Goriva automobilskih motora

Kapljica koja život znači

Iako bi smo priču o gorivima automobilskih motora mogli započeti od pradavnih vremena (ljudi su za naftu znali daleko prije nego li je ismišljen motor pokretan njezinim derivatima), povijest benzina i dizelskog goriva ostavljamo nekim drugim nastavnicima. Ipak, za početak ovog poglavlja Škole poslušajmo što nam na temu nafte, točnije sirove nafte, ima reći “enciklopedija svih enciklopedija”: Sirovo zemno ulje (nafta), smeđezelena je do smeđecrna obojena tekuća ili polučvrsta tvar specifične težine od 0,82 do 0,94, koju većinom nalazimo u sedimentnim slojevima Zemlje, a rijetko i u metamorfnim i magmatske stijenama. Nafta je vrlo složena smjesa različitih spojeva, pretežno ugljikovodika alkanskog, cikloalkanskog i aromatskog reda čiji se sastav mijenja od nalazišta do nalazišta.

Nafta se najviše koristi za pokretanje vozila (obično u obliku benzina i drugih derivata) te za dobivanje električne energije u termoelektranama. Također je značajna sirovina za mnoge proizvode (plastika, umjetno gorivo, razni razrjeđivači i ostale kemikalije). Industrija koja se bavi preradom nafte se naziva petrokemijska industrija, citat završen (i jezične greške ispravljene…).

A, neće biti previše ako kažemo da sama riječ nafta (koju najčešće koristimo kada mislimo na sirovu naftu) dolazi od grčke riječi naphtha (što, pak, dolazi od perzijske riječi nafata). Riječ naphtha u stvari označava zapaljivu mješavinu ugljikovodika. U međunarodnoj, prvenstveno engleskoj terminologiji za sirovu se naftu koristi termin petroleum što je složenica grčke riječi petra (kamen) i latinske oleum (ulje).

Kada govorimo o sirovoj nafti, uvijek zanimljiva priča je i ona o najvećim (ili velikim) proizvođačima. Bilo da je riječ o geopolitičkim odnosima ili strateškim interesima, popis značajnijih zemalja – proizvođača sirove nafte, nerijetko predstavlja i popis nekih od najnemirnijih područja na našem planetu. U vrijeme objave ovog članka, najveći proizvođači sirove nafte na svijetu su: Saudijska Arabija (10,52 milijuna barela dnevno), Rusija (10,27), SAD (9,69), Iran (4,25) te Kina (4,07) (izvor: CIA World Factbook). Najveći potrošači, pak, prema istom izvoru su: SAD (19,15 mil. barela dnevno), Kina (9,4), Japan (4,45), Indija (3,18) te Saudijska Arabija (2,63). Najveći izvoznici (ne i proizvođači) nafte na svijetu grupirani su u organizaciju OPEC (Organization of Petroleum Exporting Countries).

Frakcijska destilacija – kratka priča iz rafinerije

Dizelsko gorivo i benzin tek su neki od brojnih derivata sirove nafte koji se proizvodi u rafinerijama postupkom frakcijske destilacije unutar (frakcijskog) tornja. Sirovu se naftu u rafineriji zagrijava na temperaturu vrelišta njezinih sastavnih dijelova (razlike ne smiju biti veće od 25°C) te se njihove pare odvode u frakcijski toranj. Tamo se iste hlade i kondenziraju (ukapljuju, tj. vraćaju u oblik tekućine) na različitim visinama. Iz frakcijskog tornja potom izlaze razni derivati koje se razvrstava, dodatno pročišćava te se nekima od njih dodaju aditivi radi postizanja određenih komercijalnih karakteristika. Ovakvim se postupkom frakcijske destilacije iz jednog barela sirove nafte (159 l) dobiva otprilike 72 l benzina, 38 l plinskog ulja, 15 l goriva za mlazne motore te oko 34 l ostalih produkata, poput maziva, ulja za grijanje i sl.

Tako, barem teorijski, možemo reći da jedan bolid Formule 1 koji prosječno troši 75 l benzina 100 km, treba 225 litara goriva da završi cijelu utrku. To, pak, znači da za 22 bolida koja krenu u utrku (pod teorijskim uvjetom da ju svi završe) treba osigurati 4950 l benzina. A, da bi se proizvela tolika količina benzina, potrebno je 11.000 litara sirove nafte. No, utješno je ipak da ćete sa svojim osobnim automobilom, koji recimo troši 10 l benzina na 100 km u gradskoj vožnji, s 11.000 litara sirove nafte moći uživati čak 49.500 km. U slučaju da vozite dizelaša jednake potrošnje, ta će se brojka ipak smanjiti i to na 26.400 km gradskih užitaka…

Plinsko ulje (dizelsko gorivo)

S obzirom da je, u vrijeme nastanka ovog članka, na hrvatskom tržištu (nakon prvih šest mjeseci tekuće godine) 55,2% registriranih vozila pokretano dizelskim motorima, smatramo da je red da našu ovotjednu priču započnemo upravo s ovom vrstom goriva. Pa, dakle…

Plinsko ulje, koje je svoj kolokvijalni naziv “dizelsko gorivo” dobilo prema njemačkom izumitelju Rudolfu Dieselu, je gorivo koje se proizvodi iz sirove nafte, a dobiva se frakcijskom destilacijom pri temperaturama između 200 i 350°C (pri atmosferskom pritisku). Prema svom kemijskom sastavu, plinsko ulje iliti dizelsko gorivo (ono koje se dobiva iz nafte, za razliku od biodizela) sadrži 75% zasićenih i 25% aromatskih ugljikovodika. U prosjeku (neka nam kemičari ne zamjere), dizelsko gorivo možemo prikazati formulom C12H23.

Kao što znamo iz ranijih poglavlja, plinsko se ulje koristi u motorima s kompresijskim paljenjem smjese. Prisjetimo se, kod takvih se motora smjesa goriva i zraka ne pali iskrom svjećice, već visokom temperaturom sabijenog zraka. Upravo stoga, dizelski motori u pravilu imaju znatno viši omjer kompresije od benzinskih, načelno, između 14 i 18 : 1.

Za razliku od oktanskog broja o kojem ćemo nešto reći u priči o benzinu, dizelska goriva označuju se cetanskim brojem (cetanski indeks je proračunata vrijednost temeljena na gustoći goriva i još nekim parametrima). Cetanski broj određuje se upotrebom laboratorijskog motora u standardiziranim uvjetima, a što je viši, pokazuje veću sklonost goriva samozapaljenju pri ubrizgavanju goriva u cilindar. Primjera radi, standardno europsko dizelsko gorivo EN 590 (mješavina s dozvoljenim udjelom do 7% biodizela) ima najmanji cetanski broj od 51 (najmanji cetanski index od 46).

Dizelskim gorivom pokretani motori modernih automobila, opremljeni oksidacijskim katalizatorima (i ostalim naprednim sustavima smanjenja zagađenja poput DP filtera i SCR katalizatora) jamče 10 do 20% manje emisija stakleničkih plinova nego li motori ekvivalentnih karakteristika pokretani benzinom. Također, od 2006. na europskim tržištima gotovo sva dostupna dizelska goriva ona su s niskim udjelom sumpora, prema standardu Euro IV (iz 2005.) koji specificira najviše 50 ppm (dijelova na milijun) sumpora u dizelskom gorivu (Euro V: 10 ppm).

Biodizel – soja u tavi ili spremniku za gorivo?

Termin biodizel generičko je ime za dizelsko gorivo dobiveno iz bioloških izvora. Riječ je o gorivu koje svojim sastavom nije mineralno, neotrovno je i u cijelosti biorazgradivo, a može se koristiti kao zamjena za plinsko ulje dobiveno destilacijom sirove nafte. Biodizel se dobiva iz biljnih ulja (npr. uljana repica u Europi predstavlja sirovinu za više od 80% biodizela), recikliranih otpadnih jestivih ulja (ulje za prženje) ili životinjskih masti. Biodizel se najčešće koristi u mješavini s plinskim uljem pa tako poznajemo goriva oznake B5 ili npr. B20, kod kojih brojka označava postotni udio biodizela. Za pogon na čisti biodizel (B100), motori automobila najčešće zahtijevaju preinake s obzirom na osjetljivost nekih komponenti motora i sustava za ubrizgavanje na ovakvu vrstu goriva.

Benzin (ugljikovodici koji nam toliko mnogo znače)

Benzin, kakav koristimo za pokretanje automobila, u stvari je smjesa tekućih ugljikovodika (HC) koja se sastoji uglavnom od vodika (H) i ugljika (C) uz dodatak nekih aditiva. Benzin ima specifičnu težinu između 0,71 i 0,77 kg/l. U slučaju idealnog izgaranja u motoru, sav bi benzin trebao sagorjeti ostavljajući tek vodu (H2O) i ugljični dioksid (CO2) kao nusprodukte izgaranja. Pa ipak, u praksi nije tako te dio benzinskih para (HC) ostaje nesagoren napuštajući ispušni sustav vozila zajedno s dušičnim oksidima (NOx) i ugljičnim monoksidom (CO) koji se stvaraju u procesu izagranja. Sljedeća jednadžba prikazuje što se događa tijekom procesa izgaranja u cilindru benzinskog motora:

Izgaranje započinje gorenjem ugljikovodičnog goriva u prisutnosti dušika (N) i kisika (O2) iz zraka. Iz gornje jednadžbe primjećujemo da se HC nalazi s obje strane jednadžbe što pokazuje kako dio goriva ostaje nesagoren napuštajući cilindar motora u obliku benzinskih para. Uz HC, ispušni plin sadržava i CO, CO2, NOx i H2O (vodenu paru). Ugljični monoksid jedan je od produkata nepotpunog izgaranja i nastaje kada se jedan atom ugljika spoji s jednim atomom kisika (umjesto s 2 atoma kisika). Nedostatak kisika u ovom slučaju sprečava stvaranje ugljičnog dioksida. CO je, vjerojatno ne treba napominjati, otrovan plin.

Uz zagađenje izazvano ispušnim plinovima vozila pokretanih motorima s unutarnjim izgaranjem često spominjan pojam je i smog. Naime, jedan od izvora smoga je reakcija do koje dolazi između ugljikovodika (HC) i dušičnih oksida (NOx) u prisutnosti sunčeve svjetlosti. Stoga je i sprječavanje stvaranja dušičnih oksida u motoru jedan od načina borbe protiv smoga. Dušični se oksidi stvaraju pri visokim temperaturama izgaranja. Kada temperatura dosegne više od 1371°C (izgarajući plinovi unutar motora dostižu temperaturu i do 2482°C) dio dušika i dio kisika iz zraka se spaja stvarajući NOx. No, da ne bi sve bilo tako crno i zagađeno kako ispada iz ovdje napisanog, brine se 3-stazni katalitički konverter ispušnog sustava koji djeluju na ispušne plinove tako da izaziva oksidaciju ugljičnog monoksida (CO) i ugljikovodika (HC) te redukciju dušikovih oksida (NOx).

Isparivost benzina jedna je od njegovih najznačajnijih karakteristika. Najznačajnijih, jer se benzin koji više isparava može bolje pomiješati sa zrakom. Također, lakše je pokrenuti hladni motor s benzinom koji više isparava. Benzin koji slabo isparava može ući u cilindre u obliku kapljica koje, potom, dolaze na stijenke cilindara i s njih ispiru ulje. Takako, takav slučaj povećava trošenje košuljica, samih klipova te klipnih prstenova. Ipak, isparivost goriva treba biti prilagođena uvjetima u kojima se ono koristi. Benzin prevelike isparivosti može parama “začepiti” dovodne cijevi i tako zaustaviti rad motora.

Oktani i njihova vrijednost

Oktanska vrijednost benzina najčešće je spominjana karakteristika ovog goriva. U stvari, radi se tek o otpornosti spram detonativnog izgaranja. Detonativno izgaranje nastaje kada se dijelovi smjese zapale sami od sebe (nastaju dva plamena: onaj koji se širi od svječice i onaj od samopaljenja) te kada se sudare dva čela plamena. Taj sudar frontalnih dijelova dvaju plamena unutar cilindra čujemo kao nekakvo “kuckanje” iz motora. U praksi, radi se o poznatom slučaju kada na uzbrdici dajete previše gasa u previsokom stupnju prijenosa. Motor počinje kuckati što, u stvari, predstavlja nepravilno (detonativno) izgaranje. Mnogi pri ovakvoj pojavi, pogrešno, kažu kako se to “čuju ventili”. Treba napomenuti da detonativno izgaranje može znatno oštetiti motor.

Mogućnost pojave detonativnog izgaranja veća je kod motora s visokim stupnjem kompresije. Stoga se i prodaju goriva različitih oktanskih vrijednosti prilagođena upotrebi na različitim motorima. Priča je, zapravo jednostavna i govori da veći oktanski broj jamči i veću otpornost spram detonativnog izgaranja. Drugim riječima, motor nekog starijeg automobila nećete oštetiti stavite li u njega 98-oktanski benzin, ali supersportskoj jurilici se nikako ne bi svidjeo 95-oktanski “obrok”. Ipak, današnji su automobili opremljeni senzorom koji prepoznaje oktansku vrijednost goriva i shodno tome prilagođava rad motora. Stoga, barem teorijski, zabuna s ulijevanjem goriva neodgovarajućeg oktanskog broja ne bi trebala biti pogubna po vaš motor (ponavljamo: teorijski, ali nikako ne preuzimamo odgovornost!).

Oktanska vrijednost benzina određuje se posebnim jednocilindričnim ispitnim motorom (slično kao i u slučaju ispitivanja cetanskog broja kod dizelskog goriva) kojem je, tijekom rada, moguće mijenjati omjer kompresije. Takav se motor pušta u pogon s gorivom kojem mjerimo oktansku vrijednost nakon čega ga se pušta u pogon s mješavinom dvaju ugljikovodika od kojih je jedan izooktan (vrlo otporan spram detoniranja), a drugi n-heptan koji rado detonira. Benzin označujemo oktanskom vrijednošću od (npr.) 90 kada u motoru za ispitivanje pokaže jednaku otpornost spram detoniranja kao i pokusno gorivo s 90% izooktana i 10% n-heptana.

Tradicionalni način rješavanja problema otpornosti goriva spram detonativnog izgaranja je dodavanje olovnog tetraetila benzinu čime se omogućava korištenje istog goriva u motorima višeg stupnja kompresije (uz ovaj dodatak povećava se oktanski broj). Ipak, kao što znamo, olovo baš i nije neki posebno zdrav metal pa se, u svijetu, već od sredine 70-ih godina počinju u javnu upotrebu uvoditi bezolovni benzini. Uz to, ulijete li olovni benzin u automobil opremljen katalizatorom, za vrlo ćete ga kratko vrijeme uništiti stvarajući na površinama platinskog saća naslage koje onemogućavaju normalne procese eliminiranja HC.

Kakva je prirodna boja goriva?

Na kraju ove priče o gorivima recimo i to da se u benzine i plinska ulja, uz aditive koji pospješuju karakteristike, otpornost na niske temperature i sl. ubacuju i boje. Zadatak boja je da se postigne vizualna raznolikost pojedinih goriva. Naime, fosilna goriva su u pravilu slične ili čak jednake boje, bez obzira na sastav ili aditive pa su tako npr. svi benzini prirodno žućkasti. A, najočitiji primjer potrebe za brzim razlikovanjem goriva prema boji (npr. pri kontroli vozila) je onaj u slučaju loživog ulja i dizelskog goriva namijenjenog osobnim vozilima. U Europskoj Uniji je tako od kolovoza 2002. na snazi obaveza dodavanja 6 mg boje po litri (7 mg / kg) loživog ulja. Ova boja nosi komercijalni naziv Euromarker, a u okruženju povećane kiselosti mijenja boju iz žućkaste u crvenu. Moguće ju je otkriti u koncentracijama od samo 2 do 3% udjela loživog ulja u dizelskom gorivu.

Ne zaboravimo…

I dok se velike količine goriva mogu transportirati na različite načine, najčešće vlakom ili tegljačima s cisternama, za prijenos manjih količina u pravilu su zaduženi kanisteri (lat. canistrum = pletena košara). A, koliko god to možda zvučilo i neobičnim, kanister za transport tekućina kakav danas znamo izmišljen je tek pred II Sv. rat.

Točnije, kanister za pohranu goriva, napravljen od metalnog lima, osmislili su Nijemci koji su do 1938. svoje vojne motorizirane jedinice opremili desecima tisuća ovakvih spremnika te pomoćnim gumenim crijevima za pretakanje. To je uvelike pojednostavnilo (tj. ubrzalo) nadolijevanje goriva u vozila koja su se do tada punila iz velikih, nespretnih bačava ili u najboljem slučaju iz ništa spretnijih 20-litrenih spremnika trokutastog presjeka.

Standardiziranog obujma od 20 litara, metalni kanister s kraja 1930-ih ima tri okrugle ručke (može ga se nositi jednom rukom ili ga mogu nositi dvije osobe) te specifični poklopac s gumenom brtvom i polugama za čvrsto zatvaranje. Standardne dimenzije metalnog 20-litrenog kanistera iznose 472 mm visine, 347 mm širine te 167 mm dubine. U prosjeku, ovakav kanister teži oko 4 kg prazan, 21 kg pun dizelskog goriva, a 19 kg pun benzina.

Dvadesetlitreni kanisteri za transport tekućina kakve su Nijemci osmislili krajem 1930-ih godina do danas se gotovo i nisu promijenili, no u međuvremenu su im se u raširenoj upotrebi pridružili plastični spremnici različitih zapremnina. Ipak, osnovna konstrukcija njemačkog kanistera, koji ima oblik uspravnog kvadra, praktički se nije mijenjala, ali je vrlo brzo nakon uvođenja u upotrebu kopirana od strane savezničkih vojnih snaga. Upravo tako je i nastao termin kojim se kanisteri u engleskom govoru i danas najčešće nazivaju – Jerrycan. Jerry je, naime, bio sleng za Nijemce tijekom II Sv. rata.