3 βενζίνη

ΒΕΝΖΙΝΗ

Η βενζίνη είναι το σημαντικότερο κλάσμα της διύλισης του πετρελαίου. Από χημικής σκοπιάς η βενζίνη είναι μίγμα υδρογονανθράκων με 5 έως 12 άτομα άνθρακα στο μόριό τους. Οι μέσες τιμές των ιδιοτήτων της βενζίνης πλησιάζουν αυτές του οκτανίου. Λόγω, της ευρύτατης χρήσης της βενζίνης , η βενζίνη που παράγεται με κλασματική απόσταξη δεν φτάνει για την κάλυψη των αναγκών της αγοράς. Έτσι οδηγηθήκαμε στην παραγωγή βενζίνης από ανώτερα κλάσματα πετρελαίου.

παραγωγή βενζίνης με πυρόλυση

Τα ανώτερα κλάσματα πετρελαίου υποβάλλονται σε μια κατεργασία που ονομάζεται πυρόλυση. Θερμαίνεται το ανώτερο κλάσμα του πετρελαίου παρουσία καταλυτών (Al₂O₃ και SiO₂) οπότε διασπάται σε υδρογονάνθρακες με λιγότερα άτομα άνθρακα. Παράδειγμα το δεκατριάνιο:

C₁₃H₁₈ --> C₈H₁₈ + CH₂=CH₂ + CH₃CH=CH₂

(βενζίνη) (πρώτες ύλες πετροχημείας)

Βενζίνες υψηλών οκτανίων / μόλυβδος

Εισαγωγή:

Την τελευταία εικοσαετία τα περισσότερα αυτοκίνητα που κυκλοφορούν στους δρόμους αλλά και σημαντικό μέρος των μοτοσικλετών είναι καταλυτικά, παρ'όλα αυτά τα μη καταλυτικά αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες αποτελούν υπολογίσιμο ποσοστό και οι χρήστες τους προβληματίζονται για το ποιο καύσιμο είναι καταλληλότερο να χρησιμοποιούν. Με την εισαγωγή της αμόλυβδης στα πρατήρια στις αρχές της δεκαετίας του 90 διατηρήθηκε παράλληλα και η διάθεση της βενζίνης super η οποία εμπεριείχε μόλυβδο. Πριν μερικά χρόνια όμως με την απόφαση για πλήρη κατάργηση των καυσίμων που χρησιμοποιούν μόλυβδο η βενζίνη super καταργήθηκε και την θέση της πήρε η LRP. Γιατί όμως τα παλαιότερα αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες χωρίς καταλύτη έχουν ανάγκη την βενζίνη με μόλυβδο ή την LRP και κατά πόσον αυτό ευσταθεί?

Μια άλλη πηγή σύγχυσης είναι η διάθεση τα τελευταία χρόνια στην αγορά βενζίνες υψηλών οκτανίων, σε ποιους κινητήρες όμως αποδίδουν τα καύσιμα αυτά μεγαλύτερη ισχύ και ποιος είναι ο μηχανισμός?

Βενζίνες Υψηλών οκτανίων.

Αριθμός Οκτανίου:

Η ποιότητα ενός καυσίμου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όμως σαν καταναλωτικό προϊόν οι βενζίνες χαρακτηρίζονται κυρίως (και ίσως μόνο) από τον αριθμό οκτανίου, τι ακριβώς όμως εκφράζει το νούμερο αυτό?

Ο αριθμός οκτανίου είναι μια συμβατική μονάδα μέτρησης που μας δίνει πόσο αντέχει να συμπιεστεί ένα καύσιμο χωρίς να εκραγεί. Το ισο-οκτάνιο έχει μεγάλη αντοχή σε συμπίεση ενώ το n-επτάνιο αναφλέγεται εύκολα με μικρή συμπίεση, οπότε ο αριθμός οκτανίου μας δίνει την αντιστοιχία της βενζίνης με το ανάλογο μίγμα ισο-οκτανίου / n-επτανίου που θα είχε την ίδια συμπεριφορά ως προς τη συγκεκριμένη ιδιότητα.

Δηλαδή βενζίνη 95 οκτανίων αντέχει να συμπιεστεί χωρίς να δημιουργηθεί εκρηκτική ανάφλεξη όσο και ένα μίγμα οκτανίού / επτανίου με 95% οκτάνιο και 5% επτάνιο.

Γιατί χρειαζόμαστε όμως καύσιμα με υψηλή αντοχή σε αυτανάφλεξη? Η απάντηση είναι γιατί η απόδοση του κινητήρα εξαρτάται από την σχέση συμπίεσης, το πόσο δηλαδή θα συμπιέσει ο κινητήρας το μίγμα αέρα / καυσίμου πρίν αυτό εκτονωθεί. Αν χρησιμοποιήσουμε σε έναν κινητήρα βενζίνη χαμηλότερης αντοχής (με μικρότερο αριθμό οκτανίου) απ'όσο προβλέπει ο κατασκευαστής του τότε θα δημιουργήσουμε φθορές ή και σοβαρή βλάβη η οποία οφείλεται αφενός στο ότι το καύσιμο δεν αναφλέγεται την στιγμή που πρέπει και αφετέρου στο ότι δεν αναφλέγεται με ομαλό και ελεγχόμενο τρόπο. Στην περίπτωση αυτή έχουμε κρουστική ανάφλεξη δηλαδή το καύσιμο μίγμα αναφλέγεται ταυτόχρονα δημιουργώντας πολλά μέτωπα φλόγας και κάθετη αύξηση πίεσης (έκρηξη) σε αντίθεση με την βαθμιαία αύξηση πίεσης που προκαλεί το μέτωπο φλόγας που δημιουργείται από τον σπινθήρα.

Οι παράμετροι που θα καθορίσουν το καύσιμο που είναι κατάλληλο για τον κάθε κινητήρα είναι 3, η γεωμετρική σχέση συμπίεσης, η ηλεκτρονική διαχείριση του καυσίμου και της ανάφλεξης και η ύπαρξη υπερτροφοδότησης.

1).Η γεωμετρική σχέση συμπίεσης ορίζεται από τον λόγο του όγκου του κυλίνδρου με το έμβολο στο ΑΝΣ (άνω νεκρό σημείο) προς τον όγκο του κυλίνδρου στο ΚΝΣ (κάτω νεκρό σημείο). Η γεωμετρική σχέση συμπίεσης είναι συγκεκριμένη και σταθερή για κάθε κινητήρα, μπορεί να αλλάξει μόνο με μετατροπές (αλλαγή εμβόλων πχ) και παραμένει αμετάβλητη όσο ο κινητήρας λειτουργεί.

2).Η ηλεκτρονική διαχείριση καυσίμου και ανάφλεξης είναι αρκετά πιο περίπλοκο ζήτημα.

Σε ένα εμβολοφόρο κινητήρα θεωρητικά η ανάφλεξη πρέπει να γίνει τη στιγμή που το έμβολο βρίσκεται στο ΑΝΣ (άνω νεκρό σημείο), λίγο πριν και τα καυσαέρια θα εμποδίσουν το έμβολο όσο ανεβαίνει προς το ΑΝΣ ενώ λίγο μετά και θα έχει σπαταληθεί μέρος της προς τα κάτω διαδρομής του εμβόλου χωρίς να παραχθεί έργο.

Η λέξη θεωρητικά εδώ όμως έχει μεγάλη σημασία, στην προηγούμενη παράγραφό θεωρήσαμε πως η ανάφλεξη γίνεται στιγμιαία, πράγμα που μπορεί προσεγγιστικά να ισχύει σε βραδύστροφους κινητήρες αλλά απέχει πολύ από την πραγματικότητα στους περισσότερους κινητήρες αυτοκινήτων και μοτοσικλετών. Στην πράξη θέλουμε η ανάφλεξη να γίνει την κατάλληλη χρονική στιγμή ώστε να μην επιβραδύνει το ανερχόμενο έμβολο (πριν το ΑΝΣ) και να μην σπαταληθεί ωφέλιμη διαδρομή του εμβόλου προς τα κάτω (μετά το ΑΝΣ).

Το καύσιμο μίγμα χρειάζεται ένα δεδομένο χρόνο για να καεί και όσο ο κινητήρας δουλεύει με περισσότερες στροφές ανά λεπτό ο χρόνος αυτός μειώνεται. Η ιδανική στιγμή για την ανάφλεξη είναι η δημιουργία της μέγιστης πίεσης των καυσαερίων τη στιγμή που το έμβολο βρίσκεται στο ΑΝΣ, άρα σε υψηλές στροφές λειτουργίας ο σπινθήρας δημιουργείται όταν ακόμα το έμβολο ανεβαίνει ώστε μέχρι το ΑΝΣ να έχει σχηματιστεί η μέγιστη δυνατή πίεση των καυσαερίων. Το χρονικό αυτό διάστημα, απο τον σπινθήρα μέχρι το ΑΝΣ ονομάζεται μηχανισμός προπορείας σπινθήρα (Avance) και στα σύγχρονα αυτοκίνητα και μοτοσικλέτες ρυθμίζεται απο την ηλεκτρονική ανάφλεξη.

Αν η ηλεκτρονική ανάφλεξη είναι αρκετά εξελιγμένη και υπάρχει αισθητήρας προανάφλεξης τότε ο κινητήρας ακόμα και αν είναι ρυθμισμένος για βενζίνη 98 οκτανίων μπορεί να λειτουργήσει και με υποδεέστερο καύσιμο. Στην προκειμένη περίπτωση ο σπινθήρας και η ανάφλεξη δημιουργούνται νωρίτερα από το ιδανικό χρονικό σημείο κατά την άνοδο του εμβόλου . Αυτό μπορεί να μειώνει την απόδοση του κινητήρα αλλά δεν αφήνει το καύσιμο μίγμα να συμπιεστεί πέραν της αντοχής του και αποτρέπονται τα φαινόμενα κρουστικής ανάφλεξης. Οι σύγχρονοι κινητήρες μπορούν να αντέξουν διακυμάνσεις στην ποιότητα του καυσίμου ως προς την αντοχή του σε προανάφλεξη και ως ένα βαθμό να εκμεταλλευτούν καύσιμο περισσότερων οκτανίων από αυτό που δίνει ο κατασκευαστής.

Στην πράξη όμως οι δυνατότητες των συστημάτων ανάφλεξης είναι σχετικά περιορισμένες, σε αυτοκίνητα έμμεσου ψεκασμού οι διαφορές από χρήση βενζίνης υψηλών οκτανίων είναι ελάχιστες και συνήθως μη ανιχνεύσιμες. Στις μοτοσικλέτες που συνήθως έχουν μεγαλύτερη γεωμετρική σχέση συμπίεσης αλλά και πολύστροφους κινητήρες οι διαφορές ίσως είναι μεγαλύτερες αλλά και πάλι είναι μικρές.

Θα μπορούσαμε να ρυθμίσουμε έναν κινητήρα να δουλεύει με βενζίνες υψηλών οκτανίων αλλά τότε θα τον περιορίζαμε στο συγκεκριμένο καύσιμο και ίσως να είχε πρόβλημα να λειτουργήσει σωστά με βενζίνη 95 οκτανίων (απλή αμόλυβδη).

Οι κινητήρες με άμεσο ψεκασμό βενζίνης εκτός από την εξελιγμένη ηλεκτρονική διαχείριση της ανάφλεξης χρησιμοποιούν και προέγχυση καυσίμου, ψεκασμό πολλαπλών φάσεων και στρωματική καύση οπότε μπορούν να εκμεταλλευτούν ενα καλύτερο καύσιμο ενώ έχουν και την ευελιξία ωστε να δουλεύουν απροβλημάτιστα και με απλή αμόλυβδη. Οι δυναμομετρήσεις τέτοιων κινητήρων δείχνουν πως υπάρχει πολύ μεγαλύτερη βελτίωση από την χρήση βενζίνης υψηλών οκτανίων σε σχέση με τούς συμβατικούς κινητήρες.

χρώμα βενζίνης από διαφορετικα διυλιστήρια

Η βενζίνη που παίρνουμε από την πυρόλυση είναι καλύτερης ποιότητας από τη βενζίνη που παίρνουμε με κλασματική απόσταξη του αργού πετρελαίου. Με ανάμειξη των δυο αυτών ειδών βενζίνης παίρνουμε τη βενζίνη που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή.

Η ποιότητα της βενζίνης καθορίζεται από τη συμπεριφορά της κατά την καύση σε πρότυπο βενζινοκινητήρα. Μετριέται δε με ένα δείκτη που ονομάζεται αριθμός οκτανίου. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός οκτανίου μιας βενζίνης, τόσο καλύτερης ποιότητας είναι. Οι υδρογονάνθρακες με ευθύγραμμη αλυσίδα έχουν μικρό αριθμό οκτανίων. Αντίθετα οι υδρογονάνθρακες με πολλές διακλαδώσεις έχουν μεγάλο αριθμό οκτανίων.

Αριθμός οκτανίου υδρογονανθράκων

Ο αριθμός οκτανίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μοριακή δομή μιας χημικής ένωσης. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι αριθμοί οκτανίου κινητήρα (ΜΟΝ) διαφόρων υδρογονανθράκων: