Co to jest benzyna silnikowa?
Współczesna benzyna silnikowa to mieszanina:

1) ciekłych węglowodorów o temperaturach wrzenia w zakresie od ok. 30 do 215°C, składających się z różnej ilości atomów węgla i wodoru, o różnych wiązaniach chemicznych, a więc w konsekwencji o rozmaitych własnościach fizykochemicznych, uzyskiwanych w wyniku różnych procesów chemicznych, np. destylacji, krakowania katalitycznego, reformowania i innych;

2) tlenowych związków organicznych, które w swojej strukturze zawierają tlen – są np. alkohole (metylowy, etylowy, izopropylowy) i etery;

3) dodatków uszlachetniających, poprawiających własności eksploatacyjne benzyny – są to dodatki: przeciwstarzeniowe (zapobiegają i hamują proces starzenia benzyny, niekorzystnie zmieniający jej własności), antystatyczne (poprawiają przepływ ładunków elektrycznych w benzynie), deemulgatory (zapobiegają tworzeniu stabilnej emulsji wody z benzyną), przeciwkorozyjne (chronią warstwę metali przed korozją), przeciwoblodzeniowe (zapobiegają oblodzeniu gaźników i zespołów przepustnic jednopunktowych układów wtryskowych) i myjące (zmniejszają zanieczyszczenie osadami układu
zasilania, dolotowego i komór spalania).

Obecnie produkowane benzyny różnią się swym składem od benzyn produkowanych 20 czy 15 lat temu, dlatego np. dolewanie denaturatu w okresie zimowym jest całkowicie zbędne, a nawet szkodliwe
(dlaczego – wyjaśnię w tym artykule). Ich skład będzie się nadal zmieniał, bo rosną wymagania dotyczące czystości spalin, a konstrukcja silników zmienia się.

Gęstość benzyny silnikowej
Informuje o masie określonej objętości benzyny. Ponieważ jej wartość zależy od temperatury, zawsze podajemy ją wraz z informacją o temperaturze wykonania pomiaru. Benzyny mają gęstość w zakresie
od 720 do 775 kg/m3, w temperaturze 15°C. Gęstość benzyny:

a) maleje, gdy temperatura rośnie;
b) rośnie, gdy temperatura maleje.

Ponieważ wszystkie układy zasilania dawkują benzynę, odmierzając jej określoną objętość, więc im wyższa będzie temperatura benzyny, tym w tej samej objętości mniejsza będzie jej masa,
a więc mieszanka z niej utworzona będzie uboższa. Może to nastąpić, gdy temperatury w komorze silnika w rejonie gaźnika lub listwy paliwowej układu wtryskowego będą nadmiernie wysokie.

Wartość opałowa benzyny silnikowej
To ilość ciepła wydzielonego po spaleniu określonej masy benzyny. Wartość opałowa benzyny wynosi od 42,3 do 43,5 MJ/kg. Dla utrzymania określonej prędkości lub uzyskania określonego przyspieszenia samochodu konieczne jest wydatkowanie danej ilości energii. W samochodzie możemy ją uzyskać, spalając benzynę. Jeśli jest to benzyna o wyższej wartości opałowej, to jej zużycie będzie niższe od zużycia benzyny o niższej wartości opałowej. Niższa wartość opałowa benzyny może być wynikiem
większego udziału w niej składnika o niższej wartości opałowej, np. alkoholu etylowego, czyli etanolu, którego wartość opałowa wynosi 26,8 MJ/kg.

Skład frakcyjny i krzywa destylacji benzyny silnikowej
Benzyna jest mieszaniną ponad stu składników, głównie węglowodorów, o różnych własnościach fizykochemicznych. Dzielimy je na grupy składników, zwane frakcjami. Pod względem lotności,
czyli zdolności do parowania w określonych warunkach, podziału tego dokonujemy na podstawie temperatury wrzenia. Ponieważ poszczególne frakcje benzyny mają różne wartości temperatury
wrzenia, benzyny nie cechuje jedna wartość temperatury wrzenia, tak jak np. wody, ale zakres temperatur wrzenia. Wyjaśnia to rys. 1.

Rys. 1. Benzyna (linia a) – mieszanina węglowodorów (frakcji) o różnych temperaturach wrzenia, wrze w zakresie wartości temperatur od tw1 do tw2. Ciecz, w skład której wchodzi tylko jeden składnik (jedna frakcja), np. woda (linia b), wrze przy jednej określonej temperaturze tw3. Dla wody jest ona równa 100°C, przy ciśnieniu otoczenia wynoszącym 1000 hPa


Dlaczego mówimy o wrzeniu? Wrzenie to proces, podczas którego ciecz bardzo też przy temperaturach niższych od temperatury wrzenia, ale czyni to wolniej. Po wprowadzeniu benzyny do kolektora dolotowego i następnie komory spalania, lub bezpośrednio do niej, benzyna powinna szybko odparować, bo czasu na to jest mało. Jeśli parować będzie wolno, to odparuje jedynie jej część. Ważne jest, aby objętość odparowanej benzyny była wystarczająca do stworzenia mieszanki, która będzie w stanie się zapalić od iskry elektrycznej.

Część benzyny, która nie odparowała, jest niestety tracona – opuszcza silnik przez układ wylotowy, zwiększając emisję węglowodorów (HC). Podczas rozruchu zimnego silnika tylko część dostarczonej silnikowi benzyny odparowuje, dlatego aby ilość par była wystarczająca do stworzenia mieszanki,
która się zapali, dostarczamy znacznie więcej benzyny (wzbogacamy dawkę).

Im temperatura silnika jest wyższa, tym większa część dostarczonego silnikowi paliwa odparowuje i spala się, a więc można zmniejszyć ilość dostarczanej benzyny. Również podczas nagłego przyspieszania nagle wzrasta zapotrzebowania silnika na odparowaną benzynę. Ponieważ nie ma możliwości nagłego przyspieszenia procesu parowania benzyny, trzeba okresowo zwiększyć jej dawkę, by odparowało jej więcej, godząc się jednocześnie, że część benzyny nie zostanie zużyta, bo nie zdąży odparować.

Benzyna musi mieć więc taki skład frakcyjny, aby ilość odparowanej benzyny umożliwiała przy różnych temperaturach zasysanego powietrza i silnika: jego rozruch, jazdę z różnymi prędkościami i przyspieszanie, a jednocześnie nie występowały objawy nieprawidłowej pracy silnika. Ponadto możliwie cała dostarczona benzyna powinna być spalana w silniku, a nie wyrzucana razem ze spalinami
przez układ wylotowy. Nie jest możliwe, aby przy różnych temperaturach eksploatacji samochodu powyższe warunki mogły być spełnione przez benzynę o jednym składzie frakcyjnym. Dlatego skład frakcyjny benzyn jest dobierany dla zakresu temperatur, w którym samochód jest eksploatowany.

Oceny składu frakcyjnego benzyny dokonuje się, wyznaczając tzw. krzywą destylacji (rys. 2). Destylacja benzyny to proces polegający na odparowaniu, a następnie skropleniu poszczególnych frakcji benzyny, jej składników. Schematycznie przedstawia ją rys. 3., a jej przebieg jest następujący. Benzyna 2, poddawana destylacji, jest ogrzewana palnikiem 1. Jej aktualną temperaturę mierzy termometr 3. Pary frakcji benzyny 2 są schładzane 4, celem ich skroplenia i zebrania do menzurki. Za początek destylacji przyjmujemy temperaturę tpd, przy której w menzurce pojawia się pierwsza kropla frakcji destylowanej
benzyny. Kontynuujemy ogrzewanie benzyny 2 i notujemy temperatury: t10, t50 i t90, w których w menzurce skropliło się odpowiednio 10, 50 i 90% objętości destylowanej benzyny (menzurki
5, 6 i 7 na rys. 3). Kończymy destylację benzyny 2 w temperaturze (tkd), w której nie skropli się już żadna kropla frakcji benzyny.

Po zakończeniu destylacji mierzymy objętość pozostałych po destylacji frakcji 8 benzyny 2. Są one najcięższymi frakcjami benzyny. Wpływają one negatywnie na pracę silnika i zanieczyszczają komory spalania. Krzywa destylacji (rys. 2) informuje o objętości frakcji benzyny, które wrzą i parują w zakresie od temperatury początku destylacji do dowolnej temperatury z zakresu pomiędzy temperaturą
początku i końca destylacji. Definicje temperatur charakterystycznych dla krzywej destylacji i wpływ ich wartości na pracę silnika zawiera tabela 1. W tabeli 2. są ujęte wymagania dotyczące składu frakcyjnego benzyn silnikowych, zgodnie z aktualnie obowiązującymi wymaganiami. Proszę zauważyć, że zależą one od okresu roku.

Rys. 2. Krzywa destylacji benzyny. Jej zasadę wyznaczania ilustruje rys. 3. Charakterystyczne temperatury procesu destylacji benzyny: tpd – temperatura początku destylacji; t10 – temperatura oddestylowania 10% objętości benzyny; t50 – temperatura oddestylowania 50% objętości benzyny; t90 – temperatura oddestylowania 90% objętości benzyny; tkd – temperatura końca destylacji. Definicje oraz wpływ wartości poszczególnych temperatur procesu destylacji benzyny na pracę silnika są ujęte w tabeli 1.


Prężność par benzyny silnikowej
Benzyna paruje w każdej temperaturze. Bezpośrednio nad jej lustrem jest warstwa par nasyconych (rys. 4). Para nasycona ma w danej temperaturze największą gęstość i ciśnienie, jaką może mieć
para. Zwiększenie lub zmniejszenie temperatury otoczenia powoduje odpowiednio zwiększenie lub zmniejszenie gęstości par nasyconych. Im większa jest odległość od lustra cieczy, tym pary nasycone
coraz bardziej rozrzedzają się, przechodząc w pary nienasycone o coraz to
mniejszej gęstości.

Ciśnienie par nienasyconych benzyny jest niższe od ciśnienia par nasyconych. Ciśnienie par nasyconych benzyny nazywamy prężnością par benzyny. Prężność ta jest miarą „skłonności” benzyny
do parowania. Im wyższa jest wartość prężności par, tym benzyna intensywniej paruje. Wartość prężności par zmienia się wraz ze zmianą temperatury: maleje wraz z obniżaniem się temperatury;
rośnie wraz ze wzrostem temperatury.