Chemie v automobilu II (paliva, maziva a kapaliny) Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Mgr. Hana Bednaříková. Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz; ISSN 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozuje Národní ústav pro vzdělávání, školské a poradenské zařízení a zařízení pro další vzdělávání pedagogických pracovníků (NÚV).
17 PALIVA, MAZIVA A KAPALINY PALIVA Palivo je látka (organického nebo neorganického původu), jejímž spálením, tj. prudkou oxidací se vyvine teplo. Paliva mohou být tuhá, kapalná nebo plynná. Tuhá paliva např. uhelný prach, dřevo atd. jejich spalování není v běžných motorech pro vozidla dosud uspokojivě vyřešeno. Plynná paliva např. směs propanu a butanu, svítiplyn, methan, generátorový plyn se využívají pro spalování ve vozidlových motorech, hlavně jako náhradní paliva při nedostatku kapalných paliv. Kapalná paliva např. ropa a její deriváty, kamenouhelný dehet a jeho destiláty, hnědouhelný dehet a jeho destiláty, methylalkohol, ethylalkohol jsou nejpoužívanějšími druhy paliv pro vozidlové motory. Paliva pro zážehové motory Nejpoužívanějšími druhy jsou i dnes, kdy vzhledem k ceně paliva a ochraně životního prostředí se hledají nové typy paliv, benzíny vyrobené z ropy. Použití jiných druhů paliv je omezeno hlavně tím, že benzín má pro tento účel mimořádně vhodné vlastnosti, umožňuje snadnou manipulaci a je prozatím dostupný v potřebném množství. Benzíny pro zážehové motory musí splňovat následující požadavky: k zajištění spouštění motoru i za nepříznivých klimatických podmínek je nutné, aby se benzín dobře odpařoval i za nízkých teplot. Odpařování má vzrůstat se stoupající teplotou motoru a sací soustavy; nemají obsahovat těžší frakem podíly, které by působily ředění oleje a zvyšovaly škodlivost výfukových plynů. Zároveň nesmí působit korozívně na motor a nesmí obsahovat některé příměsi jako např. pryskyřice, které by způsobovaly zanášení karburátoru, sacího potrubí a ventilů; síru, jež působí korozi a společně s dalšími produkty hoření zhoršuje čistotu ovzduší; musí být dokonale stabilní, aby snesly dlouhé skladování beze změn jejich vlastností; musí mít žádoucí spalovací vlastnosti, aby se omezily všechny druhy nepravidelného hoření ve spalovacím prostoru. Kvalita benzínu se posuzuje podle mnoha hledisek, jedním z nich, jenž je v praxi nejobvyklejší, je tedy oktanové číslo. Čím vyšší je oktanové číslo, tím je palivo odolnější vůči detonačnímu spalování. Oktanové číslo míra odolnosti paliv v zážehovém spalovacím motoru proti detonačnímu spalování (klepání). Odpovídá objemové koncentraci (v %) izooktanu (2,2,4 trimethylpentanu) v takové jeho směsi s n-heptanem, která se chová při spalování ve zkušebním motoru stejně jako zkoumaný vzorek paliva. Srovnávací směs izooktanu a n-heptanu, která určuje oktanové číslo paliva, má stejnou odolnost proti detonačnímu spalování jako vzorek paliva. Izooktan má odolnost smluvně vyjádřenou číslem 100 a n-heptan číslem 0. Na vznik detonačního spalování klepání má vliv u daného paliva také tvar spalovacího prostoru, způsob zapalování (počet svíček, jejich umístění) apod. Odolnost proti detonačnímu spalování paliv se zvyšuje přísadami tzv. antidetonátory. V současné době je v ČR v prodeji široký sortiment automobilových benzinů jak s přísadami olova (BA- 91, BA 96), tak bezolovnatých (UNI benzin 91, UNI benzin 95, NATURAL 95 a SUPER PLUS 98). Automobilové benzíny jsou směsi kapalných uhlovodíků, jejichž teplota varu je v rozmezí 30 až 210 C. Obsahují inhibitor (tj. látku zpomalující probíhající reakci oxidace), alkyly olova pro zvýšení oktanových čísel a barvivo; mohou obsahovat až 10 obj. % methylterciárbutyléteru (MTBE), dále přísady proti zanášení karburátoru a sacího potrubí, popř. přísady zabraňující zamrzání karburátoru. Paliva pro vznětové motory Pro svoji výhodnou ekonomii provozu jsou vznětové motory výhradní pohonnou jednotkou nákladních vozidel, lokomotiv, lodí, zemních a zemědělských strojů. Nároky na vlastnosti paliva se u vznětového motoru liší zejména podle velikosti motoru, otáček a jeho určení. Proto pojem paliva pro vznětové motory je značně široký a zahrnuje v sobě ropné výrobky od nízkoviskózních destilátů (motorová nafta), přes středněviskózní destiláty určené pro lokomotivní a lodní motory, až po těžká zbytková paliva námořních lodí.
V silniční dopravě se pro motory používá jako palivo frakce ropy vroucí přibližně v rozmezí 150 až 360 C. Z motorové nafty se ani za nejvyšších letních teplot neodpařuje tolik par, aby byly schopny zapálení. Proto také patří vznětové motory k výhradnímu pohonu v zemědělství, protože vzniká mnohem menší nebezpečí požáru při manipulaci s palivem. Teplota, při které vznikající páry vzplanou a opět zhasnou, se označuje jako bod vzplanutí. Ten je určen u zimního druhu nafty nejméně 40 C, u letního druhu nafty na nejméně 45 C. Motorové nafty jsou při teplotě +20 C kapaliny nepatrně zakalené, méně nebo více zabarvené, a to podle použitých surovin a technologických postupů. Při skladování na slunci se z nich vylučuje kal. Nafta zakoupená v letním období se nemá uchovávat na zimu! Motorové nafty jsou směsi kapalných uhlovodíků vroucích v rozmezí přibližně 150 až 360 C. Obsah lehkých podílů, tj. začátek destilace, je dán požadavkem na bod vzplanutí; obsah těžkých podílů je dán předepsaným minimálním množstvím destilátu do 360 C, aby nafta neměla sklon ke znečišťování vnitřních částí motoru a ke zvyšování kouřivosti motoru. Motorová nafta může obsahovat přísadu, zlepšující její filtrovatelnost za nízkých teplot. Motorová nafta NM-4 je letní druh, dodávaný v období od 1. 4. do 31. 10. Dodávky v železničních cisternových vozech z výrobních závodů jsou v období od 1. 3. do 30. 9. Motorová nafta NM-35 je určena pro zvláštní účely. Pohotovostní zásoby, o nichž není jisto, ve kterém období budou použity, je nutno tvořit a doplňovat v období, kdy se dodává NM-22. MAZACÍ OLEJE Na motorové oleje určené k mazání spalovacích motorů jsou kladeny vysoké požadavky. Nejde jen o vlastní mazání, olej musí zajistit ještě řadu dalších požadavků motorů, jak zážehových tak vznětových, které mají na jeho vlastnosti i protichůdné nároky: mazání součástí s kluzným třením (ložiska, písty s kroužky, pístní čep, vačky, zdvihátka ventilů, ozubená kola); chlazení motoru sdílením tepla (přenosem) z míst s vysokou teplotou na místa, kde se předá vzduchu (vana motoru, chladič oleje); dotěsnění pístu, aby pronikání plynů ze spalovacího prostoru bylo co nejmenší; spalování má proběhnout s co nejmenším pevným zbytkem; ochranu proti korozi; nízké opotřebení částí motoru; malé ztráty odpařením; malou tvorbu pěny; čistotu válců; co nejdelší výměnné lhůty. Z toho je zřejmé, že ne každý olej vyhovuje veškerým požadavkům, a proto byl zaveden určitý systém klasifikace, charakterizující motorové oleje podle jejich základních vlastností. V roce 1911 vyvinula americká instituce Society of Automotive Engineers SAE první viskozitní klasifikaci automobilových olejů, která je platná dodnes. Automobilové oleje se podle SAE rozlišují podle viskozity při určité teplotě na oleje tzv. zimní třídy a letní třídy. Zimní oleje se označují písmenem W. Olej viskozitní třídy SAE 5W je tedy nejřidší, olejové čerpadlo motoru ho spolehlivě nasaje i při teplotě 30 C, olej SAE 10W jen při teplotě 25 C atd. Letní oleje jsou na základě viskozity rozděleny do 4 tříd, za základ je vzata viskozita při 100 C. Olej dle SAE 50 je tedy nejhustší. Ve 40. letech zpracoval americký petrolejářský institut American Petroleum Institute - API klasifikaci motorových olejů, která je používána celosvětově jako měřítko kvality olejů. Oleje pro zážehové motory jsou zařazeny do tzv. servisní44 třídy, charakterizované písmenem S. Další písmena, která se připojují (A až H) označují kvalitu a vhodnost použití daného oleje. Oleje pro vznětové motory jsou zařazeny do tzv. komerční44 třídy, charakterizované písmenem C. Další značení je obdobné jako u servisní třídy, jen další písmena jsou A až E. Klasifikační systém API je otevřený, lze tedy rozšiřovat klasifikační třídy o další písmena podle nastalé
potřeby. Klasifikace API je vypracována hlavně na základě požadavků a nároků amerických motorů, které nemají tak vysoké nároky na kvalitu oleje jako výkonnější motory evropských automobilů. Americké motory měly a mají větší objemy válců, menší max. otáčky i kompresi oproti motorům evropským a na většině amerických silnic platí omezení max. V Evropě byla na základě požadavků sdružení evropských výrobců automobilů vypracována klasifikace olejů dle CCMC/ACEA. Tato klasifikace nabývá, zejména v Evropě, stále většího významu. Třídění olejů je následující: G1 G5 (Gasoline-benzin) pro oleje zážehových motorů Dl D5 (Diesel) pro oleje vznětových motorů PD1 PD2 (Personál Diesel) pro vznětové motory osobních automobilů Složení motorových olejů Původní motorové oleje byly vyráběny čistě minerální jako jednorozsahové (monograde), později doplněny vícerozsahovými (multigrade). U těchto olejů je rozhodující kvalita základního oleje, hlavně jeho viskozitní index. Při nízkých teplotách si musí olej zachovat dostatečnou tekutost při dobrých mazacích vlastnostech, naopak při vysokých teplotách nesmí být příliš řídký, aby neztratil mazací schopnost. Proto se přidávají do základního oleje některé příměsi pro zlepšení viskozitního indexu. Tím se olej stává více- rozsahovým, ale jen do určité hranice. Je-li olej na čistě minerální bázi nadměrně zatěžován tepelně i mechanicky, může dojít k jeho náhlému znehodnocení a olej se změní na jednorozsahový s omezenou mazací schopností. Pro běžné zážehové i vznětové motory samozřejmě vyhovuje a s určitou rezervou splňuje nároky standardních spalovacích motorů. Tyto oleje jsou také lacinější. Nevyžaduje-li motor olej vysoké kvality, stačí k jeho provozu kvalitní minerální olej, většinou viskozitní třídy SAE 15W-40. Výkonné motory pracující s vysokými otáčkami a výkony vyžadují použití tzv. lehkoběžných olejů polosyntetických nebo plně syntetických. Polosyntetické oleje se vyrábějí hydrokrakováním parafinu, který vzniká při zpracování ropy. Ten se v hydrokraku přetvoří na základní olej pro výrobu polosyntetických olejů. Jsou to vysoce kvalitní lehkoběžné oleje pro použití v zážehových i vznětových motorech osobních automobilů. I při vysokém namáhání a teplotě neztrácí mazací schopnost a svými vlastnostmi se blíží plně syntetickým olejům viskozitní třídy dle SAE 10W-40. Nejkvalitnějšími oleji jsou plně syntetické oleje. Výchozí surovinou je surový benzín, z kterého se zvláštním technologickým postupem získá olej vynikajících vlastností. Tyto oleje, označované rovněž jako lehkoběžné, zaručují dobrou startovatelnost motoru i za velmi nízkých teplot, ale stejně dobře snáší i vysoké teploty a namáhání. Jsou velmi stabilní, mají malou odparnost, jsou odolnější proti stárnutí a příznivě ovlivňují opotřebení motoru. Obsah fosforu a chloru je zredukován na nejnižší míru a jsou velmi vhodné pro použití v motorech s katalyzátorem. NEMRZNOUCÍ KAPALINY DO CHLADIČŮ AUTOMOBILŮ Nemrznoucí kapaliny jsou kapaliny většinou na etylenglykolové bázi vhodné pro otevřené i uzavřené chladicí systémy. Podle poměru ředění s vodou poskytují ochranu proti mrazu až do 40 C. Speciální aditiva zaručují ochranu proti korozi, nepoškozují pryžové díly chladicího systému a chrání proti dalším formám znečištění až po dobu 30 měsíců. BRZDOVÉ KAPALINY Brzdová kapalina červená č. I (Syntol) Je směs butylalkoholu a ricinového oleje obarvená sudanovou červení. Používá se pro plnění kapalinových brzd automobilů a podobných zařízení, převážně starších typů, kde její provozní teplota nepřesahuje 100 C a kde použití doporučuje výrobce vozidla nebo zařízení. Automobilová brzdová kapalina zelená Syntol HD 190 Je směs etherů glykolů s polyglykoly obarvená alizarinovou brilantní zelení s přídavkem speciálních inhibitorů. Používá se k plnění kapalinových brzd osobních a nákladních automobilů a podobných zařízení, pracujících při teplotách okolí od 50 do 60 C a provozní teplotě kapaliny od 50 do 190 C. Použití pro
jednotlivé druhy a typy vozidel určí jejich výrobce, který předepisuje i délku výměnného intervalu, zejména vzhledem k tomu, že kapalina pohlcuje vodu z ovzduší, čímž se snižuje její bod varu a horní hranice pracovní teploty. Automobilová brzdová kapalina žlutá Syntol HD 205 Je směs etherů glykolů s polyglykoly obarvená resinolovou žlutí, s přídavkem speciálních inhibitorů. Je určena pro hydraulické brzdové systémy s víčky a těsněním ze styrénbutadienové pryže, pracující při teplotách od 50 do 60 C a při provozní teplotě v rozmezí od 50 do 205 C. Kapalina odpovídá mezinárodním specifikacím ISO 4925, RS 1305-68 skupina B 47, SAJE J 1703 f, DOT 3, a proto je mísitelná s brzdovými kapalinami všech značek, které též odpovídají těmto specifikacím. Použití pro jednotlivé druhy a typy vozidel určí jejich výrobce, který předepisuje i délku výměnného intervalu, zejména vzhledem k tomu, že kapalina pohlcuje z ovzduší vodu, čímž se snižuje její bod varu a horní hranice provozní teploty. Kapalina není určena pro arktické podmínky. HLAVNÍ ZÁSADY PRO DODRŽOVÁNÍ HYGIENY PRÁCE S ROPNÝMI VÝROBKY Toxické účinky ropných výrobků Ropné produkty nebo výrobky jsou látky s charakteristickým biologickým účinkem na člověka; mohou dráždit, dále i poškodit pokožku a sliznice, některé z nich mohou při vdechování výparů nebo při požití způsobit i celkovou otravu. Benzíny mají akutní dráždivý účinek na sliznici (oči, dýchací a zažívací cesty). Vdechování par benzínu má narkotický účinek, který může vést až ke křečím. Životu nebezpečné jsou koncentrace kolem 40 mg/dm3 vdechované po dobu 5 až 10 min. Nejvýše přípustná koncentrace benzínových par v pracovním ovzduší je určena na 0,5 mg/dm3; nárazově může být tato koncentrace překročena, ale jen se souhlasem krajského hygienika. Motorové benzíny s obsahem tetraethylolova a benzíny technické nesmějí být zaměňovány. Benzíny s vyšším obsahem aromátů a olefínů jsou biologicky účinnější než benzíny s uhlovodíky nasycenými. Při chronickém působení mohou mít za následek obtíže žaludeční nebo i poruchy nervové soustavy; při přímém použití se projevuje místní dráždivý účinek, vyšší dávka může být i smrtelná. Na pokožku působí benzín škodlivě tím, že ji odmašťuje a činí náchylnou k tvorbě trhlinek. Delší nebo pravidelně se opakující styk vyvolává u některých lidí podráždění nebo i záněty pokožky, mohou vzniknout též vyrážky z přecitlivělosti. Petroleje a motorové nafty mají, pokud jde o místní účinek, intenzivnější účinky na horní cesty dýchací, než jsou uvedeny u benzínů. Přímé požití většího množství může být i smrtelné. Při přímém styku nerafinovaného petroleje nebo motorové nafty s pokožkou mohou vzniknout kožní onemocnění, zejména za přítomnosti aromatických a sirných sloučenin. U ně kterých osob může delší styk vyvolat chronickou přecitlivělost. Motorová nafta vyrobená katalytickým krakováním může obsahovat látky kancerogenní. Ropné oleje a ostatní ropné výrobky mohou stykem s pokožkou vyvolat onemocnění, z nichž nejčastější jsou celkové záněty, záněty vlasových váčků, trudovitost v důsledku mechanického ucpání a zánětu mazových žláz. Vlivem některých ropných olejů může dojít k zesílení rohové vrstvy kůže, k vyšší pigmentaci kůže, vzácněji k tvorbě bradavic a kožních polypů, výjimečně k tvorbě kožních nádorů. K těmto účinkům ještě přistupuje možnost bakteriálního ohrožení pokožky při použití infikovaných olejů nebo z nich připravených produktů, zvláště obráběcích emulzí; u emulzí je ještě nebezpečí mechanického narušení pokožky drobnými částečkami kovů nebo brusného prachu. Působení těkavých složek buď ve formě mlhy při rozprašování, nebo par při zahřívání je dosti neurčité. Mohou nastat záněty dýchacích cest, poruchy nervové a kardiovaskulární. Účinky jsou vcelku podobné působení benzínu nebo petroleje. Při přímém požití velkých dávek většiny druhů ropných olejů mohou nastat nebezpečné otravy.
Použité zdroje Václav Pumpr, Martin Adamec, Pavel Beneš, Věra Scheuerová, Základy přírodovědného vzdělávání pro SOŠ a SOU CHEMIE, druhé aktualizované vydání, Praha, FORTUNA 2010 Ing. Jindřich Klůna, Ing. Jiří Košek a kolektiv Příručka opraváře automobilů, třetí doplněné vydání, Brno, LITTERA 1995 Antonín Dyk, Paliva a maziva pro automobily. Praha, SNTL 1976.