Automobilové benzíny

Keď nazrieme do histórie aplikácie pohonných látok, zistíme, že kvalita používaných motorových benzínov bola v porovnaní s dnešnými automobilovými benzínmi na veľmi nízkej úrovni. Na začiatku to boli primárne benzíny, ktoré sa získali priamou destiláciou surovej ropy a obsahovali rôzne typy uhľovodíkov s nízkym bodom varu (bután, pentán, hexán, heptán atď.), nízky obsah aromátov (naftény, cykloalkány), neobsahovali žiadne olefíny (alkény) a mali nízke oktánové číslo (OČ). Na zvýšenie OČ benzínov sa dlhý čas používali rôzne prísady, ale predovšetkým tetraetylolovo a tetrametylolovo, ktoré boli schopné zvýšiť OČ až o 10 jednotiek. Pre škodlivosť týchto olovo obsahujúcich prísad sa však ich používanie u nás skončilo v 80. rokoch 20. storočia.

Oktánové číslo?

Oktánovým číslom (OČ) sa hodnotí odolnosť benzínu (ako aj iných palív pre zážihové motory) proti detonačnému spaľovaniu (klepaniu motora). OČ paliva sa zisťuje porovnávaním na skúšobnom zariadení (WAUKESHA) s referenčným palivom. OČ paliva zodpovedá percentuálnemu objemovému podielu čistého izooktánu (C8H18) v zmesi s n-heptánom (C7H16), ktoré sa na skúšobnom stroji začína detonačne spaľovať pri rovnakom kompresnom pomere ako porovnávané palivo. Čistý izooktán má OČ 100 a naproti tomu heptán má OČ 0 (nulové). Napríklad OČ 95 znamená, že palivo je rovnako odolné proti samovznieteniu ako zmes pozostávajúca z 95 % izooktánu a 5 % n-heptánu. Zdokonaľovanie benzínových motorov následne viedlo aj k zvyšovaniu kvality benzínov rôznymi technologickými procesmi, ako sú katalytické reformovanie (vysoké OČ, vysoký obsah aromátov, málo aklkénov), katalytický krakovací proces (krakový benzín), alkylačný proces (získané alkány s rozvetvenými reťazcami majú vysoké OČ) a izomerizačný proces (izomerizáciou pentánu a hexánu sa získajú vysoko oktánové izoméry). Uvedené produkty zo spomenutých procesov sa použijú ako základné zložky na výrobu finálnych produktov s rôznym oktánovým číslom a požadovanými funkčnými vlastnosťami. To je iba prvý krok k získaniu moderných automobilových benzínov s vysokými parametrami.

Automobilový agregát využívajúci pohonnú látku benzín

Aby automobilové benzíny spĺňali všetky požiadavky moderných automobilov s preplňovaným motorom a s najmodernejším vstrekovacím systémom, mali by sa vyrábať iba z kvalitných základových zložiek a vylepšovať sa najmodernejšími multifunkčnými prísadami. Prísady zabezpečujú motor proti korózii, oxidácii paliva a opotrebovaniu celého palivového systému od palivovej nádrže, cez čerpadlo, vstrekovací systém (staršie autá majú ešte karburátory), spaľovaciu komoru (motor), výfukové potrubie s katalyzátorom, alebo ešte aj bez katalyzátora. Multifunkčné prísady s detergentno-dispergačným účinkom zabraňujú vzniku usadenín v palivovom systéme a v spaľovacom priestore motora, peneniu pri čerpaní paliva, a napomáhajú separácii vody v palive, najmä pri extrémne nízkych teplotách v zimných mesiacoch.

Od súčasných automobilových benzínov sa teda požaduje, aby vyhovovali nielen štandardným automobilom, ale aj najmodernejším automobilom, aby boli ekonomické a ekologické a spĺňali tieto požiadavky:

• mali požadované oktánové číslo a zabezpečovali vysoký výkon motora a akceleráciu;
• bezproblémový štart a chod motora za každých prevádzkových podmienok;
• neobsahovali síru a zabezpečovali čistotu palivovej sústavy;
• čisté spaľovanie, nižšiu spotrebu a nižšie emisie škodlivín vo výfukových plynoch;
• odstraňovanie usadenín a nečistôt z motora, ventilov a vstrekovačov paliva.

V súčasnosti sú na čerpacích staniciach k dispozícii automobilové benzíny s OČ 95 až 100 plus. Za kvalitu pohonných látok na čerpacích staniciach, vo veľkoskladoch a termináloch zodpovedá Slovenská inšpekcia životného prostredia (SIŽP). Pri pravidelnom testovaní pohonných látok sa SIŽP v spolupráci s certifikovanou externou inštitúciou zameriavajú na niektoré vybrané parametre, ako sú napríklad obsah aromátov, tlak pár podľa Reida, oktánové číslo a pod., s cieľom kontroly, či spĺňajú predpísané parametre podľa STN EN 228 pre benzíny a STN EN 590 pre motorové nafty.

Tab. 1 Požiadavky na kvalitu vybraných benzínov podľa STN EN 228 (orientačné)

Testovanie predávaných benzínov

Ak sa nedodržia predpísané parametre benzínov podľa STN EN 228, môžu nastať tieto dôsledky:

Zvýšený obsah aromátov v automobilových benzínoch (95 OČ) nepriaznivo ovplyvňuje zloženie výfukových plynov, narastá množstvo benzénu v emisiách. Okrem toho to má za následok zvýšenie emisií CO2 a celkového množstva emisií, ktoré odchádzajú do ovzdušia a negatívne pôsobia na životné prostredie.

Ak benzín obsahuje zvýšený podiel prchavých zložiek, najmä v letných mesiacoch dochádza k nežiaducemu úniku týchto ľahkých uhľovodíkov, ktoré následne negatívne pôsobia na životné prostredie a môžu predstavovať aj zvýšené riziko výbuchu alebo požiaru. Ak sa zimné palivo používa v letnom období, dochádza k zvýšeniu obsahu škodlivín vo výfukových plynoch.

Nízke OČ benzínu môže zvýšiť spotrebu, čo nepriaznivo ovplyvňuje životnosť motora, zhoršuje jeho účinnosť s následným zvýšením obsahu toxických látok vo výfukových plynoch. Nižšie OČ spôsobuje aj klepanie motora, čo môže viesť k jeho vážnemu poškodeniu.

Motorová nafta

Motorová nafta je kvapalné palivo tvorené zmesou ťažšie sa odparujúcich uhľovodíkov a ďalších prídavných látok. Motorová nafta sa vyrába hydrogenizáciou frakcií z frakčnej destilácie ropy v intervale teplôt 150 – 370 °C. Nafta sa delí na:

1. ľahkú – do teploty 250 °C
2. strednú – od 250 do 300 °C
3. ťažkú – nad 300 °C.

Dôležitým parametrom pri posudzovaní motorovej nafty je cetánové číslo (CČ), ktoré vyjadruje objemové percento cetánu (C16H34) v zmesi s alfametylnaftalénom (C11H10), ktoré má na skúšobnom zariadení rovnaký prieťah vznietenia ako skúšobné palivo. Toľko údaje, uvádzané v dostupnej literatúre. V praxi zisťujeme, že vyššie cetánové číslo (CČ) motorovej nafty (dieselového paliva) spôsobí

• Skrátenie prieťahu vznietenia,
• zníženie hluku spaľovania,
• zlepšenie spúšťacích vlastností dieselového paliva,
• zníženie usadenín a kalov v spaľovacom priestore motora.

Naopak, príliš vysoké CČ môže prispieť k zvýšenej tvorbe emisií vo výfukových plynoch. Aj tu platí stará pravda, že niekedy veľa znamená horšie. Pre osobné a ľahšie úžitkové automobily sa odporúčajú palivá s CČ 40 – 55. Odlišné typy dieselových palív a CČ vyžadujú nákladné automobily, vojenská technika, terénne a športové automobily a pod.

Tab. 2 Vybrané základné parametre pre motorovú naftu (širšie intervaly)

Teplota vylučovania parafínov, podľa druhu nafty a ročného obdobia, začína už od 0 °C – v zimnom období až do -20 °C. Pri tzv. arktickej motorovej nafte, podľa niektorých údajov, až okolo -44°C.

Teplota filtrovateľnosti je hraničná teplota, pri ktorej motorová nafta ešte dokáže preniknúť testovacím filtrom s hustotou otvorov 45 mikrónov bez toho, aby došlo k úplnému prerušeniu dodávky nafty v dôsledku vylúčenia častíc parafínu. Aby k takýmto situáciám v zimných mesiacoch pri extrémne nízkych teplotách nedochádzalo, pridávajú sa tieto prísady do motorovej nafty ešte predtým. Táto teplota charakterizuje správanie sa motorovej nafty pri nízkych teplotách. Prítomné n-alkány (parafíny) v nafte sa začnú vylučovať ako prvé, nasledujú cyklány, aromáty a izoalkány, stávajú sa tuhými látkami, čím zanášajú palivové potrubie, filtre a môžu prerušiť dodávku paliva do motora.

Obsah síry v priemere do max. 10 mg/kg Elementárna síra, ako i jej zlúčeniny, po spálení spôsobujú koróziu častí motora. Preto sa prešlo na dieselové palivá s minimálnym množstvom síry, resp. k palivám bez obsahu síry.

Prísady

Prísady sa do motorovej nafty pridávajú v malých množstvách, aby zlepšili jej požadované funkčné vlastnosti. Patria sem tieto typy prísad:

• Na zlepšenie dobrej tekutosti a vylučovaniu parafínov pri extrémnych teplotách (v zimných mesiacoch);
• na zvýšenie CČ;
• antioxidačné prísady;
• katalyzátory horenia;
• vodivostná prísada – zabraňuje vzniku elektrostatického náboja pri tankovaní MN;
• protikorózna prísada – zabraňuje hrdzaveniu a opotrebovaniu častí motora a dávkovacej sústavy;
• deemulgátory – zabraňujú vzniku emulzií s vodou;
• detergentná prísada – zabraňuje vzniku usadenín v palivovom systéme, udržiava čistotu vstrekovacích dýz paliva, zabezpečuje tichý chod motora, znižuje emisie škodlivín, zvyšuje životnosť motora;
• mazivostná prísada zabraňuje opotrebovaniu dávkovacieho systému a pohyblivých častí motora;
• prísada proti peneniu – zabraňuje peneniu MN pri čerpaní.

Všetky uvedené prísady sú vysoko kvalitnými látkami s multifunkčnými vlastnosťami. V niektorých prísadách sa funkčné účinky prekrývajú. Napríklad, antioxidačné prísady zmenšujú množstvo látok vytvárajúcich laky a zosilňujú tak efekt detergentných prísad, zmenšujú množstvo produktov oxidácie kyslého charakteru, čím znižujú koróziu. Antikorózne prísady pasivujú katalytické povrchy kovov, z ktorých sú vyrobené zásobníky palív a čerpacích – dávkovacích systémov palív v automobiloch, čím znižujú možnosti oxidácie palív. Pri formulácii finálnych palív, a to motorového benzínu a motorovej nafty, sa využívajú poznatky tribológie a tribotechniky, ako aj synergický efekt vzájomných kombinácií aplikovaných prísad, aby sa zvýšila ich účinnosť, resp. aby sa použilo menšie množstvo prísad, čo má značný ekonomický efekt pre výrobcu palív.

Európske normy pre emisie vo výfukových plynoch z automobilov

Na našich cestách jazdia rôzne osobné, nákladné, úžitkové automobily, ktoré poháňajú najmä benzínové a naftové motory rôznej konštrukcie, výkonov, veku, ba už aj s hybridným, alebo elektrickým motorom a pod. Pri spaľovaní použitých pohonných látok v benzínových a naftových motoroch vznikajú výfukové plyny (exhaláty), ktoré obsahujú rôzne plynné emisie škodlivých látok, ako sú oxid uhoľnatý CO, oxid uhličitý CO₂, oxidy dusíka NO_X, nespálené uhľovodíky HC + NO_X a neškodná vodná para H₂O. Okrem týchto plynných emisií sa dostávajú do ovzdušia aj niektoré tuhé častice (TČ), často v literatúre nesprávne uvádzané pevné látky, ako sú napríklad sadze, najmä z naftových motorov. Uvedené emisie sú veľmi škodlivé nielen pre ľudský organizmus, ale aj pre faunu a flóru. To spôsobilo, že si to začali uvedomovať ľudia, ktorí pracujú v zdravotníctve, v životnom prostredí, ekonomike a možno povedať, že všeobecne vo všetkých oblastiach národného hospodárstva. Došlo to až tak ďaleko, že sa touto problematikou začali zaoberať a podľa mňa až príliš neskoro, pretože prvé normy pre emisie vo výfukových plynoch uzákonila v EÚ EHK až v roku 1992, keď vydala Hodnoty emisných limitov platných v Európe pre motory s benzínovým a naftovým motorom.

Hodnoty emisných limitov pre benzínové motory

Hodnoty emisných limitov pre naftové motory

V súčasnosti sú aktuálne najmä normy EURO 5 a EURO 6 pre benzínové a naftové automobily, ktoré jazdia v Európe, ale tieto normy platia aj pre autá vyrobené v európskych automobilkách a sú exportované do celého sveta. Norma Euro 5 je zameraná na obmedzovanie emisie látok, ktoré podporujú vznik ozónu, ako sú NOX, nespálené uhľovodíky a tuhé častice. Norma EURO 6 je zameraná na testovanie a kontrolu obsahu NOX a tuhých častíc vo výfukových plynoch. Vyžaduje si to kvalitnejšie spaľovanie motorovej nafty, aby ich vznikalo čo najmenšie množstvo. Napríklad americká norma pre NOX platí pre všetky motory rovnako, a to pre benzínové, ako aj pre naftové a stanovená hodnota je max. 0,02 – 0,04 g/km. Pre motory po ubehnutí 200 tisíc km je pre ne stanovená hodnota max. 0,06 g/km. Naftové motory v osobných automobiloch nie sú v niektorých krajinách veľmi populárne, uprednostňujú predovšetkým používanie automobilov s benzínovým motorom. Tak napríklad v Číne je to až 99 percent, v Japonsku 79 percent a v USA 75 percent. V Spojených štátoch tvoria ďalších 20 percent hybridy s kombináciou motora na benzín alebo alternatívne palivá a elektromotory.

Znižovanie emisií

Pre znižovanie emisií oxidov dusíka (NOx) v odchádzajúcich výfukových plynoch dieselových motorov sa úspešne aplikuje 32,5-percentný vodný roztok močoviny (NH2)2CO (AdBlue) do výfukového potrubia pred katalyzátor SCR (Selective Catalyse Reduction), kde zreaguje močovina s prítomnými NOx na N2, CO2 a H2O. Sprísňovať sa budú aj ďalšie limity, ako je CO2, čo znamená zníženie spotreby paliva na 2,7 l/100 km. Toto vysoké zníženie spotreby paliva sa však odrazí na zvýšení nákladov na výrobu automobilu a, samozrejme, tým aj na jeho cene u koncového zákazníka.  Znižovanie celkových emisií majú v rukách výskumníci, vývojári, konštruktéri motorov, napríklad v oblasti kompresného pomeru, ktorým sa ovplyvňuje teplota spaľovania, čo má vplyv na tvorbu NOX. Aj výskumníci v petrolejárskom priemysle a výrobcovia pohonných látok musia prispieť svojím dielom k znižovaniu emisií vo výfukových plynoch automobilov všetkých typov. A, napokon, aj samotní motoristi musia svojou racionálnou jazdou prispieť k znižovaniu škodlivých emisií vo výfukových plynoch svojich automobilov. Na zachytenie tuhých častíc a sadzí v exhalátoch je do výfukového potrubia zaradený filter tuhých častíc, ktorý zachytí prakticky všetky tuhé častice. Napriek týmto pokrokovým zlepšeniam sa však v poslednom čase objavili správy, že napríklad v Nemecku a vo Francúzsku uvažujú v budúcnosti so zákazom používania automobilov s naftovým motorom v mestách. Existuje teda veľká výzva pre tribológov, strojárov, výskumných a vývojových pracovníkov v automobilovom priemysle, aby začali riešiť tento naliehavý a aktuálny problém s emisiami vo výfukových plynoch automobilov. Kladné výsledky očakávame všetci, ktorým záleží na zdravom životnom prostredí.

Záver

Na záver možno zodpovedne konštatovať, že pre motoristov sú na čerpacích staniciach k dispozícii vysoko kvalitné motorové benzíny a motorová nafta pre všetky typy súčasných automobilov domácej ako i zahraničnej proveniencie.

TEXT/FOTO DR. PAVOL KLUCHO