69) - 72) Paliva a spalování v zážehových motorech

3) Paliva a spalování v zážehových motorech Paliva pro spalovací motory Teplo potřebné ke zvýšení teploty a tlaku na konci kompresního zdvihu se získává spalováním paliva. Palivem pro spalovací motory mohou být látky, které se lehce mísí se vzduchem a vytvářejí zápalnou směs. To jsou plynná nebo kapalná paliva, která neobsahují pevné nespalitelné látky. Dále si musí tato paliva zachovat schopnost tvoření směsi se vzduchem i při nízkých teplotách při spouštění motoru, musí umožnit účinný postup hoření s malým obsahem zdraví škodlivých látek ve spalinách, zaujímat co nejmenší objem, nesmějí obsahovat jedovaté látky a další. Uhlovodíková paliva Kapalná uhlovodíková paliva jsou sloučeniny uhlíku s vodíkem. Základní surovinou pro jejich výrobu je ropa. Většinou se těží společně se zemním plynem z různě hlubokých zemních vrtů. Po odstranění nečistot se zpracovává destilací v nepřetržitě pracujících destilačních věžích, v nichž se rozděluje na skupiny ( frakce ) uhlovodíků s určitým rozmezím bodu varu. Benzínová frakce obsahuje kapalné uhlovodíky přibližně s pěti až deseti různě uspořádanými atomy uhlíku v molekule. Bod varu je v rozmezí 35° až 180°C. Množství benzinu představuje 20 až 30 % z destilovaného množství ropy. Petrolejová frakce obsahuje kapalné uhlovodíky přibližně s osmi až šestnácti různě uspořádanými atomy uhlíku v molekule. Bod varu je od 180° do 280°C. Množství petroleje představuje 10 až 15 % z destilovaného množství ropy. Naftová frakce ( plynový olej I ) obsahuje těžší uhlovodíky asi s jedenácti až dvacetidvěma různě uspořádanými atomy uhlíku v molekule. Bod varu je do 360°C a vydestiluje se 20 až 25 % z destilovaného množství ropy. Uhlovodíky s bodem varu vyšším než 260°C ( mazut ) se již nedají destilovat při normálním tlaku, a proto se zpracovávají ve vakuových destilačních věžích při nižších tlacích. Výsledkem destilace je plynový olej II, jako další složka motorové nafty, dále lehké a těžké oleje na výrobu mazacích a jiných olejů a asfalt. Velká spotřeba benzinu způsobená prudkým rozvojem silniční dopravy měla za následek zavedení zdokonalených technologií. Je to např. krakování, které umožňuje zvýšit množství vydestilovaného benzinu z ropy. Další zdokonalení technologií zpracování ropy umožňuje zlepšit motorické vlastnosti benzinů přeměnou jejich uhlovodíků na typy s lepšími antidetonačními vlastnostmi. Nejdůležitější vlastností motorových benzinů je jejich odolnost proti detonačnímu spalování. Detonační spalování se projevuje velmi rychlým ( prudkým ) shořením směsi ve spalovacím prostoru, které je provázeno tvrdým chodem motoru – klepáním. Odolnost paliva proti detonačnímu spalování závisí na jeho chemickém složení a hodnotí se oktanovým číslem – OČ. Oktanové číslo se stanoví porovnáním daného paliva ve zkušebním motoru se standartní směsí uhlovodíků, která při stejných podmínkách způsobuje v motoru detonační spalování. Současné zážehové motory pracují s poměrně velkým kompresním poměrem, aby pracovaly s co největší účinností. Vzhledem k tomu však vyžadují paliva s velkou odolností proti detonačnímu spalování. Neupravený benzin z primární destilace z hlediska antidetonačních vlastností nevyhovuje, protože má nízké oktanové číslo = 45. Ke zvýšení oktanového čísla se neupravený benzin mísí s jinými benziny s vyšším oktanovým číslem a přidává se malé množství chemických látek, antidetonátorů. Nejčastěji používanou látkou je tetraethyl olova nebo tetramethyl olova, které podstatně zvyšují oktanové číslo paliva. Nevýhodou je, že při spalování směsi v motoru se olovo nespaluje, ale vychází do ovzduší ve spalinách a působí toxicky ( jedovatě ) na živé organismy. Jako palivo pro vznětové motory se používá motorová nafta ( označení NM ). Mírou zpoždění vznětu motorové nafty je cetanové číslo. Čím je cetanové číslo vyšší, tím je zpoždění vznětu kratší a chod motoru měkčí. Příliš vysoké cetanové číslo je však také na závadu, protože směs se nestačí dokonale vytvořit a spálit, přehřívá se vstřikovací tryska. Druhy motorové nafty • NM-4 letní druh nafty • NM-22 zimní druh nafty • NM-diesel super plus nafta zušlechtěná přísadami k zajištění optimalizace spalovacího procesu, snížení kouřivosti, zlepšení mazacích účinků a ochrany proti korozi Vedle těchto paliv se pro spalovací motory používají i paliva plynná, jako propan-butan a zemní plyn. Motory však musí být pro spalování a tvorbu těchto směsí upraveny. Na automobilové benziny máme tyto obecné požadavky :¨ • Musí mít dobrou odpařitelnost, pro zajištění spouštění motoru i za nepříznivých klimatických podmínek. Odpar musí vzrůstat se stoupající teplotou. • Nesmí obsahovat těžší frakční složky, které způsobují ředění oleje a zvyšují obsah škodliviny ve výfukových plynech. Nesmí působit korozivně, nesmí obsahovat pryskyřice a příměsi, které by vyvolávaly tvorbu usazenin v částech palivového systému. Tím i jejich zanášení a vyřazení z provozu. • Musí být dokonale stabilní ve svém složení, vzhledem ke skladovacím dobám • Musí mít žádoucí spalovací vlastnosti, aby ve spalovacím prostoru nevznikalo nepravidelné hoření V současné době dochází k neustálému snižování podílu olovnatých přísad do benzínů a tím splňují náročné požadavky ochrany životního prostředí. Kvalita benzinu je posuzována podle oktanového čísla, které je označení míry odolnosti paliva proti detonačnímu hoření. Pro hladký provoz bez detonačního hoření potřebuje motor palivo s určitým nejnižším oktanovým číslem. To nazýváme oktanovým nárokem ( požadavkem ) motoru. Tento nárok ovlivňuje několik faktorů : • Kompresní poměr • Vrtání válců • Chlazení motoru • Otáčky • Těsnost kroužků válců, výrobní tolerance • Předstih zážehu • Provozní teplota motoru • Bohatost směsi paliva a vzduchu, směšovací poměr • Teplota, tlak a vlhkost vzduchu • Nadmořská výška, apod. Navíc je detonační spalování ovlivněno tvarem spalovacího prostoru, tepelnou hodnotou zapalovací svíčky, jejich počtem a umístěním, způsobem zapalování. Není to tedy hodnota konstantní, ale mění se, je závislá na zkušenostech řidičů a provozních podmínkách. Velice je rovněž ovlivněna mírou opotřebení jednotlivých částí motoru, hlavně pístové skupiny. Požadavek na kvalitu paliva a jeho čistotu se dosahoval zvyšováním jeho oktanového čísla pomocí různých druhů chemikálií. Ty jsou charakterizovány jako antidetonátory. Z celé řady těchto látek se nejvíce rozšířil v benzínu rozpustný tetraethyl olova Pb (C2H5)4 , pod zkratkou TEO. Reakce benzínu na obsah olova je u různých benzínů různá. Nazývá se vnímavost paliva k olovu. Největší mají alakny, nejmenší aromaty. Při spalování benzínu nejdříve shoří jeho uhlovodíkové složky a kysličník olova se usazuje ve spalovacím prostoru, na výfukových ventilech a na elektrodách svíček, kde způsobuje zkrat. Tomu se zabraňuje přidáváním organických sloučenin bromu a chloru jako vynašeče olova. Ten podporuje tvorbu těkavých bromidů a chloridů olova, odcházejících výfukovými plyny při vysokých teplotách spalin. Kromě toxicity znemožňuje vyšší obsah olova v benzinu ( nad 0,4 g/dm3 ) odstranění dalších škodlivých složek výfukových plynů jejich přeměna na katalytickém měniči, protože zanáší aktivní povrch katalyzátoru. Tím je aktivní vrstva porézní platiny – rhodia. Od roku 1991 je obsah olocva v benzinech soustavně snižován od 0,15 g/dm3 . Oktanové číslo je dosaženo změnou chemického složení převážně zvýšením obsahu aromatických látek. Nejvíce se přidává metyl – terc –butyléter ( MTBE ) a různé druhy alkoholů. Tyto způsoby výroby umožnily v konečné fázi i výrobu bezolovnatých benzínů. U nich je obsah olova snížen až na hodnotu 0,013 g/dm3. Tento obsah olova už nepoškozuje aktivní hmotu katalyzátorů. Benziny s minimálním obsahem olova jsou však nutné pro bezporuchový provoz starších druhů motorů s litinovou hlavou válců bez vložených sedel ventilů, tvorba úsad na sedlech po spálení směsi. Mimo popsané vlastnosti paliva, které ovlivní přímo funkci motoru, je třeba kontrolovat řadu dalších zejména zajišťujících čistotu, skladovatelnost a vlastnosti projevující se při manipulaci.