Back Next

6.2.1. Combustibili pentru m.a.s. Benzine

 

Motoarele cu aprindere prin scânteie utilizează drept combustibili clasici benzinele. Necesitatea identificării unor noi resurse de materiale combustibile a condus la găsirea şi a altor combustibili m.a.s. cum sunt alcooli, propanul sau butanul lichefiate a căror utilizare nu este însă răspândită.

Benzinele sunt amestecuri de hidrocarburi care conţin 5 până la 10 uneori 12 atomi de carbon în moleculă.

Cantităţile cele mai mari de benzină se obţin prin prelucrarea petrolului. Se mai obţin prin piroliza cărbunilor (procedeul Fischer – Tropsch de fabricare a benzinelor sintetice), prin hidrogenarea catalitică a cărbunilor, prin extracţie cu solvenţi, prin gazeificarea cărbunilor la gaz de sinteză urmată de conversia catalitică la combustibil lichid.

În compoziţia benzinelor se întâlnesc:

- hidrocarburi saturate:

-            cu catenă liniară (n-alcani sau n-parafine), CnH2n+2

-            cu catenă ramificată (izoalcani sau izoparafine), CnH2n+2

-            cu catenă ciclică (cicloalcani sau naftene), CnH2n

- hidrocarburi aromatice mononucleare (arene):

-            benzen, C6H6

-            toluen, C6H5-CH3

-            xileni, C6H4(CH3)2

- hidrocarburi nesaturate cu o singură legătură dublă între doi atomi de carbon (alchene sau olefine), CnH2n

- cantităţi mici de compuşi organici cu S, N, O etc.

Conţinutul procentual al diferitelor hidrocarburi în benzine este prezentat în Tabelul 6.3:

 

Tabelul 6.3. Compoziţia procentuală în hidrocarburi a benzinelor

Hidrocarbură

Benzină auto (CO)

Benzină de aviaţie (CO)

75

90

98

91/96

100/130

115/145

Parafine

54-67

65-80

69-81

67-82

70-83

85

Naftene

20-30

14-27

10-11

6-25

12-20

7

Aromate

4-25

3-14

1-20

5-17

1-20

8

Olefine

1-4

0,8-4

1-3,5

0,5-3,5

0,5-3,5

1

 

Fiecare tip de hidrocarbură conferă benzinelor anumite proprietăţi caracteristice.

Parafinele, constituenţi de bază ai benzinelor, sunt inerte din punct de vedere chimic, au acţiune redusă de dizolvare a cauciucului şi a elastomerilor.   n - Parafinele sunt puţin rezistente la detonaţie, naftenele au rezistenţă medie iar izoparafinele prezintă rezistenţă mai mare la autoaprindere.

Hidrocarburile aromatice nu acţionează asupra pieselor metalice ale motorului dar pot dizolva elastomerii utilizaţi în fabricarea diferitelor repere ale sistemului de alimentare. Ca urmare a cantităţii mai mici de hidrogen pe care o conţin, au putere calorică mai mică decât parafinele cu acelaşi număr de atomi de carbon în moleculă. Sunt rezistente la detonaţie deoarece arenele cu masă moleculară mare determină creşterea presiunii de vapori a benzinei evitând astfel vaporizarea prematură.

Olefinele prezente în benzină determină o serie de deficienţe printre care instabilitatea la stocare. Olefinele se oxidează uşor, transformându-se în compuşi cu caracter acid care provoacă fenomenul de coroziune; în timpul arderii, olefinele formează radicali peroxidici care favorizează detonaţia; în condiţiile de temperatură şi presiune din cilindrii motorului, olefinele se pot polimeriza, transformându-se în gume insolubile de obicei în benzină, care se depun pe pereţii instalaţiei de alimentare, ştrangulând sistemul de carburaţie.

Sulful prezent în benzine în stare liberă sau sub formă de mercaptani (R-SH), polisulfuri (R-S-S-R), derivaţi sulfonici (R-SO3Na) etc. nu trebuie să depăşească 0,15..0,20%. Prezenţa sulfului este dăunătoare prin depunerile în chiulasa motorului şi în camerele de ardere, depuneri care duc la uzură mecanică, prin diminuarea eficacităţii aditivilor antidetonanţi precum şi prin posibilitatea formării unor compuşi corozivi ca SO2, SO3, H2SO4.

Pentru a putea fi utilizate în practică, benzinele trebuie să îndeplinească o serie de proprietăţi care sunt reflectate de unele caracteristici fizico-chimice. Performanţele unui motor cu aprindere prin scânteie sunt determinate şi de caracteristicile benzinei alese.

Volatilitatea reprezintă capacitatea de vaporizare a benzinei în condiţii date de temperatură şi de presiune. Volatilitatea se apreciază pe baza presiunii de vapori, care trebuie să fie cuprinsă între 5.105 – 8.105 N / m2 şi pe baza curbei de distilare.

Curba de distilare se determină pe un volum de 100 ml de benzină, măsurând temperatura pentru fiecare volum de 10 ml de benzină adus în stare de vapori ulterior condensat; cu datele obţinute se trasează o curbă care reprezintă variaţia temperaturii funcţie de cantitatea de benzină distilată, exprimată în procente de volum, Fig. 6.1. De regulă benzinele pentru autovehicule au temperatura iniţială de fierbere de cca. 40oC şi temperatura finală de fierbere de maxim 205oC. De pe curba de distilare se citesc temperaturile la care a distilat 10%, 50% respectiv 90% din volumul total de benzină, temperaturi notate cu T10, T50 şi T90.

Cu cât aceste temperaturi sunt mai mici cu atât benzina este mai volatilă. Temperatura punctului de 10% reprezintă aptitudinea benzinei de pornire a motorului. Perioada de încălzire a motorului este reflectată de valoarea T50 iar vaporizarea şi arderea integrală precum şi consumul de carburant pot fi corelate cu T90 ca şi cu temperatura finală de fierbere. Benzina cu volatilitate ridicată prezintă şi o serie de dezavantaje printre care pericolul de a forma dopuri de vapori şi tendinţa de îngheţare a combustibilului, împiedicând alimentarea şi provocând astfel oprirea motorului.

 

 

 

 

 

 

Fig. 6.1 Curba de distilare a unui combustibil

 

 

Dacă benzina nu este suficient de volatilă, nu se evaporă integral, nu arde integral şi părţile nearse diluează uleiul provocând o serie de efecte negative şi o uzură accentuată a motorului. Se recomandă utilizarea benzinelor cu volatilitate mare în timpul iernii şi a celor mai puţin volatile pe timp de vară.

Benzinele de aviaţie trebuie să aibă o rezistenţă mai bună la îngheţare, o volatilitate mai mare (4,0.105 – 4,8 .105 N/m2) şi o temperatură finală de fierbere de maxim 170oC.

Comportarea la ardere. Aprinderea amestecului carburant benzină – aer se realizează de la scânteia electrică produsă de bujie. Dacă flacăra progresează treptat, cu o viteză mică de 20 – 50 m/s, consumându-se integral amestecul, are loc o combustie fără detonaţie sau o ardere normală. În anumite condiţii de funcţionare a motorului şi dacă se utilizează combustibili inadecvaţi, temperatura şi presiunea gazelor nearse existente în camera de ardere pot determina autoaprinderea acestora în zona aflată înaintea frontului de flacără corespunzător arderii normale. Amestecul carburant reacţionează cu viteză explozivă iar presiunea provocată de degajarea bruscă de căldură acţionează asupra pistonului înaintea ca acesta să-şi fi terminat cursa producând fenomenul de detonaţie. Motorul “bate” ca urmare a vibraţiilor rapide ale masei de gaz din cilindri. Detonaţia se produce când în amestecul carburant au loc reacţii de combustie foarte rapide, care determină deplasarea frontului de flacără cu viteze foarte mari de 1500 – 3000 m/s şi se datorează oxidării hidrocarburilor cu formare de compuşi foarte reactivi cum sunt peroxizii şi aldehidele. Cea mai mare inerţie la detonaţie o prezintă hidrocarburile parafinice ramificate şi cele aromatice în timp ce n-parafinele imprimă benzinei slabă rezistenţă. Fenomenul de detonaţie este absolut nedorit deoarece determină creşterea consumului de combustibil, scăderea puterii şi a randamentului acestuia, scăderea temperaturii gazelor de ardere (evacuare) care conţin negru de fum şi scântei, creşterea temperaturii pistoanelor şi a supapelor de evacuare şi uzura accentuată a motorului.

Motoarele moderne, caracterizate prin rapoarte de compresie mari, necesită combustibili cu calităţi deosebite de ardere, adică benzine cu rezistenţă la detonaţie. Cifra octanică (CO) este un criteriu de apreciere al calităţii antidetonante a benzinei.

Cifra octanică reprezintă conţinutul procentual (%vol) de izooctan (2,2,4,trimetilpentan) dintr-un amestec etalon de izooctan şi n-heptan, care se comportă la ardere, în condiţii identice de încercare, similar cu benzina testată.

Convenţional s-a atribuit izooctanului cifra octanică 100 şi n-heptanului cifra octanică 0 (zero).

Cu cât valoarea cifrei octanice este mai mare cu atât benzina este mai rezistentă la detonaţie.

 

       CH3       CH3

        ˝          ˝

CH3-C-CH2-CH-CH3

        ˝

        CH3

         izooctan, CO = 100

 

 

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

 

 

          n-heptan, CO = 0

 

Stabilitatea la oxidare a benzinelor este determinată de conţinutul în alchene (olefine) şi se apreciază prin perioada de inducţie. Pentru determinarea acestei mărimi se pune benzina în contact cu oxigenul la 100oC şi presiune de 6,7.105 N/m2 şi se măsoară timpul până când scade presiunea oxigenului ca urmare a consumării lui în reacţiile de oxidare a olefinelor. Acest timp se numeşte perioadă de inducţie şi sunt admise benzinele cu perioadă de inducţie de 300 – 600 min.

Toleranţa faţă de apă. Cantitatea de apă care se poate dizolva în benzină diferă în funcţie de calitatea benzinei, de temperatură, de adaosuri etc. Dacă benzina conţine o cantitate mare de apă, aceasta se poate separa în fază lichidă (sau solidă la temperaturi joase) împiedicând funcţionarea motorului. Cantitatea de apă tolerată de benzină scade odată cu scăderea temperaturii determinând probleme de funcţionare a motorului şi de coroziune a rezervorului precum şi a traseelor de combustibil mai ales pe timpul iernii.

Pentru ameliorarea caracteristicilor naturale şi pentru ridicarea performanţelor combustibililor se utilizează substanţe numite de aditivi. Aditivii prezintă o mare specificitate de utilizare şi unii sunt prezentaţi în Tabelul 6.4.

 

Tabelul 6.4. Aditivi pentru benzine

Tipuri de aditivi

Substanţa activă

Acţiune

Antidetonanţi

Hidrocarburi cu CO mare;

Pb(C2H5)4, Pb(CH3)4, Fe(CO)5, Se(C2H5)2, Sn(C4H9)4, CH3I, Amine aromatice,

Metil-terţbutil-eter (MTBE)

Măresc CO a benzinelor, preîntâmpină fenomenul de detonaţie

Antioxidanţi

(inhibitori         de oxidare)

Fenoli (2,6-dibutil 4-metil fenol), Amine, Aminofenoli (N,N’-dibutil p-aminofenol)

Încetinesc procesul de oxidare prin micşorarea numărului de radicali liberi formaţi în timpul oxidării

Anticorozivi

Amoniac (NH3), amine primare (R-NH2), săruri de amoniu (NH4+), azotaţi (NO3-), carbo-naţi alcalini (Na2CO3), alcooli alifatici (R-OH), acizi graşi

Anihilează acţiunea corozivă a compuşilor din benzină

Împotriva formării depunerilor

Compuşi organici ai borului şi aluminiului; Fosfaţi organici (metil-etilfosfat, (CH3)3PO4,  tricrezil-fosfat)

Transformă depunerile de C şi Pb în particule  fine, uşor antrenabile în gazele de ardere

Dezactivatori ai metalelor

Derivaţi ai oxichinoleinei

Baze Schiff

Înlătură metalele Co, Fe, Ni, V, Cr, Mn, Cu formand chelaţi

Degivranţi anticongelanţi

Alcooli inferiori (R-OH), Di-metilformamida,

(HCON(CH3)2), Eteri ai glicolului

Împiedică depunerea gheţii pe carburator ca urmare a evaporării benzinei. Preîntâmpină îngheţarea apei.

Antistatici

Metil-vinilpiridina

Diizopropilsalicilat de calciu

Măresc conductibilitatea electrică a benzinei

Bactericizi

Crezoli, aminofenoli, naftoli, compuşi ai borului

Distrug bacteriile din rezervoare

 

Aditivii protejează combustibilii de acţiunea agenţilor fizico-chimici cu care vin în contact, protejează motorul de produsele rezultate în timpul funcţionării, conferă proprietăţi funcţionale noi combustibilului. Pentru a-şi exercita rolul, ei trebuie să aibă eficacitate mare la concentraţii mici, să fie solubili în combustibili şi insolubili în apă, să prezinte stabilitate termică, să ardă complet, fără reziduuri, să nu fie toxici şi să nu formeze produşi de ardere toxici, să fie rentabili, uşor de procurat şi de depozitat etc.

Tetraetilplumbul (TEP), Pb(C2H5)4, unul dintre aditivii antidetonaţie foarte larg utilizat, este un lichid incolor, cu miros dulceag, mai dens decât apa, solubil în benzine şi insolubil în apă. Este foarte toxic, acţionând asupra sistemului nervos central. El se adaugă în benzină în proporţie de 0,12%. Oxizii plumbului sunt nevolatili şi greu solubili în benzină, putându-se depune pe pereţii cilindrilor, pe supape, pe bujii determinând uzura acestora. Pentru a preîntâmpina aceste efecte, TEP se amestecă cu derivaţi halogenaţi, R-X (dicloretan Cl2C2H4, dibometan, Br2C2H4, dibrompropan Br2C3H6) care la peste 870oC transformă oxizii plumbului în halogenuri volatile, evacuându-se în gazele de eşapare. Amestecul TEP – R-X poartă numele de lichid etilic sau etilfluid iar benzinele care-l conţin se numesc benzine etilate.

Întrucât plumbul şi derivaţii săi sunt toxici şi poluanţi s-a urmărit înlocuirea TEP cu alţi antidetonanţi netoxici în benzinele fără plumb. Cu mare succes se utilizează metil-terţbutileter (MTBE) sau amestecuri antidetonante nepoluante cum sunt cele pe bază de alcool metilic, alcool etilic, alcool terţbutilic sau alcool izopropilic. În cazul aditivilor menţionaţi cantitatea adăugată este însă semnificativ mai mare. Alţi aditivi din clasa carbonililor sunt alternativ utilizaţi, fiind eficace în concentraţii foarte mici, având însă şi un cost ridicat.