Paliwa do silników benzynowo-dieslowskich i ich właściwości

Gęstość benzyny wynosi ρ = 700-800 kg/m3, natomiast dla oleju napędowego waha się w granicach ρ = 830-950 kg/m3. Podczas gdy zawartość węgla w paliwach alkanowych i naftowych wynosi 86%, to w przypadku paliw aromatycznych wynosi ona około 89%. Oprócz atomów węgla i wodoru, w benzynie i oleju napędowym można znaleźć siarkę, asfalt i wodę. W szczególności siarka może powodować korozję części silnika, a produkty spalania siarki mają negatywny wpływ na środowisko. Asfalt przywiera do zaworów na powierzchniach tłoków i powoduje ich zużycie. Woda powoduje korozję i obniża wartość cieplną paliwa. Są to składniki niepożądane w paliwie. Wartości cieplne paliw ciekłych podaje się jako jednostkę energii masowej (kJ/kg lub kcal/kg), natomiast wartości cieplne paliw gazowych jako jednostkę energii (kJ/l, kJ/m3 lub kcal/m3). Wartości cieplne paliw wyrażane są w dwojaki sposób, jako dolna i górna wartość opałowa. Jeżeli w momencie zakończenia pomiaru woda w paliwie znajduje się w stanie pary, daje to niższą wartość cieplną tego paliwa. Gdy woda w paliwie skrapla się pod koniec pomiaru, oddaje do układu ciepło parowania, a zmierzona wartość daje wyższą wartość opałową paliwa. W wyniku tego w kapsule kalorymetru w wyniku pomiaru wartości cieplnej powstaje para jednofazowa, co powoduje, że mierzona jest niższa wartość opałowa. W wyniku pomiaru wartości cieplnej otrzymuje się parę dwufazową (faza ciekła-para), dzięki czemu mierzona jest wyższa wartość opałowa. Gdy temperatura mieszanki paliwowo-powietrznej jest wystarczająco wysoka, paliwo zaczyna samoczynnie się zapalać bez zewnętrznego zapłonu. Temperaturę tę określa się jako temperaturę samozapłonu (SIT) paliwa, a czas opóźnienia spalania paliwa jako opóźnienie zapłonu (ID). Pojęcia SIT i ID są ważnymi cechami paliw silnikowych. Wartości SIT i ID zmieniają się w zależności od takich zmiennych, jak temperatura, ciśnienie, gęstość, turbulencje, obroty, stosunek powietrza do paliwa oraz obecność gazów obojętnych. Samozapłon jest podstawową zasadą procesu spalania w silnikach wysokoprężnych. Pożądane jest, aby wartość SIT była wysoka w silnikach benzynowych i niska w silnikach wysokoprężnych. Temperatura samozapłonu benzyny wynosi 550°C i więcej .

W zależności od rodzaju silnika benzynowego lub wysokoprężnego pożądane właściwości paliw są różne. Najważniejszymi właściwościami paliw benzynowych są właściwości takie jak lotność i odporność na spalanie stukowe, natomiast od paliw do silników wysokoprężnych wymaga się, aby posiadały ważne właściwości paliwowe, takie jak lepkość, napięcie powierzchniowe i skłonność do zapłonu. W paliwach benzynowych lotność i odporność na spalanie stukowe są jednymi z najważniejszych parametrów wpływających na osiągi silnika. Lotność paliwa benzynowego wpływa na szybkość i ilość odparowania paliwa w kanale dolotowym i w cylindrze. Niska lotność paliwa wpływa na tworzenie się wystarczającej mieszanki paliwowo-powietrznej, ale gdy jest bardzo lotna, może uniemożliwić przepływ paliwa poprzez tworzenie pęcherzyków pary w kanale ssącym przy lokalnym wzroście temperatury. Gdy podczas spalania czoło płomienia przesuwa się do przodu, wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia wewnątrz cylindra następuje sprężenie wypełnienia powietrzno-paliwowego, do którego czoło płomienia nie może jeszcze dotrzeć. W ten sposób paliwo może tworzyć kolejny front spalania, ponieważ samoistnie osiąga temperaturę zapłonu na skutek nagrzewania i promieniowania. Prędkości spalania frontów płomieniowych w tych różnych punktach mogą wynosić 300-350 m/s, a ciśnienia w cylindrze mogą osiągać wartości od 9 do 12 MPa. Przy tak dużych prędkościach i wartościach ciśnienia fronty płomieniowe są tłumione przez uderzanie o siebie lub o ściany komory spalania. Tłumienie to nie tylko powoduje straty energii, ale również zwiększa lokalne przewodzenie ciepła. W wyniku tej sytuacji następuje spadek osiągów silnika. Zjawisko to nazywane jest w silnikach benzynowych stukiem i jest sytuacją niepożądaną. Struktura chemiczna paliwa ma znaczący wpływ na temperaturę samozapłonu. Liczba oktanowa (ON) jest definiowana jako właściwość paliwa do odporności na spalanie stukowe lub jak dobrze paliwo samo się zapala. Liczba oktanowa jest odwrotnie proporcjonalna do długości łańcucha cząsteczek paliwa. Im krótsza długość łańcucha molekularnego paliwa, tym wyższa jest liczba oktanowa. Liczba oktanowa jest jednak wprost proporcjonalna do zawartości rozgałęzionych łańcuchów bocznych. Im więcej rozgałęzień w łańcuchu cząsteczkowym, tym wyższa liczba oktanowa paliwa. Innymi słowy, powoduje to wyższą odporność paliw na spalanie stukowe. Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie liczby atomów węgla w składzie paliwa powoduje większą odporność na uderzenia. Jednak liczby oktanowe cząsteczek cyklicznych, naftenów, alkoholi i aromatów są wysokie. W celu wyskalowania liczby oktanowej benzyny przyjmuje się dwa punkty odniesienia, które reprezentują punkty 0-100. Przyjmuje się, że liczba oktanowa zwykłego heptanu (C7H16) wynosi 0, natomiast liczba oktanowa izooktanu (C8H18) wynosi 100. Powodem przyjęcia tych dwóch paliw jako punktu odniesienia jest to, że oba związki paliwowe mają prawie takie same wartości lotności i temperatury wrzenia. Powodem jako punktu odniesienia tych dwóch paliw jest to, że oba związki paliwowe mają prawie taką samą lotność i wartości punktu wrzenia. Dostępne są również paliwa takie jak alkohole i benzeny o liczbie oktanowej wyższej niż najwyższa liczba oktanowa tego środka. W silnikach benzynowych dodatki są stosowane w celu zwiększenia odporności paliwa na stukanie, aby zapobiec stukaniu. Dwie najczęściej stosowane metody oznaczania liczby oktanowej paliw to metoda silnikowa i metoda badawcza. Liczby oktanowe wyznaczone tymi metodami dają wartości odpowiednio: motorowej liczby oktanowej (MON) i badawczej liczby oktanowej (RON). W tabeli 2 podano warunki badań do wyznaczania liczby oktanowej paliwa .

Ponieważ temperatura powietrza wlotowego w metodzie MON jest wyższa niż w metodzie RON, temperatura po spalaniu osiąga wyższe wartości. W związku z tym dochodzi do samoistnego zapłonu paliwa i stukania. Dlatego liczba oktanowa uzyskana metodą MON jest niższa niż liczba oktanowa uzyskana metodą RON, ponieważ w metodzie MON paliwo pracuje przy niższych stopniach sprężania. Różnica wartości pomiędzy tymi dwoma metodami określania liczby oktanowej nazywana jest wrażliwością na paliwo (FS). Jeżeli liczba wrażliwości paliwa zawiera się w przedziale od 0 do 10, to stwierdza się, że charakterystyka stukowa paliwa nie zależy od geometrii silnika, a jeżeli jest wyższa od tych wartości, to charakterystyka stukowa paliwa w dużym stopniu zależy od geometrii komory spalania silnika. YD oblicza się jak w równaniu (3):

Geometria komory spalania, turbulencja, temperatura i gazy obojętne są parametrami, które wpływają na liczbę oktanową. Liczba oktanowa jest w dużym stopniu zależna od prędkości płomienia w ładunku paliwowo-powietrznym. Gdy prędkość płomienia wzrasta, mieszanka paliwowo-powietrzna powyżej temperatury samozapłonu natychmiast się spala podczas opóźnienia zapłonu. Istnieje zatem bezpośredni związek między prędkością płomienia a liczbą oktanową, ponieważ prędkość płomienia pozwala na wyczerpanie paliwa bez spalania stukowego. Alkohole mają wysokie prędkości płomienia, dlatego ich liczby oktanowe są wysokie. W gorącym silniku w stanie ustalonym okres ID nie zależy od właściwości fizycznych paliwa, takich jak gęstość i lepkość. Jest on silnie uzależniony od składników chemii paliwa. Dlatego w celu zwiększenia liczby oktanowej paliwa dodaje się dodatki, takie jak alkohole lub organiczne związki manganu. Zwiększenie liczby oktanowej paliwa umożliwia pracę przy wyższych stopniach sprężania. Tak więc, wysoki stopień sprężania zwiększa moc silnika i zapewnia oszczędność paliwa.

Paliwa do silników wysokoprężnych są podzielone na dwie główne kategorie jako lekki olej napędowy i ciężki olej napędowy. Wzór chemiczny lekkiego oleju napędowego to w przybliżeniu C12.3H22.2, podczas gdy ciężki olej napędowy jest uważany za C14.06H24.8. Masa molowa lekkich i ciężkich olejów napędowych wynosi odpowiednio około 170 i 200 g/mol. Lepkość, napięcie powierzchniowe i skłonność do zapłonu paliwa są ważnymi parametrami właściwości paliwowych w olejach napędowych. Lekki olej napędowy ma mniejszą lepkość i wymaga mniejszej pracy przy pompowaniu. Ponieważ niska lepkość zmniejsza również napięcie powierzchniowe paliwa, ma ono mniejszą średnicę kropli podczas rozpylania. W przeciwieństwie do silników benzynowych, w silnikach wysokoprężnych pożądana jest wysoka skłonność do zapłonu, ponieważ spalanie w silnikach wysokoprężnych opiera się na samoistnym spalaniu mieszanki paliwowo-powietrznej. W tym momencie jako cecha paliwa pojawia się liczba cetanowa, która jest miarą zdolności zapłonu paliwa. Innymi słowy, jest to wielkość określająca czas opóźnienia zapłonu. Heksadekan (C16H34), paliwo o prostym łańcuchu z grupy alkanów, jest uważany za najwyższy punkt odniesienia liczby cetanowej, która jest miarą skłonności do zapłonu. Innym punktem odniesienia jest liczba cetanowa 15 jako heptametylnonan (HMN) C12H34, a za najniższy punkt odniesienia przyjęto zero jako wartość liczby cetanowej paliwa alfa-metylonaftalenu C11H10. W pierwszej kolejności paliwo o nieznanej wartości liczby cetanowej wprowadza się do silnika o regulowanym stopniu sprężania. Następnie przeprowadza się test silnika do momentu osiągnięcia stopnia sprężania, przy którym zaczyna się pierwszy stukot, w celu określenia stopnia sprężania paliwa. Następnie mieszankę tych dwóch paliw wzorcowych w różnych proporcjach bada się przy określonym stopniu sprężania, a paliwa wzorcowe miesza się do momentu rozpoczęcia stukania. Procentowa zawartość heksadekanu w momencie stukania w mieszaninie paliwowej zawierającej heptametylnonan lub alfa-metylonaftalen daje nam liczbę cetanową mierzonego paliwa. Opracowano kilka równań empirycznych wykorzystujących właściwości fizyczne paliwa, ponieważ badania silnikowe są bardzo pracochłonne i kosztowne przy wyznaczaniu liczby cetanowej. Metody te, które mierzą skłonność paliwa do zapłonu, nazywane są indeksem cetanowym, punktem anilinowym lub indeksem dieslowskim. Anilina jest związkiem aromatycznym, który bardzo łatwo miesza się ze związkami swojej grupy nawet w niskich temperaturach, natomiast trudniej tworzy mieszaniny z alkanami (parafinami). Dlatego też heksadekan (C16H34), który należy do grupy alkanów i ma dużą skłonność do zapłonu, ma wysoką temperaturę mieszania się z aniliną. Mieszanina próbki paliwa z taką samą ilością aniliny jest podgrzewana do uzyskania indeksu oleju napędowego. Następnie całą anilinę rozpuszcza się w paliwie. Następnie mieszaninę schładza się, aby umożliwić oddzielenie się aniliny od paliwa. Temperatura, w której anilina oddziela się od paliwa, nazywana jest punktem anilinowym. Wskaźnik Diesla oblicza się z punktu anilinowego i klasy API podanych w równaniu (4):

Im wyższa wartość wskaźnika Diesla, tym paliwo jest bardziej alkanowe (w strukturze parafinowej) i ma większą skłonność do zapłonu. Wzrost lotności w olejach napędowych powoduje przyspieszenie odparowania paliwa i spadek lepkości. Jest to zjawisko na ogół niepożądane, gdyż powoduje obniżenie liczby cetanowej paliwa .

W tabeli 3 przedstawiono niektóre paliwa powszechnie stosowane w silnikach. Podano niektóre ważne właściwości paliw, takie jak wzory zamknięte, masa molowa, niższa wartość opałowa i wyższa wartość opałowa, stechiometryczne stosunki powietrze/paliwo i paliwo/powietrze, temperatura parowania, motorowa liczba oktanowa (MON), badawcza liczba oktanowa (RON) i liczba cetanowa.