Paliwo | Benzyna pod lupą

Trudne początki paliw

Pierwsze silniki spalinowe, konstruowane pod koniec XIX wieku, zasilane były gazem świetlnym, czyli koksowniczym, powstającym w wyniku termicznej obróbki węgla. Potem, ze względu na małą podaż benzyny, jako paliwo wykorzystywano też alkohol, naftę a nawet przepracowane oleje.

Pierwszy pojazd z silnikiem na benzynę, powstały w 1886 r., pokazał, że jest to paliwo efektywne a przy tym niedrogie. Wzrost zapotrzebowania na nie sprawił, że koncerny naftowe zwiększały produkcję. W początkach XX wieku benzyna przestała być produktem „aptekarskim”. Najszybciej zaczęto doceniać ją w USA, później również w Europie. Ale zdobywanie rynku szło dość wolno, bo wciąż był popyt na inne paliwa. Jeszcze podczas I wojny światowej wiele samolotów tankowano alkoholem, a legendarny Ford T miał początkowo silnik zaprojektowany do zasilania etanolem (sam Ford propagował to paliwo). Zakaz produkcji alkoholu, wprowadzony w Stanach w 1919 r., w latach dwudziestych bardzo ułatwił produktom ropopochodnym opanowanie rynku motoryzacyjnego. Mieszanki benzyny z etanolem powszechnie wykorzystywano w Europie aż do lat trzydziestych.

Rynkowe przepychanki

W pionierskich układach zasilania benzyną często wykorzystywano rozwiązanie, polegające na tym, że paliwo było podgrzewane na specjalnej „tacy”, a silnik zasysał jego pary. Było to o tyle łatwe, że początkowo temperatura wrzenia benzyny wynosiła zaledwie 30-100 stopni C. Ta cecha zależała oczywiście od „gatunku” (a tych było wiele i miały zróżnicowane własności). Powstawały coraz doskonalsze gaźniki, które wprowadzały benzynę w postaci par, a nie aerozolu. W latach trzydziestych przeprowadzono tak udane próby nowych, niezwykle oszczędnych silników z gaźnikami Nelsona Chrlesa Pogue, że giełdowe notowania spółek paliwowych gwałtownie spadły.

Lecz skład benzyny silnikowej zmieniał się. Dodano cięższe frakcje i temperatura jej wrzenia wzrosła do 230 stopni C. Systemy zasilające silniki parami benzyny musiały odejść do lamusa. Koncerny paliwowe upiekły w ten sposób dwie pieczenie przy jednym ogniu: wyeliminowały z rynku układy zasilania parami, umożliwiające budowanie bardzo oszczędnych silników i zmniejszyły koszty wytwarzania paliwa. Zapewniły sobie większy zbyt i większe zyski.

Narodziny etyliny

Nowa benzyna była jednak gorsza jakościowo, co objawiało się spalaniem stukowym. Ówczesne silniki miały na tyle duży stopień sprężania, że podczas suwu pracy proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej nie przebiegał równomiernie. Po zapłonie od świecy dochodziło do kolejnych wybuchów w różnych miejscach komory spalania, czyli do łańcuchowej reakcji wybuchowej. Obniżało to sprawność silnika, powodowało zwiększenie zużycie paliwa i drastycznie zmniejszało żywotność jednostki napędowej. Wytwórcy benzyn nie spodziewali się zapewne takiego problemu na tak wielką skalę.

Zwiększanie stopnia sprężania było jednym ze sposobów na podniesienie dynamiki silnika. Podczas gdy w latach dwudziestych w jednośladach codziennego użytku wartość tego parametru wahała się w okolicach 5:1, to w latach trzydziestych osiągała nawet 7:1. Konieczne było wprowadzenie dodatku, który eliminowałby niekorzystne zjawisko. Podejmowano różne próby, między innymi z benzenem. Ale to bardzo toksyczna substancja, dlatego zrezygnowano z niej na korzyść tetraetyloołowiu, powszechnie nazywanego czteroetylkiem ołowiu. Tak powstała benzyna zwana u nas etyliną. Panowała na rynku aż do lat osiemdziesiątych.

Ołów do lamusa

Od zarania motoryzacji, w konstrukcji silników uwzględniano, jakie paliwo jest dostępnego na rynku. Elementy, które mają z nim styczność, muszą mieć odpowiednią wytrzymałość i trwałość. Gdy w latach siedemdziesiątych zorientowano się, jakie zagrożenia stwarza stosowanie etyliny i przekonano opinię publiczną do jej wyeliminowania na rzecz paliwa bezołowiowego, pojawił się problem starszych motocykli. Badania pokazały, że ekologiczna benzyna w silnikach starszej generacji niszczy zawory 15 razy szybciej niż etylina. Powoduje również wypalanie gniazd zaworowych.

Zamiana rodzaju benzyny była dość długim procesem, który rozpoczął się w latach osiemdziesiątych. Przez kilka lat sprzedawano oba rodzaje paliwa. Niektóre rafinerie podjęły produkcję benzyny o własnościach takich, jak etylina, lecz bez ołowiu, zastąpionego potasem. W Polsce produkcję takiego paliwa zakończono dopiero na początku 2005 r.

Fot. Materiały prasowe

Fot. Materiały prasowe

Obecnie problemy właścicieli starszych jednośladów rozwiązują dodatki, które zapobiegają degradacji istotnych elementów silnika przez benzynę bezołowiową. Są tanie i wydajne, bo opakowanie o pojemności ok. 320 ml za niecałe 18 zł wystarcza na 250 l paliwa. W sprzedaży są też dodatki eliminujące negatywny wpływ domieszek etanolu. Wiele silników nie toleruje tego składnika, a już teraz jest go w benzynie 5%. Niedługo można się spodziewać wprowadzenia 10-procentowej domieszki. Niektóre z dodatków „antyalkoholowych” podnoszą również liczbę oktanową benzyny.

Rezygnacja z dodatku ołowiu nie rozwiązała jednak wszystkich problemów. Okazało się, że procesowi spalania benzyny bezołowiowej towarzyszy wydzielanie dużych ilości toksycznych substancji, które trzeba neutralizować. Koncerny paliwowe wywinęły się jednak od konieczności modyfikowania składu paliwa i nie musiały inwestować w poprawę jego jakości. Koszty przerzucono tak naprawdę na nabywców jednośladów i samochodów. Musieli oni drożej płacić za kupione pojazdy, bo trzeba było w nich instalować katalizatory. Ten stosunkowo drogi element, zawierający platynę, jest dzisiaj powszechnie stosowany w silnikach motocyklowych. Obecnie coraz ostrzejsze wymogi w zakresie zmniejszenia poziomu szkodliwych substancji nie dotykają już tylko wytwórców pojazdów. Również koncerny paliwowe muszą pracować nad doskonaleniem swoich produktów.

Benzyna – stały postęp

Współczesna benzyna swym zasadniczym składem nie różni się od paliwa oferowanego kiedyś. Jest po prostu mieszaniną frakcji ropy naftowej, które wrą w temperaturze od 40 do 200 stopni C. Składa się głównie z węglowodorów alifatycznych (łańcuchowych) o liczbie atomów węgla w łańcuchu od 6 do 12. Dodatkami, które zwiększają liczbę oktanową, są nimi między innymi węglowodory aromatyczne oraz etery zawierające grupy aromatyczne.

Jakość benzyny określana jest przez liczbę oktanową. Opisuje ona odporność paliwa na samozapłon i spalanie detonacyjne podczas sprężania mieszanki oraz podczas rozpoczętego już procesu spalania w cylindrze. Zbyt niska liczba oktanowa prowadzi do spalania stukowego (detonacyjnego), mogącego doprowadzić do uszkodzenia silnika.

Ważnym procesem jest reforming benzyn, podczas którego z prostych łańcuchów powstają tzw. formy izomeryczne (w których proporcje pierwiastków są takie same, ale odmienne jest rozmieszczenie atomów i cząstek) o rozgałęzionych łańcuchach. Reforming ma na celu zwiększenie liczby oktanowej benzyny.

Rozwój paliw silnikowych wynika z coraz większych wymagań jakościowych stawianym przez współczesne silniki. Odpowiednie komponowanie benzyn umożliwia też uzyskiwanie niskiej toksyczności spalin. Parametrem, któremu obecnie poświęca się najwięcej uwagi, jest zawartość siarki. Wprawdzie wywiera ona niewielki wpływ na ilość powstających przy spalaniu składników toksycznych, ale bardzo niekorzystnie wpływa na układy oczyszczania spalin. Obecność siarki zmniejsza efektywność działania i trwałość reaktora katalitycznego a także wydłuża czas osiągnięcia nominalnej temperatury pracy. Obserwuje się również błędne wskazania sondy lambda i układu diagnostyki pokładowej.

Kolejnym parametrem benzyny, wpływającym na toksyczność emitowanych spalin, jest zawartość węglowodorów aromatycznych. Ze względu na silne właściwości toksyczne oraz negatywny wpływ na poziom emisji tlenku węgla, węglowodorów, benzenu i dwutlenku węgla zawartość tych związków jest stale ograniczana. Z tych samych powodów w ostatnich latach bardzo wyraźnie zmniejszona została zawartość benzenu.

Z kolei olefiny są węglowodorami, które cechuje niska stabilność termiczna. Mają one tendencje do tworzenia żywic i osadów w układzie dolotowym silnika, co odbija się na jego osiągach i czystości spalin. Cechują się ponadto wyższą niż węglowodory nasycone temperaturą spalania, przez co wpływają na wzrost poziomu emisji tlenków azotu w spalinach. Niebezpieczna jest również ucieczka olefin z układu zasilania.

Pożądana jest natomiast obecność w benzynach związków zawierających tlen. Wprowadzenie do benzyny wagowo około 2% tego pierwiastka powoduje obniżenie emisji tlenku węgla i węglowodorów o 10-20%. Bogate w tlen komponenty benzyn, jak alkohole i etery, poprawiają tworzenie mieszanki i jej spalanie. Rekompensują też spadek liczby oktanowej następujący wraz z obniżaniem zawartości wysokooktanowych, ale szkodliwych węglowodorów.