Rozwój technologii benzyn silnikowych uwarunkowany jest głównie względami ekologicznymi
i współczesnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi silników spalinowych.

Paliwa do silników o zapłonie iskrowym muszą charakteryzować się właściwościami użytkowymi, odpowiadającymi wysokim wymaganiom współczesnych wysilonych silników spalinowych, wyposażonych między innymi w wielopunktowe systemy wtrysku paliwa oraz katalityczne, wielofunkcyjne układy oczyszczania spalin.
Przemysł rafineryjny w kraju od kilkunastu lat intensywnie rozwija swoją bazę produkcyjną, pozwalającą sprostać wymaganiom jakości i ekologii obowiązującym w krajach Unii Europejskiej. Wyznacznikiem postępu w dziedzinie technologii benzyn silnikowych jest poprawa ich paramet-rów mających implikacje ekologiczne i równoległa poprawa parametrów wpływających na zwiększenie odczucia zadowolenia kierowcy, który zauważa, że pojazd po zatankowaniu danego paliwa lepiej się prowadzi i w dodatku zużywa mniej paliwa.

Wymagania techniczno-eksploatacyjne benzyn silnikowych
Zachodzącemu w ostatnim ćwierćwieczu intensywnemu rozwojowi silników spalinowych towarzyszy również podobny proces w zakresie paliw silnikowych. Wynika on oczywiście z faktu coraz większych wymagań stawianych jakości paliwa przez współczesne konstrukcje silnikowe, ale również z możliwości obniżenia toksyczności spalin dzięki odpowiedniemu komponowaniu paliw - benzyn silnikowych. Zatem podobnie jak ma to miejsce w przypadku silników, również rozwój paliw jest uwarunkowany głównie względami ekonomicznymi. Skład oraz parametry fizykochemiczne paliwa mają obok typu silnika i jego stanu technicznego decydujący wpływ na wielkość i skład emisji substancji toksycznych.
Wymagania techniczno-eksploatacyjne stawiane paliwom zależą głównie od konstrukcji silnika i sposobu jego pracy w różnych warunkach eksploatacyjnych. Dobierając paliwo do silnika o zapłonie iskrowym (ZI) należy oprzeć się o wymagania jakościowe, definiowane przez normę europejską EN-228. W tablicy 1 przedstawiono przykładowo wymagania techniczne dla nowoczesnych benzyn silnikowych o liczbie oktanowej 95 na lata 2000¸2005 opracowane przez Komisję Europejską. Stosowanie niewłaściwego paliwa spowodować może nadmierne jego zużycie, obniżenie własności dynamicznych pojazdu i skrócenie żywotności silnika.
W przeszłości silniki spalinowe optymalizowane były pod kątem możliwości uzyskania wysokich osiągów, natomiast w nowoczesnych silnikach samochodowych zwraca się coraz to większą uwagę na potrzebę precyzji w dostrajaniu układów zasilania i zapłonu (skomplikowane urządzenia elektroniczne) w różnych warunkach eksploatacji przy uwzględnieniu zmiennych obciążeń cieplnych i mechanicznych.
Aktualnie priorytetem jest możliwie niska uciążliwość silnika spalinowego dla środowiska naturalnego, objawiająca się przede wszystkim w jak najmniejszej emisji substancji toksycznych oraz zmniejszonym zużyciem paliwa (redukcja emisji CO2).
Generalnie w rozwoju współczesnych paliw benzynowych, przeznaczonych do zasilania silników spalinowych o ZI można wyszczególnić główne kierunki działań:
- wyeliminowanie związków ołowiu (benzyny bezołowiowe);
- obniżenie zawartości siarki;
- obniżenie prężności par;
- obniżenie temperatury oddestylowania 90% benzyny;
- obniżenie zawartości węglowodorów aromatycznych, w tym ograniczenie zawartości benzenu;
- wprowadzenie do benzyn wielozadaniowych dodatków;
- wprowadzenie komponentów tlenowych.
Ważnym zagadnieniem w sferze wymagań techniczno-eksploatacyjnych jest również oddziaływanie benzyn zawierających komponenty tlenowe na materiały gumowe (rozwarstwianie gumy) oraz na elementy wykonane z tworzyw sztucznych (poliamidy, poliestry itp.) stosowanych w przemyśle samochodowym.

Postęp w technologii produkcji benzyn silnikowych
Jednym z pierwszych etapów postępu w zakresie technologii produkcji benzyn silnikowych w kraju było wyeliminowanie antydetonatorów ołowiowych i zaniechanie produkcji benzyn etylizowanych. Kolejny krok podjęty na rzecz motoryzacji i ekologii to wprowadzenie na rynek benzyny bezołowiowej. Ostrzejsze przepisy w zakresie emisji wymusiły wprowadzenie katalitycznych konwerterów spalin. Spowodowało to konieczność używania benzyny bezołowiowej, ponieważ stosowane katalizatory są przez związki ołowiu “zatruwane” tzn. nieodwracalnie uszkadzane, co prowadzi do obniżenia ich sprawności, a w następstwie do zwiększonej emisji składników gazów spalinowych. Dalsze działania wiążą się z użyciem związków tlenowych jako komponentów benzyny, wpływających bezpośrednio na zmniejszenie emisji tlenków węgla (CO) i węglowodorów (HC) w spalinach silnika. Bogate w tlen komponenty benzyn jak alkohole
i estry poprawiają tworzenie się mieszanki palnej i jej spalanie w silniku, często rekompensują spadek liczby oktanowej wywołany zaprzestaniem stosowania dodatków przeciwstukowych lub obniżenia zawartości wysokooktanowych węglowodorów aromatycznych.
Najbardziej popularnym komponentem nowoczesnych benzyn silnikowych stał się eter MTBE, który charakteryzuje się wysoką wartością indeksu oktanowego, niską prężnością par oraz niską temperaturą wrzenia. Ponadto pełni funkcję stabilizatora zapobiegającego zjawisku “wytrącania” się wody w benzynach zawierających etanol, oraz w sposób radykalny obniża poziom skażenia środowiska. Zastosowanie MTBE w benzynie silnikowej reformułowanej (Cleaner Burning Gasoline lub CBG) w stanie Kalifornia spowodowało obniżenie zanieczyszczenia powietrza w wymiarze równoważnym wycofaniu z ruchu na drogach kalifornijskich ok. 4 mln samochodów.
Z uwagi na właściwości rakotwórcze MTBE (eter metylo-tert-butylowy) jego udział na rynku amerykańskim uległ znacznemu ograniczeniu. W krajowym przemyśle rafineryjnym zastosowanie praktyczne znalazły jeszcze inne komponenty tlenowe charakteryzujące się wysokim wskaźnikiem oktanowym, pomimo że posiadają gorsze właściwości energetyczne jak: metanol, etanol, TBA (trzeciorzędowy alkohol butylowy), ETBE (eter etylo-tert-butylowy), TAME (eter metylo-tert-emylowy) itp.
Wprowadzenie wysokooktanowych komponentów tlenowych oraz całego szeregu dodatków uszlachetniających do benzyn spowodowało, że współczesne paliwa stały się mniej kłopotliwe w eksploatacji i szkodliwe dla środowiska. Należy również nie zapominać, że ich obecność w benzynie stała się głównym źródłem zanieczyszczeń silnika osadami.
Pojawienie się na rynku nowej generacji silników o zapłonie iskrowym wyposażonych w wielopunktowy wtrysk paliwa i trójfunkcyjny katalizator (rys. 1) postawiło przed benzynami nowe wyzwania.
Dla zapewnienia optymalnych warunków pracy silnika konieczne stało się wprowadzenie na rynek benzyn uszlachetnionych pakietem dodatków, gwarantujących prawidłowy przebieg spalania, niższe zużycie paliwa i niższą emisję spalin oraz zachować układ dolotowy i komorę spalania silnika w stanie czystym (udział dodatku detergentowego). Obecność osadów w silnikach stała się przedmiotem szczególnego zainteresowania producentów paliw i konstruktorów silników spalinowych. Stąd też osady stały się istotnym parametrem jakościowym paliw, mimo że nie są oceniane w oficjalnych specyfikacjach benzyn silnikowych. Spośród różnego rodzaju pochodzenia paliw najmniejszą odpornością chemiczną odznaczają się benzyny otrzymywane przez rozkład termiczny ciężkich węglowodorów (krakowanie termiczne). Większą odpornością wykazują benzyny z destylacji ropy naftowej i procesu krakowania katalitycznego, zaś najlepsze to izoparafiny (parafiny o rozgałęzionych łańcuchach), nafteny oraz olefiny. Intensywność ich narastania zależy od zawartości w paliwie węglowodorów nienasyconych
i aromatycznych. Mechanizm powstawania zanieczyszczeń w silniku ulega ciągłym zmianom wraz z rozwojem technologii paliw, konstrukcji silników, stanu technicznego oraz warunków pracy, w tym prędkości obrotowej i obciążenia - fot. 1. Paliwa bogate w węgiel są trudniejsze do spalania i sprzyjają nadmiernemu wytrącaniu się osadów w silniku.
Obecność osadów, które są przyczyną szeregu problemów eksploatacyjnych należy rozpatrywać w układzie: silnik-paliwo-olej smarujący. Powstałe osady na zaworach dolotowych silnika (fot. 2) zaburzają przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej, mieszanka nie spala się całkowicie, zawory nie zamykają szczelnie komory spalania, stanowią izolację termiczną, wzrasta temperatura i pogarszają się warunki chłodzenia, co sprzyja zjawisku spalania detonacyjnego lub przedwczesnego zapłonu.
Wpływają na pogorszenie procesu spalania w komorze, a tym samym zmieniają parametry pracy silnika (obniżenie mocy, zwiększenie emisji spalin zwłaszcza węglowodorów i tlenków węgla oraz zużycia paliwa). Ważnym zagadnieniem z punktu widzenia eksploatacji silników było wprowadzenie do benzyn bezołowiowych specjalnych dodatków jako zamienników związku ołowiu stosowanych w benzynach etylizowanych, których zadaniem jest ochrona gniazd zaworów wydechowych w silnikach starej generacji, wykonanych wg wcześniejszych rozwiązań konstrukcyjnych.

Ocena eksploatacyjna benzyn silnikowych
Efektywność pracy nowoczesnych silników spalinowych o zapłonie iskrowym, jak nigdy przedtem, uzależniona jest w znaczący sposób od jakości stosowanych benzyn silnikowych. O ich właściwościach użytkowych decydują takie parametry jak: liczba oktanowa, skład frakcyjny, prężność par, wartość opałowa, temperatura zapłonu i samozapłonu, lepkość, zawartość węglowodorów aromatycznych, olefin, zawartość siarki itp.
a) liczba oktanowa jest najważniejszym parametrem opisującym zachowanie się benzyn podczas spalania mieszanką, czyli zdolności paliwa do spalania bezstukowego. Właściwość ta decyduje o możliwości zastosowania benzyny do silników o różnym stopniu sprężania i odmiennych charakterystykach konstrukcyjnych, rzutujących na proces zapłonu i spalania benzyny. W zależności od warunków pracy silnika tj. różnych prędkości obrotowych i obciążeń cieplnych, odporność paliwa na spalanie detonacyjne jest różna. Ponadto płynność prowadzenia pojazdu w zmieniających się warunkach pracy silnika wymaga, aby czułość benzyny nie przekraczała 10 jednostek. Stosowanie benzyny o niedostatecznej odporności na spalanie detonacyjne danego typu silnika prowadzi do bardzo niekorzystnych skutków, do których zalicza się:
- zwiększone jednostkowe zużycie paliwa;
- zmniejszenie efektywnej mocy silnika;
- podwyższenie temperatury pracy silnika;
- nierównomierna praca silnika;
- przyspieszone zużycie, a nawet zniszczenie niektórych części silnika;
- zwiększenie emisji substancji szkod-liwych w spalinach.
b) skład frakcyjny paliwa jest bardzo ważnym wskaźnikiem jego wartości eksploatacyjnej. Na podstawie składu frakcyjnego benzyny można określić lotność paliwa, z którą spotykają się kierowcy w czasie eksploatacji samochodu (szarpanie, nierównomierna praca silnika), szczególnie podczas zimnych rozruchów lub rozpędzania samochodu. Ponadto parametr ten rzutuje na zużycie paliwa w silniku i pozwala przewidzieć szybkość zużywania się jego części. Przekroczenie limitowanej wartości temperaturowego parametru składu frakcyjnego paliwa zdefiniowanego temperaturą końca destylacji (TKD) zwiększa jego skłonność do tworzenia osadów w silniku, a to z kolei przyczynia się do zwiększenia emisji spalin. Cecha ta jest istotna dla nowej generacji silników benzynowych z bezpośrednim wtryskiem paliwa, ponieważ proces tworzenia mieszanki palnej, przy uwarstwieniu ładunku jest w dużym stopniu uzależniony od tej właściwości paliwa;
c) prężność par odgrywa istotną rolę, zwłaszcza w okresie letnim, toteż musi być poddawana ciągłej kontroli. Zbyt wysoka prężność par powoduje wzrost emisji węglowodorów w wyniku parowania, jak również podczas tankowania paliwa oraz tworzenie korków parowych powodujących przerwy w pracy silnika. W samochodach wyposażonych w pochłaniacze oparów zachodzi możliwość “przeciążenia” adsorbentu oparów i wyłączenie jego działania;
d) wartość opałowa ma zasadnicze znaczenie dla ekonomicznej pracy silnika; im wyższa jest jego wartość, tym mniejsze zużycie paliwa na kilometr przebiegu samochodu;
e) temperatura zapłonu i samozapłonu jest istotną właściwością benzyn silnikowych, świadczącą o przydatności węglowodorów jako paliw silnikowych. Temperatura samozapłonu zależy od składu chemicznego związków wchodzących w skład paliw i w niewielkim stopniu od temperatury zapłonu.
Z uwagi na konieczność wyeliminowania skłonności benzyn do spalania stukowego powinny charakteryzować się dużą odpornością do samozapłonu;
f) zawartość węglowodorów aromatycznych wpływa na wzrost masy osadów w komorze spalania, co z kolei zwiększa zapotrzebowanie oktanowe
i emisję HC i NOX. Ze wzrostem zawartości węglowodorów aromatycznych wzrasta zawartość benzenu w gazach spalinowych, związku o działaniu rakotwórczym;
g) zawartość olefin, szczególnie lekkich przyczynia się do wzrostu reaktywności fotochemicznej ga zów emitowanych podczas eksploatacji pojazdu, co owocuje wzrostem stężenia ozonu w dużych aglomeracjach miejskich;
h) zawartość siarki w benzynie i jej związki stanowią największe zagrożenie korozyjne dla silnika. Parametr ten wpływa bezpośrednio na wzrost zużycia paliwa w silnikach o bezpośrednim wtrysku (GDI). Jej obecność zmniejsza efektywność działania i trwałość katalizatora. Obniżenie jej zawartości wpływa pozytywnie na wielkość emisji substancji toksycznych, a wpływ ten rośnie ze wzrostem zaawansowania technologicznego pojazdu.
Obserwowane w ostatnich latach zmiany w technologii wytwarzania benzyn silnikowych mają swoje źródło w rosnących wymaganiach związanych z koniecznością ochrony środowiska oraz zwiększenia efektywności pracy nowoczesnych silników spalinowych, jak również w kierunku rozwoju produkcji i zastosowania dodatków uszlachetniających. Wyeliminowanie toksycznych związków ołowiu z benzyn silnikowych było praktycznie największym dokonaniem zrealizowanym przez przemysł rafineryjny w ostatnich latach XX wieku, co wpłynęło w istotny sposób na zmniejszenie szkodliwego oddziaływania motoryzacji na całe środowisko naturalne. Ze względów ekologicznych preferowane są benzyny o możliwie dużym stosunku H:C. Kolejny krok w zakresie poprawy jakości benzyn silnikowych to wprowadzenie komponentów tlenowych, czyli paliw reformułowanych.
Bieżące prognozy dotyczące jakości benzyn silnikowych zmierzają w kierunku paliw syntetycznych.

dr inż. Janusz Jakóbiec
Instytut Technologii Nafty - Kraków