.
Paliva pro zážehové motory a jejich charakteristika
Moderátoři: Amigo, riderhenry