Tüzelőanyagok: A benzin

A benzin és a gázolaj a két legismertebb, legjobban elterjedt tüzelőanyag. A jelenlegi járműállomány döntő hányada ezt a két kőolajipari terméket használja motorhajtó energiaforrásként. Az utóbbi időben egyre többet hallani különféle fantázianevekkel ellátott emelt oktánszámú tüzelőanyagokról. Ez az írás megpróbálja tisztázni a benzinnel kapcsolatos követelményeket, a benzin előállítását, a főbb összetevőket, az oktánszámot;  ezek segítségével talán sikerül világossá tenni miért érdemes - vagy éppen miért nem - növelt oktánszámú tüzelőanyagot tankolni.

A benzin előállítása

Motorbenzinként atmoszférikus lepárlással közvetlenül előállított benzinek és más forrásponthatárú szénhidrogénekből nyert egyéb frakciók keverékét használják, melyet a gyártás során különféle vegyületekkel adalékolnak.

A nyers kőolaj felszínrehozatala történhet elsődleges eljárással - ekkor az olajat saját nyomása juttatja felszínre -, illetve másodlagos, harmadlagos eljárással. Ebben az esetben segédanyagok bepréselésével segítik az olaj feljutását. A harmadlagosra az olajmező merülésekor vagy az olajhozam növelésekor van szükség.
A kitermelt olajat elő kell készíteni a feldolgozásra: só- és vízmentesítik, majd leválasztják a kis szénatomszámú szénhidrogéneket. A feldolgozás első lépésében a kőolajat atmoszférikus nyomáson desztillálják, lepárolják, mely eljárás során a nyersanyagot felmelegítik és frakciókra bontják. A melegítés folyamán olyan hőmérsékletre hevítik, melyen az olajban lévő szénhidrogének hőbomlása még nem kezdődik meg. A folyékony és gőz halmazállapotú alkotók a desztilláló torony elgőzölögtető terében válnak szét. A legkisebb forráspontú összetevők gőzhalmazállapotúként távoznak a desztillálótorony tetején. A magasabb forráspontú komponensek fokozatosan cseppfolyósodnak, a torony oldalán lévő csapolókon át egyre növekvő forrásponthatárú nyersanyagok vételezhetőek. Az alábbi hőfokokon az alábbi termékek nyerhetőek ki:

Az atmoszférikus lepárlással előállított benzin közvetlenül nem használható Otto motor hajtására, kísérleti oktánszáma alacsony. Ezért az így előállított alapbenzinhez  - a benzin tulajdonságának javítására - jó oktánszámú benzint kevernek, majd a már említett adalékolás következik. A normálbenzin (ólmozatlan, oktánszáma legalább ROZ 91) tulajdonságait az EN 228 szabvány rögzíti.

Miért kell adalékolni?

Adalékolással a benzin tulajdonságai megváltoztathatók, a kívánt követelményekhez igazíthatók.  A tüzelőanyag közel 200 féle különféle szerkezetű szénhidrogén molekulák összessége. Ezeknek a molekuláknak a szerkezete, nagysága döntő mértékben meghatározza az energiahordozó tulajdonságait. Például: a zártláncú szénhidrogének kopogástűrőbbek, mint a nyílt láncúak, a telítetteknek szintén hasonló tulajdonságuk van a telítetlenekkel szemben, akárcsak az oldalláncúaknak az egyenesláncúakkal szemben. Azaz, ha megfelelően keverik az egyes összetevőket, akkor kopogástűrőbb tüzelőanyagot képesek előállítani az olajfinomítók.

A legfontosabb követelmények a tüzelőanyagokkal szemben

Motor működési igényének megfelelő legyen, vagyis:

• Összetétele
• Illékonysága, párolgáshője
• Sűrűsége, viszkozitása, stabilitása
• Fűtőértéke, égéshője
• Gyulladási hőmérséklete
• Oktánszáma
• Elméleti levegőszükséglete

teljesítse az előre meghatározott kívánalmakat.

Ezeken felül - a motor működése szempontjából lényegtelen - igények is vannak a tüzelőanyaggal szemben:

• Gazdaságossági igények (előállítás költsége, hatásfoka)
• Komfort igények (szállítás, infrastruktúra)
• Környezetvédelmi igények (szennyezőanyagok, adalékolás stb.)

A legfontosabb tulajdonságokról részletesebben

A legismertebb tulajdonság: az oktánszám

A tüzelőanyag kompressziótűrésének legfőbb mutatója az oktánszám (OZ). A benzin oktánszámának nevezzük az etalon- (normál-heptán-izooktán) keverékben levő izooktán-térfogatszázalékot, amely keverék kompressziótűrése szabványos körülmények között megegyezik a vizsgált tüzelőanyagéval. A tiszta izooktán (2,2,4-trimetil-pentán) oktánszáma 100, a tiszta normál-heptáné 0. Például: a kutakon kapható 95-ös oktánszámú benzin kompressziótűrése olyan normál-heptán és izooktán keverék kompressziótűrésével egyezik meg, amely keverékben 95 tf% az izooktán térfogatszázaléka.
A kompressziótűrés, kopogási hajlam nem csak a tüzelőanyagtól függ, hanem az égéstér kialakításától, a beszívott levegő nyomásától, hőmérsékletétől, nedvességtartalmától, a tüzelőanyag-levegő keverék minőségétől, hőmérsékletétől, a gyújtás jellemzőitől és a motor üzemétől.

Az oktánszám meghatározására több vizsgálati módszert is kidolgoztak: kísérleti (research) módszert,  motormódszert,  szegénykeverékes (aviation) módszert,  dúskeverékes (supercharged) módszert és országúti módszert. Ezek a mérési körülményekben, a vizsgálati berendezésekben és az alkalmazott vizsgálati eljárásokban különböznek egymástól. A felsoroltak közül a kísérleti és a motormódszer a leggyakrabban alkalmazott. A hazai kutakon a kísérleti oktánszám kerül feltüntetésre.

A kísérleti oktánszám alacsony hőmérséklet, kis hőterhelés és kisebb fordulatszám esetén a városi forgalomban észlelhető kopogás szempontjából jellemzi jobban a benzint, míg a motoroktánszám a melegüzem melletti, egyenletes terhelésnél, az országúti forgalomnak megfelelő körülmények közötti kompressziótűrésről ad hűbb képet. A 2 vizsgálati módszer által kapott OZ értékek egymástól eltérnek:

Ahhoz, hogy motorunkból több teljesítményt tudjunk kinyerni 98 feletti oktánszámú tüzelőanyaggal, szükséges, hogy a motorvezérlő elektronika rendelkezzen megfelelő gyújtástérképpel, ami a jobb benzin (nagyobb kompressziótűrésű) miatt nagyobb előgyújtást enged meg, mint a 98-ashoz tartozó előgyújtás, ezáltal az erőforrás nagyobb teljesítmény leadására képes. Egyes drágább (sport)autók képesek érzékelni a benzin öngyulladási hajlamát, így az előbb említett ok miatt ilyen járművek esetében a növelt oktánszámú benzin hozhat plusz lóerőket. Egyéb esetekben legfeljebb a 98-assal egyenértékű teljesítményt tudjuk a motorból kicsiholni, feltéve, hogy a nevezett benzin eléri a 98-as kompressziótűrését, különben a kopogásszenzor jele alapján az ECU kisebb előgyújtást fog csak engedélyezni.

Fűtőérték:

A benzin energiatartalmát jellemzi. Beszélhetünk alsó és felső fűtőértékről. Az alsóban a víz gőz állapotban van jelen (mint a kipufogógáz esetén), míg a felső fűtőértéknél (égéshő) a gőz és az égéstermékek hőmérséklete a környezet és a tüzelőanyag hőmérsékletével azonos, vagyis az alsó fűtőérték és az égéshő a víz kondenzációs hőjében tér el egymástól. Minél nagyobb az értéke, elméletileg annál több teljesítményt (energiát) lehet az adott energiahordozóból kinyerni. A benzin égéshője 47,3 MJ/kg, (alsó) fűtőértéke 43 MJ/kg.   

Kéntartalom:

A kéntartalom csökkentésére évtizedek óta törekszenek a szakemberek. A S oxidjai az egyes alkatrészekre kiülnek, korrodáló hatásúak, továbbá jelentős környezetszennyező hatásuk is van. A tüzelőanyag kéntartalmát teljesen kiszűrni nehéz. Ezért csak a korszerű lepárlóüzemek készítenek alacsony kéntartalmú benzint (Százhalombatta például ilyen). Az alábbi táblázat a benzin maximálisan megengedett kéntartalmára vonatkozó előírásokat tartalmazza:

Illékonyság, párolgáshő:

A tüzelőanyag illékonyságát a 70 Celsius fokon elpárolgott benzin %-ával jellemzik. A mindennapi életben az illékonyabb benzin megkönnyíti a téli hidegindítást (főleg karburátoros motorok esetében). A belsőégésű motorok jellemzői (teljesítménye, gazdaságossága, kopása és élettartama) a tüzelőanyag elpárolgásának mértékétől nagymértékben függnek.
Fontos, hogy a tüzelőanyag rövid idő alatt teljesen vagy majdnem teljesen elpárologjon. A tüzelőanyag égési sebessége arányban áll a légviszonnyal. Ha túl dús a keverék, az égés terjeszkedési ütemben hosszabb lesz, így a motor gazdaságossága csökken. A láng terjedési sebessége csak a homogén gázállapotú keverékek esetében nagy. A légáram által a hengerbe szállított tüzelőanyag-szemcsék lecsapódnak a henger falára, az ott található olajfilmet lemossák, rontva a kenés hatásosságát, az olajteknőbe jutva hígítják a kenőolajat, és így csökkentik a kenőfelületekre jutó olaj kenőképességét. A tüzelőanyag-szemcsék az égéstérben kialakuló lerakódások forrásai, de legfontosabb okozói a hengerek dózis-egyenlőtlenségének is! 
A párolgási sebesség több tényezőtől függ: a keverékben található tüzelőanyag telített gőzének nyomásától, a tüzelőanyag parciális gőznyomásától, a keverék nyomásától (a légtorokban vagy a szívócsőben levő nyomás), a tüzelőanyag-részecskék párolgási felületétől. Minél nagyobb a telített gőz nyomása, annál könnyebben megy végbe a párolgás. A keverékben minél kisebb a tüzelőanyag parciális gőznyomása, párolgási sebessége annál nagyobb. Szegény keveréknél a tüzelőanyag párolgási sebessége nagyobb, mivel a tüzelőanyag parciális gőznyomása kisebb.
Ahogy a fentiekben már említésre került, a párolgás sebessége annál magasabb, minél nagyobb a tüzelőanyag és a levegő érintkezési felülete. A tüzelőanyag felületének több ezerszeresére való növelése a párolgási sebesség gyorsításának leghatásosabb módja. A felület növelése a tüzelőanyag fizikai, tulajdonságaitól (felületi feszültség és viszkozitás) és a levegő állapotjellemzőitől (sűrűség és sebesség) függ. A levegő sebességének növelése javítja a keverékképzést, növeli a párolgási sebességet mind a felület növelésével, mind a turbulens diffúzióval.

A benzin párolgáshőjén az egységnyi tömegű benzin elpárolgása során a környezetből elvont hő mennyiségét értjük. A párolgáshőnek a téli üzemmód során van nagy jelentősége. Nagy párolgáshő esetén a szívócső falára rakódott tüzelőanyagfilm jegesedést okozhat, ami nehézkes téli hidegindítást okozhat. Ugyanakkor a párolgáshő a henger hűtésére kedvezően felhasználható. A hazai kutakon kapható benzinek párolgáshője 380-500 kJ/kg között mozog.
Minél nagyobb a párolgási hő, annál kisebb a párolgási sebesség, mivel a párolgáshoz szükséges nagy hőmennyiség leadásakor a levegő hőmérséklete csökken. A párolgás fokozására és a friss töltet harmatpont alá való lehűlésének elkerülésére a leghatékonyabbnak a beszívott keverék előmelegítése bizonyult korábban. E megoldásnak nemcsak előnye, hanem hátránya is van, mivel a keverék előmelegítésekor csökken a henger töltöttségi foka, így a motor teljesítménye is.

Azt a hőmérsékletet, amelyen a telített gőz nyomása és a keverékekben a tüzelőanyag parciális gőznyomása egyenlő, harmatpontnak nevezik, mivel ez a legkisebb hőmérséklet, amelyen az anyag gőzállapotban lehet. E hőmérséklet alatt megkezdődik a gőz lecsapódása. Ha a keverék hőmérséklete nem csökken a harmatpont alá, kisebb mértékű a benzingőzök lecsapódása és így a motorkopás.

A keverék nyomása hatással van a párolgási fokra mind közvetlenül, mind közvetve a parciális gőznyomáson át. A nyomás a légtorokban és a pillangószelep mögött a legkisebb, ezért a legnagyobb párolgási sebességek ezekben a zónákban alakulnak ki. A keverék nyomásának csökkentése - a légtorok-depresszió növelése - csökkenti a harmatpontot.

Gőznyomás:

Benzin gőznyomásán a zárt tartályban lévő folyadék párolgása következtében a gőztér egységnyi felületén mérhető nyomást értik 38 oC-on. Ennek jelentősége a szállíthatóságban (tartályban lecsapatás) van. Az MSZ 19950-ben megszabott értéke nyáron 0,7 bar, télen 0,9 bar.

Gőzbuborék-képződés:

Mértékét térfogatszázalékkal szokták jellemezni. A buborékképződés lerontja vagy akár lehetetlenné teszi a tüzelőanyag szivattyúval történő szállítását, keverékképzési hibák keletkezhetnek miatta. Főleg a könnyű, illékony benzineknél fordul elő.

Stabilitás:

A stabilitás olefin tartalmú benzinnél okoz problémát. Az olefin oxigénnel érintkezve a befecskendező szelep eltömődéséhez vezethet (gyantásodás). Ennek elkerülése érdekében a benzinhez antioxidáns adalékot, illetve injektortisztító adalékokat kevernek, a számos egyéb adalék mellett (kenésjavító, harmatpontcsökkentő, detergens (tisztántartó, lerakódásgátló stb.)

A legfontosabb adalékról bővebben

Oktánszámnövelő adalékok:

Kopogásos égésnél a tüzelőanyag öngyulladása következik be, a lángfront terjedési sebessége nagyságrendekkel nagyobb a normál üzemi körülmény 20-25 m/s-os égési sebességéhez képest. Ez mind mechanikusan, mind termikusan jelentősen igénybeveszi az erőforrást, a jármű legnagyobb teljesítményét, hatásfokát, nyomatékát határolja.  A kopogásos égés kialakulása nagymértékben függ a tüzelőanyagtól, a tüzelőanyag összetételétől, oktánszámától, ami azt mutatja, hogy a kopogás javarészt vegyi eredetű. Korábban a megfelelő oktánszámot ólom-tetraetil adalékolásával biztosították, de az ólom emberi szervezetre gyakorolt mérgező hatása, valamint az ólomnak és vegyületeinek katalizátorkárosító hatása miatt használatát betiltották. További károsító hatása az volt, hogy a gyertyákon az ólom kiülését meggátolandó etil-bromid és etil-klorid adalékot használtak az ólom-tetraetilhez, ami reakcióba lépve az égéskor keletkező vízgőzzel, hidrogén-bromiddá és hidrogén-kloriddá alakult. Ezek a vegyületek aztán a hengerfalról a kenőolajba jutva a motor egyes részeiben korróziót okozhattak.  
Az ólom-tetraetil az égési reakcióban ellenkatalizátorként működik. Az ólomadalék előnyös tulajdonsága az oktánszánmövelés mellett a kenőképesség, a kenés szempontjából nehezen hozzáférhető helyeken pl: szelepülékek kenőanyagként szolgál. Ezért régi járművekben az ólommentes benzin használata miatt külön adalékot kell használni a szelepülékek megfelelő kenésére. Más oktánszámnövelő adalékok, mint például kobalt-, mangán-, vasvegyületek is léteznek, de ezek áruk vagy esetleges más hátrányos hatásuk miatt nem terjedtek el. Az ólomtartalom csökkentése az oktánszám csökkentése nélkül a finomítókra ró nehézségeket. A napjainkban használt ólmozatlan benzin ólomtartalma 0,01g/l. Manapság oktánszámnövelő adalékként általánosan metil-tercier-butil-étert (MTBE), etil-tercier-butil-étert (ETBE), izopropanolt és izobutanolt használnak.
Az oktánszám növelésére a másik lehetőség az instabil komponensek kiszűrése lehetne a finomítás során, ám ezzel az eljárással magasabb az aromás vegyületek aránya a benzinben, melyek egészségre ártalmasak.

Régebben a metanol tartalmú tüzelőanyag legfeljebb 3 tf%-nyi metanolt tartalmazhatott, viszont ebben az esetben tercier-butil-alkoholt is tartalmaznia kellett. A gondot az okozta, hogy a metanol a benzinben vízfelvevőként (is) funkcionál, így a felvett víz kicsapódhatott alacsonyabb hőmérsékleten, ami korrózió kialakulását eredményezhette. Valamint a metanol az elasztomer műanyagokat károsíthatta. Az etanoltartalmú benzinnek hasonló tulajdonsága van, ám az etanol csekélyebb mértékben károsítja a műanyag alkatrészeket. A mai korszerű járműmotoroknál a metanol koncentráció már elérheti a 15%-ot is, az elektronikus motormanagement képes ezt kezelni, illetve az üzemanyagellátó rendszer anyagainak helyes megválasztásával a korrózió kialakulása és a metanol műanyagkárosító hatása kiküszöbölhető, valamint ezeket a nem kívánt hatásokat speciális adalékolással tovább csökkentik.

A MTBE és ETBE alkalmazása a napjainkban kapható 98-as ROZ oktánszámú benzineknél megszokottnak tekinthető. Nemcsak oktánszámnövelő, hanem égésjavító adalékként is használják ezeket a vegyületeket.

Oxigenátok:

Az oxigenátokat égésjavító adalékként alkalmazzák. Segítségükkel csökkenteni lehet a benzin benzoltartalmát, mely kiemelten egészségkárosító hatású összetevője a tüzelőanyagnak. A leggyakrabban alkalmazott oxigenátok:

• etanol (etil-alkohol, C2H5OH): előállítása biológiai úton történhet, a természetben tisztán sosem fordul elő. Jó oxigenát, a metanollal ellentétben csekélyebb mértékben károsítja a műanyag alkatrészeket. Higroszkóp, így képes megkötni a levegő nedvességét, ami korróziót okozhat a tüzelőanyagrendszerben. ETBE komponensként (lásd következő pontot) jó oktánszámnövelő adalék. Alkalmazkodva az egységes európai úniós szabályozáshoz, hazánkban 2020. januárjától kezdődően a 95-ös oktánszámú benzin legfeljebb 10 tf%-nyi etanolt tartalmaz(hat) előírás szerint. A 98-as oktánszámú benzin etanol tartalmát a direktíva nem érinti, változatlanul 5 tf%-nyi lehet maximum.
  
  
• ETBE (etil-tercier-butil-éter): etanol és izobutilén 1:1 arányú keveréke. Oktánszáma magas (ROZ 111). Gőznyomása kiemelkedő, ami lehetővé teszi az olcsó, de nagy illékonyságú komponensek tüzelőanyagba keverését. Részaránya legfeljebb 12,7% lehet a benzinben.
  
  
• MTBE (metil-tercier-butil-éter): metanol és izobutilén reakcióterméke. Oktánszáma magas: ROZ 109-110. Fosszilis alapanyagból állítják elő kőolajfinomítókban. Részaránya legfeljebb 15% lehet a benzinben.
  
  
• TAEE (tercier-amil-etil-éter): etanol és izoamilén reakciókeveréke. Alacsony gőznyomása lehetővé teszi a kész benzin gőznyomásának csökkentését.
  
  
• TAME (tercier-amil-metil-éter): metanol és izoamilén reakciókeveréke. Alacsony gőznyomása lehetővé teszi a kész benzin gőznyomásának csökkentését.
  
  
• metanol (metil-alkohol, CH3OH): jó oxigenát, viszont csak 5%-ig adalékolható a benzinhez. Mérgező, korrozív tulajdonsága dominánsabb, mint az etanolé. Energiatartalma kisebb, mint a benziné. Előállítása történhet földgázból, szénből, fahulladékból, szerves kommunális hulladékból légmentes térben.

További fontosabb adalékok a benzinben:

• antioxidánsok
• korróziógátlók
• színezékek
• jegesedésgátlók
• lerakódásgátlók

Tüzelőanyagok jelölése

2018. október 12-től kezdve az Európai Unióban egységes üzemanyagcímkével kell ellátni a benzinkutak töltőoszlopait és töltőpisztolyait, illetőleg az új járműveket ennek megfelelően kell a gyártóknak felmatricázniuk. Minden tagországban egységes az üzemanyag-jelölő címke, de megmaradnak a benzinkutakon az üzemanyagok megszokott helyi jelölései is. Az alábbi ábra az egységes, törvényileg meghatározott jelöléseket mutatja:

1. ábra - Az új, egységes európai üzemanyag-jelölések - forrás: MTI

Az "E" az etanol rövidítése, az "E5" pedig azt jelzi, hogy az üzemanyag legfeljebb 5 térfogatszázalék etanolt tartalmaz, míg az "E10" jelzés a legfeljebb 10 tf% etanol összetevőre hívja fel a figyelmet. A dízelt a "B7" matrica mutatja, a "B" a bio-komponens tartalomra utal. A benzint a kör, a gázolajat a négyzet, a gáz halmazállapotú tüzelőanyagokat pedig a rombusz formájú matrica szimbolizálja.

Konklúzió

A benzin pontos összetétele (adalékolása) gyártónként más és más, szakmai titok. Egyvalamiben azonban megegyeznek: a finomítót minden esetben "készen" hagyják el, ahhoz bármiféle adalékot hozzáönteni felesleges. Egy kivétel van: a régi, ólmozott benzines futásra tervezett motorok ólomadalék-helyettesítő kiegészítője, ami a szelepülékek kenése miatt alkalmazandó. Az emelt oktánszámú benzinnek teljesítménynövelő hatása lehet, ha gépjárművűnk motorja képes alkalmazkodni a kopogástűrőbb tüzelőanyaghoz, képes a gyújtástérképet a magasabb oktánszámú benzinhez igazítani.

Észrevételed, javaslatod, kérdésed van a cikkel kapcsolatban? Ide kattintva megírhatod!

Felhasznált irodalom:

1, BME - Közlekedésmérnőki Kar - Gépjárműmotorok üzeme - Előadás vázlat

2, BME - Közlekedésmérnőki Kar - Gépjárműmotor I - Előadás vázlat

3, BME - Közlekedésmérnőki Kar - Műszaki kémia - Előadás vázlat

4, BME - Közlekedésmérnőki Kar - Gépjárműmotorok vizsgálata - Laboratóriumi segédlet

5, dr. Dezsényi - dr. Emőd - dr. Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Nemzeti Tankönyvkiadó

6, dr. Emőd - Tölgyesi - Zöldy: Alternatív járműhajtások, Maróti Kiadó

7, dr. Kalmár - dr. Stukovszky: Belsőégésű motorok folyamatai, Műegyetemi Kiadó