GORIVA I MAZIVA Studijski program: energetika i procesna tehnika Predmetni nastavnik: Marija Vićević
I Uvod Goriva i maziva prate proizvodnju, upotrebu i održavanje motornih vozila. Ona takođe zadovoljavaju i druge složenije zahteve primene kod industrijskih i drugih pogona. Pritom pogonska sredstva ispunjavanju zahtevani kvalitet proizvoda u skladu sa standardima proizvodnje, primene i zaštite okoline. Prvi deo skripte, koji se sastoji od devet poglavlja, posvećen je gorivima. Posle uvoda u kom se nalazi kratak podsetnik na osnovne definicije energije, energetike, energetske efikasnosti i poznatih mehanizama sagorevanja goriva, dan je sažet prikaz uticaja konvencionalnih goriva na okolinu i klimatske promene, kao i savremeni pogledi na probleme primene obnovljivih izvora energije. Sledećih pet poglavlja posvećena su konvencionalnim gorivima, onako kako se najčešće i dele – prema agregatnim stanjima u kojima se nalaze u prirodi ili u proizvodnji, distribuciji, upotrebi. U osmom poglavlju nalazi se kratak prikaz uticaja kvaliteta goriva na rad savremenih motora sa unutrašnjim sagorevanjem i najčešćim poremećajima dobrog rada takvih motora u pogonu vozila. Deo o gorivima završen je poglavljem o neophodnom postupanju sa konvencionalnim gorivima tokom njihovog skladištenja, prevoza i upotrebe. Drugi deo skripte započinje uvodnim poglavljem o mazivima u kom je dat podsetnik na osnovnu teoriju o trenju, tribologiji kao i osnovne činjenice o svrsi i efektima raznih vrsta podmazivanja. U sledećem poglavlju toga dela knjige dat je prikaz najvažnijih svojstava mazivih ulja i masti, kako mineralnih, tako i sintetičkih, kao i prikaz načina njihovih dobijanja. Dat je prikaz podela i najvažnijih normi kojima se osigurava neophodni kvalitet u upotrebi, sa naglaskom na primenu u upotrebi motornih vozila. Završno poglavlje donosi preporuke za postupanje mazivima u svim bitnim aktivnostima od proizvodnje do upotrebe kao i zbrinjavanja nakon upotrebe. Deo je posvećen aktuelnim saznanjima o uzrocima degradacije maziva tokom njihove primene, dijagnostici stanja maziva kao i postupanju sa upotrebljenim mazivima, njihovom odlaganju i mogućnostima regeneracije.
1
II Goriva 2.1. OSNOVNI POJMOVI ENERGIJE, ENERGETIKE I ENERGETSKE EFIKASNOSTI Reč energija nastala je od grčke reči energos (grč. energos) što znači aktivnost. To je fizička veličina kojom se opisuje stanje čestica nekog tela i njihovo međudelovanje sa drugim česticama i telima, odnosno karakteristika sistema kojom se opisuje njegova sposobnost obavljanja nekog rada. Energija se koristi se za pokretanje industrijskih postrojenja, motora, uređaja; osvetljava naselja, greje i hladi domaćinstva, koristi se za pripremu tople vode, kuvanje. Energija dobijena od Sunca daje svetlost danju (kao i noću, preko Meseca), i pomaže biljkama u rastu. Biljojedi dobijaju energiju hraneći se biljkama, a mesojedi svojim plenom. Sve je na neki način povezano sa energijom. Bitno svojstvo energije je da ne može ni nastati ni nestati, već samo preći iz jednog oblika u drugi. To svojstvo energije definisano je zakonom o očuvanju energije (XIX vek). Uobičajeni izrazi (proizvodnja, potrošnja, gubitak, čuvanje, štednja, dobijanje i slično) koji se koriste u normalnoj komunikaciji, fizički su često prilično netačni – ali teško ih je zaobići i u svakodnevnom govoru ostati razumljiv. Na primer, nije sasvim ispravno, čak ni za neko gorivo, upotrebiti ustaljeni izraz “energetski izvor”, budući da energija u “energetskom izvoru” već postoji, a ne nastaje.
Slika 2.1: Pojavni oblici energije Pojavni oblik energije može biti u sakupljenom (nagomilanom) obliku ili u prelaznom obliku, kao što je prikazano na Slici 2.1. Karakteristika sakupljene energije je njena vremenska trajnost i sposobnost da se i u izvornom obliku može vrlo dugo održati. Prelazni oblici energije pojavljuju se samo onda kada sakupljena energija menja oblik. 2
Energija je sačuvana u obliku koji u pravilu nije pogodan za neposredno korišćenje. U tom slučaju je primerenije govoriti o postojanju različitih oblika energije i njihovoj transformaciji iz jednog oblika u drugi. Bez obzira na oblik energije u kojem je ona sačuvana gotovo uvek se radi o istom izvoru, a to je Sunce (i njegovo zračenje). Sunčeva energija uskladištena je u uglju, nafti, prirodnom (zemnom) gasu, drvetu, hrani. Ona je uzrok stvaranja vodenih tokova, morskih struja, talasa i vetrova, sa posebnim naglaskom na neposrednom zračenju toplote čije se blagodeti svakodnevno koriste. Sunčeva energija je beskonačan izvor toplote. Postoje i oblici energije na Zemlji koji ne potiču od Sunca. To je na primer energija plime i oseke koja je posledica gravitacijskih sila – prvenstveno između Zemlje i Meseca. Ni nuklearna energija, bez obzira o kom se mogućem nuklearnom gorivu radi, nije Sunčeva energija, kao ni geotermalna energija. Za geotermalnu energiju se pretpostavlja da energiju hlađenja preko spoljašnje površine Zemlje nadoknađuje toplotom radioaktivnog raspada elemenata (od kojih se Zemlja sastoji ispod svoje kore). Energija se meri na mnogo načina. Jedinica za energiju, odnosno rad u međunarodnom sistemu jedinica (engl. System International, SI) je džul (J). Nazvana je prema engleskom fizičaru Jamesu Prescottu Jouleu (1818-1889.), koji je otkrio da je toplota jedna vrsta, odnosno oblik energije. Jedan džul predstavlja energiju koja je potrebna da se silom od jednog njutna (N) najviša tačka pomeri za 1 metar (m): 1 J = 1 N · m (ili 1 Nm) Snaga je svakako prva fizička veličina koja je u neposrednoj vezi sa energijom. Pokazuje koliko je rada obavljeno u nekom vremenu, odnosno koliko je energije pretvoreno u neki drugi oblik. Jedinica za snagu u SI sistemu je vat (W). Može se reći da je snaga brzina obavljanja rada: 1 W = 1 J/s = 1 Nm/s Jedan džul je rad koji se snagom od jednog vata ostvari tokom jedne sekunde, tako da važi: 1J=1Ws Energetski resursi su svi postojeći izvori energije na Zemlji. Energetske rezerve su samo oni geološki i geografski definisani izvori koji se mogu u današnjim ekonomskim uslovima i na sadašnjem nivou tehnološkog razvoja efikasno iskorišćavati. Preciznije, energetske rezerve su deo energetskih resursa koji su već u sadašnjosti iskoristivi. Izvori energije (energenti) su sredstva koja služe za pretvaranje (“proizvodnju”) energije, odnosno koji i sami jesu neki oblik energije, kao na primer Sunce, vetar, električna energija, nafta, uran, prirodni gas itd. Vrste energije podrazumevaju načine na koje se uočava delovanje energije, što je u vezi sa njenim izvorima – kao na primer električna energija, mehanička, potencijalna, kinetička, hemijska ili energija vetra, vode, goriva itd. Oblici energije obuhvataju izvore i vrste energije. U pokušaju klasifikacije oblika energije može se govoriti o: 3
primarnim (prirodnim) i sekundarnim (transformisanim) oblicima energije. Primarni oblici su oni koji se nalaze ili pojavljuju u prirodi i koji još nisu prošli ni jedan proces transformacije, a (sa obzirom na materijalnog nosioca i učestalost primene) mogu biti: konvencionalni i nekonvencionalni oblici energije, odnosno, sa obzirom na njihovu obnovljivost, (Slika 2.2): obnovljivi ili neobnovljivi oblici energije. PRIMARNI OBLICI ENERGIJE
Obnovljivi
Neobnovljivi
Snaga vode
Ugalj i treset
Energija mora
Sirova nafta
Geotermalna energija
Prirodni gas
Biomasa
Naftni škriljci
Energija vetra
Nuklearna goriva
Sunčeva energija
Slika 2.2: Šema podele primarnih oblika energije sa obzirom na obnovljivost izvora Zbog toga što se samo neki od primarnih oblika energije mogu direktno upotrebiti, energija se pretvara, transformiše do oblika koji je potreban korisnicima. Transformisani oblik energije prilagođen korisničkim potrebama često se naziva i sekundarnom energijom. Sekundarna energija (ili sekundarni oblik energije) je oblik energije koji se raznim tehničkim postupcima pretvaranja dobija iz primarnog oblika (benzin, lož ulje, obogaćeno nuklearno gorivo, briketi, električna struja, toplota). Procesima transformacije menjaju se fizička (ili hemijska) javljanja primarnih oblika, čime se prilagođavaju korisničkoj upotrebi jer se većina izvora u obliku u kom se nalazi u prirodi ne može koristiti. Transformacije energije teku do onih energetskih oblika koje su potrebne korisnicima, a to su:
toplotna energija, mehanička energija, hemijska energija ili svetlosna energija.
4
Od posebne važnosti su transformacije kojima se proizvodi električna energija. Zbog svojih dobrih svojstava: da se lako transformiše u druge oblike energije (posebno je važna transformacija u mehanički rad i obrnuto – mehanički rad se uz male gubitke transformiše u električnu energiju) i da se lako transportuje na veće udaljenosti, električna energija je izuzetno važna za ekonomski razvoj svake zemlje. Upravo zbog toga je utvrđeno da je parametar potrošnje električne energije po glavi stanovnika jedan od onih koji ukazuju na razvijenost nacionalne ekonomije i životni standard ljudi određenog kontinenta, države, regiona i/ili grada. Energija goriva je često zajednički naziv za primarnu (prirodnu) i sekundarnu (transformisanu) energiju. Konačna energija oblik je energije (izvor ili vrsta) koji krajnjem korisniku stoji na raspolaganju (električna struja, toplota, razna goriva). O načinu primene odlučuje korisnik koji ih sebi prihvatljivim procesom pretvara u ono što želi. Dakle, konačnu energiju čine i primarni (npr. drvo, ugalj) i sekundarni izvor (npr. lož ulje, električna struja). U svim procesima prenosa, čuvanja i transformacija dolazi do gubitaka – deo energije utroši se na neželjeni način, tj. ne može se iskoristiti. Korisna energija onaj je deo energije koji stoji konačnom korisniku na raspolaganju u njemu najprikladnijem obliku (mehanički rad za pokretanje automobila, toplota iz radijatora, svetlo, zvuk iz televizora itd.). Korisni oblici energije predstavljaju energiju koja se u trenutnom obliku može koristiti za obavljanje nekog korisnog rada. Obnovljivi oblici energije su izvori energije koji su sačuvani u prirodi i prirodno se obnavljaju u intervalima koji su merljivi u ljudskom poimanju vremena. To su, na primer, sunčeva energija, energija vode, vetra, plime i oseke, toplota mora i slično. Drugu grupu čine neobnovljivi oblici energije, čije se rezerve usled korišćenja svakim danom smanjuju, a to su energija fosilnih i nuklearnih goriva. Obnovljive primarne oblike energije uglavnom nije moguće transportovati u onom obliku u kom se pojavljuju u prirodi, za razliku od fosilnih i nuklearnih goriva. Energetika je pojam sa nekoliko različitih značenja: naučno-stručno: nauka o energiji i tehničkoj upotrebi izvora energije; ekonomsko: skup ekonomskih aktivnosti pomoću kojih se istražuju i proizvode primarni oblici energije, zatim se transformišu, prenose i distribuišu do potrošača i kao primarna ili sekundarna energija koriste; opšte: grana ekonomije koja omogućava snabdevanje potrošača neophodnom energijom. Energetska intenzivnost (intenzivnost primene energije) je ekonomsko-tehnički pojam koji pokazuje koliko se primarne i sekundarne energije troši po jedinici nacionalnog (društvenog) proizvoda po stanovniku neke sredine (kontinenta, države, regiona, grada). Bolje korišćenje energije podrazumeva manju intenzivnost. Energetska efikasnost se u stručnim sredinama definiše kao tehnički pojam koji pokazuje koliki se deo primarne ili sekundarne energije može transformisati u korisnu energiju.
5
Indirektno, pokazuje koliki su gubici u celom procesu transformacija. Brojčano se iskazuje izvesnim stepenom iskorišćenja (stepenom korisnog dejstva). Međutim, energetska efikasnost se sve češće spominje u svakodnevnom životu, na televiziji, radiju, u novinama. Prema tome je potrebno razjasniti šta pojam energetske efikasnosti u tom slučaju zapravo znači: efikasno (delotvorno) korišćenje svih oblika energije u svim sektorima ljudskog života i delovanja, suma planiranih i sprovedenih mera čiji je cilj koristiti minimalne količine energije potrebne za zadovoljenje različitih potreba (grejanje ili hlađenje prostora, rasveta, pogon vozila) uz nepromenjenu toplotnu, svetlosnu i drugu udobnost korisnika energije, upotreba manje količine energije (energenta) za obavljanje istog posla, odnosno funkcije (grejanje ili hlađenje prostora, rasveta, proizvodnja raznih proizvoda, pogon vozila i drugo). Sprovođenjem mera energetske efikasnosti osiguravaju se optimalni i zdravi uslovi za boravak u određenom prostoru (optimalna temperatura, optimalna osvetljenost prostorija i dr.). Često se sprovođenjem mera energetske efikasnosti, na primer zamenom dotrajalih kućnih uređaja i sistema, komfor boravka i uopšteno kvalitet stanovanja u određenom prostoru poboljšavaju, uz istovremeno smanjenje potrošnje energije i pripadajućih troškova. Kao primer, ugradnjom modernog sistema centralnog grejanja, sa automatskom regulacijom i termostatskim ventilima na ogrevnim telima, osigurava se optimalna željena temperatura u svakoj prostoriji posebno. Određena željena temperatura održava se automatski bez korisničkog delovanja, što dovodi do veće efikasnosti modernih kotlova i sprečavanje nepotrebnih rasipanja toplote (na primer regulacijom temperature u prostoriji otvaranjem prozora i slično), a to vodi do bitnih energetskih ušteda. Kao drugi primer može se razmotriti zamena rasvetnih tela – običnih sijalica u stanu, savremenim rasvetnim telima i “štedljivim” sijalicama. Postoje rasvetna tela posebno konstruisana i prilagođena poznatoj nameni određenih prostorija (npr. za kancelarije, za stambene zgrade, za radionice, za učionice). Ugrađeni automatski senzori na samim rasvetnim telima kao i mogućnost regulacije intenziteta osvetljenja (“jačine svetla”) samo su neke od dodatnih mogućnosti koje pružaju moderna rasvetna tela. Senzori stalno mere nivoe osvetljenja u prostoriji, i prema potrebi povećavaju ili smanjuju intenzitet rasvete i tako u svakom trenutku osiguravaju optimalno osvetljenje u prostoriji, sprečavaju blještanje uz istovremeno smanjenje potrošnje električne energije.
2.2. UTICAJ FOSILNIH GORIVA NA ZAGAĐENJE ŽIVOTNE SREDINE I KLIMATSKE PROMENE Od praistorije do kraja srednjeg veka ljudi su najveći deo svojih energetskih potreba podmirivali biomasom. Od druge polovine 19. veka počinje industrijalizacija i masovna primena uglja – prvog fosilnog goriva – kojim se početkom 20. veka podmirivalo oko 2/3 energetskih potreba naše civilizacije. U periodu između dva svetska rata počinje masovna primena nafte koja tokom osamdesetih godina 20. veka dostiže svoj maksimum, uz uočljiv istovremeni porast upotrebe prirodnog gasa i smanjenje potrošnje uglja. 6
Početkom ovog milenijuma nastavlja se trend iz druge polovine 20. veka po kojem je trenutan odnos izvora energije koje koristi čovečanstvo takav da se fosilnim gorivima podmiruje oko 80% potreba. Istovremeno, statistički podaci pokazuju da su nafta, ugalj i prirodni gas podjednako zastupljeni. Nuklearne elektrane pokrivaju oko 8% energetskih potreba sveta, a svi obnovljivi izvori zajedno tek nešto preko 3%. Prognoze govore da će se verojatno u skoroj budućnosti nastaviti trend blagog smanjenja upotrebe nafte na račun porasta upotrebe prirodnog gasa i željene primene svih oblika obnovljivih izvora energije (OIE). Energija i njena upotreba znatno utiču na okolinu uzrokujući zagađenja na lokalnom i regionalnom nivou, ali i velik svetski problem promene klime. Problem klimatskih promena leži u činjenici da se većina danas globalno korišćene energije dobija iz fosilnih goriva – uglja, nafte i naftnih derivata kao i prirodnog gasa. Njihovim sagorevanjem u industriji, domaćinstvima i transportu nastaju gasovi kao što su sumpor dioksid – SO2, azotovi oksidi – NOx i ugljen dioksid – CO2, koji uzrokuju zagađenje okoline i klimatske promene – kisele kiše i globalno zagrevanje.
SO2 CO2 NOx
H2SO4 H2CO3 HNO3
CO2 SO2 NOx
Slika 2.3: Nastanak kiselih kiša Kisele kiše, čiji je nastanak prikazan na Slici 2.3., rezultat su sagorevanja gasova sumpor dioksida i azotovih oksida. Ovi gasovi, kao i ugljen dioksid, reaguju sa vodom iz kišnih kapi stvarajući kiseline. Kisele kiše mogu imati i 40 puta veću količinu kiseline u odnosu na čistu kišnicu. Sumpor dioksid daleko je najštetnija materija u vazduhu. Radi se o gasu bez boje, ali jakog i neprijatnog mirisa koji kod ljudi, pre svega, negativno deluje na organe za disanje. U zimskim mesecima visoka koncentracija sumpor dioksida sa česticama prašine koja se nalazi u vazduhu čini smog. Gasovi azotovih oksida u okolinu dospevaju najvećim delom kao izduvni gasovi u transportu. Paralelno sa svetskim porastom transporta raste količina tih gasova na svim kontinentima. Kisele kiše negativno utiču na šume, Slika 2.4, u kojima dolazi do oštećenja iglica, pupoljaka i mladih klica, kore i korena, anomalije rasta kao i propadanja šumskog ekosistema. Takođe 7
utiču na izumiranje mikroorganizama i biljaka u jezerima, zakiseljavanje površinskih voda i tla, što rezultira zagađenjem podzemnih vodenih tokova i ugrožavanjem izvora pitke vode.
Slika 2.4. Posledice kiselih kiša na šumski ekosistem Odavno se zna da je još jedna posledica povećane emisije ugljen dioksida i metana (gasova staklene bašte) u atmosferu, naročito iz industrijskih postrojenja – globalno zagrevanje. To je termin za povećanje prosečne temperature Zemljine atmosfere i okeana. Od ukupne količine Sunčeve svetlosti koja dospe do Zemlje, 30% se reflektuje nazad u svemir. Ostalih 70% apsorbuju tlo, vazduh i okeani, pa tako dolazi do zagrevanja Zemljine površine i atmosfere. Kako se Zemljina površina i vazduh zagrevaju, tako emituju toplotno zračenje koje najvećim delom završava u svemiru, što omogućava hlađenje Zemlje. Deo tog toplotnog zračenja Zemlje zaustavljaju vodena para, ugljen dioksid i drugi gasovi u atmosferi i vraćaju ga na Zemlju. Taj proces omogućava povoljne životne ulove, jer bi bez njega prosečna temperatura na površini Zemlje bila znatno niža (oko -18°C) nego što jeste (+15°C). Dakle, ugljen dioksid ima važan pozitivan uticaj na temperaturu i život na Zemlji. Međutim, ukoliko se koncentracija gasova staklene bašte znatno poveća, većina toplotnog zračenja se neće emitovati u svemir. Gasovi staklene bašte imaju sposobnost zarobljavanja toplote u Zemljinoj atmosferi, pa dolazi do pojave sada već neželjenog zagrevanja, tzv. “efekta staklene bašte”, Slika 2.5.
8
Slika 2.5. Efekat staklene bašte Globalno zagrevanje je ekološki problem koji utiče na život na Zemlji. Gasovi staklene bašte ostaju u atmosferi dugo – verojatno više desetina godina. Posledice globalnog zagrevanja osećaju se svakodnevno, a osim porasta temperature, dolazi do promena u biološkim procesima, topljenja ledenih santi, podizanja nivoa mora, promene staništa biljaka i životinja usled adaptacije na nove klimatske uslove i drugo. Posmatrajući posledice klimatskih promena, nesumnjivo je da je opstanak biljnih i životinjskih vrsta, a samim tim i čoveka, ugrožen. Stoga je neophodno da čovečanstvo svojim odgovornim ponašanjem prema okolini, štednjom energije i vode, pridonese usporavanju neželjenih klimatskih promena i zaštiti okoline. Samo će se na taj način Zemlja sačuvati za generacije koje dolaze.
2.3. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Kao što je u prethodnom poglavlju navedeno, obnovljivi izvori energije su oblici energije koji su sačuvani u prirodi i prirodno se obnavljaju u intervalima koji su merljivi u ljudskom poimanju vremena. Obnovljivi (neiscrpivi, nekonvencionalni, “alternativni”) izvori energije na Zemlji potiču od tri glavna primarna izvora: a) od Sunca na kojem emitovana energija nastaje kao rezultat termonuklearnih transformacija, zračenjem dolazi na Zemlju pa se na Zemlji pojavljuje kao energija biološkog porekla (biomasa), sunčeva energija, vetroenergija, energija voda, b) iz dubine Zemlje kao rezultat raspadanja izotopa (geotermalna energija) i c) od gravitacionog delovanja planete (energija morskih mena – plime i oseke). Za svaki od navedenih tri izvora, proces transformacije od primarnog do iskoristivih sekundarnih oblika (u električnu, toplotnu ili hemijsku energiju) prikazan je šematski na Slici 2.6. sa dosad primenjenim transformacijama energije Sunca.
9
Slika 2.6: Proces transformacija Sunčeve energije u električnu, toplotnu i hemijsku energiju Primarne oblike obnovljive energije karakteriše promenljivost njihovog energetskog kapaciteta. Sa obzirom na to da njihovo skladištenje uglavnom nije rešeno, barem ne sa energetskog gledišta, može se dogoditi da se korisnici energije suoče sa njenom nestašicom baš onda kad je potrebna. Ne jedini, ali sa energetskog aspekta svakako najvažniji izuzetak su akumulacije potencijalne energije, vodeni tokovi u akumulacionim jezerima hidroelektrana. Od sunčeve energije, direktno ili indirektno, potiče većina drugih oblika energije na Zemlji. Ono što danas čovečanstvo koristi od svih fosilnih goriva još uvek je oko 25 000 puta manje od energije koja sa Sunca dođe do ivice Zemljine atmosfere i gotovo je 18 000 puta manje od energije koja sa Sunca dođe do Zemljine površine. Od Sunčeve energije potiče i većina drugih izvora, na primer energija fosilnih goriva, vodenih tokova, vetra, talasa itd. Bitno je manji, oko 6 000 puta, procenjeni teorijski potencijal iz dubine Zemlje. Obnovljivi izvori energije se mogu svrstati u nekoliko osnovnih grupa, zavisno od njihove srodnosti, ne uzimajući u obzir odakle zapravo potiču: -
sunčeva energija, energija vetra, energija vodenih tokova, 10
-
energija iz biomase, energija vodonika, energija okoline.
Pod pojmom korišćenja sunčeve energije u užem se smislu misli samo na njeno neposredno korišćenje u izvornom obliku, dakle ne kao energije vetra ili fosilnih goriva. Sunčeva energija podrazumeva količinu energije koja je prenešena zračenjem Sunca i koja se pritom može iskorištavati: -
aktivno ili pasivno.
Aktivna primena sunčeve energije podrazumeva njeno direktno pretvaranje u toplotnu ili električnu energiju. Toplotna energija se od sunčeve dobija uz pomoć solarnih kolektora. Solarni kolektori se montiraju na krov željenog objekta, Slika 2.7, a u njima se zagreva prenosni medijum (najčešće obična voda) pod uticajem sunčeve energije. Zagrejani medijum zatim cirkuliše cevima u određenom objektu (kuća, zgrada, hala, fabrika) i služi za grejanje prostora ili pripremu tople sanitarne vode.
Slika 2.7. Primeri korišćenja toplotne energije Sunca solarnim kolektorima Električna energija se dobija uz pomoć fotonaponskih – solarnih ćelija. Upotrebom fotonaponskih ćelija energija sunčevog zračenja se direktno pretvara u električnu energiju. Fotonaponske ćelije često se koriste u potrošačima malih snaga, na primer džepnim računarima ili lampama. Električna energija iz fotonaponskih ćelija može se upotrebiti za rasvetu naseljenih mesta ili za rad kućnih aparata, Slika 2.8. U značajnom su razvoju i automobili koji za pogon koriste fotonaponske ćelije. Pasivna primena Sunčeve energije znači direktno korišćenje dozračene sunčeve toplote odgovarajućim izvođenjem građevina (smeštajem u prostoru, primenom odgovarajućih materijala, prikladnim rasporedom prostorija i ostakljenih površina, pa i dobijanje soli u morskim solanama). Zbog nejednakog zagrevanja Zemljine površine Sunčevim zračenjem nastaje kretanje vazduha, a deo tog kretanja paralelan sa površinom Zemlje je vetar. Kretanje je posledica nejednakih pritisaka vazduha više zagrejanih slojeva na manjim visinama i manje zagrejanih slojeva na većim visinama.
11
Energija vetra se od davnina koristila za pogon brodova, Slika 2.9, a danas se najčešće koristi za dobijanje električne energije u vetroelektranama, Slika2.10.
Slika 2.8: Korišćenje energije Sunca u fotonaponskom modulu domaćinstva
Slika 2.9: Korišćenje energije vetra za pokretanje jedrenjaka
Slika 2.10: Korišćenje energije vetra u vetroelektrani
12
Izvedeno je i nekoliko eksperimentalnih projekata hidroelektrana koje kinetičku energiju morskih talasa transformišu u električnu energiju, u skladu sa šemom na Slici 2.11. Naravno, talasi nastaju pod delovanjem morskih vetrova, a svi vetrovi su posledica vazdušnih strujanja čiji je izvor Sunčeva energija. Izlaz vazduha
Ulaz vazduha
Turbina Generator
Pravac talasa
Slika 2.11: Idejna šema korišćenja energije morskih talasa za pogon električnog generatora Energija vodenih tokova potiče iz nekoliko izvora. Sunčeva energija je uzrok kretanja vode u prirodi, što daje energiju vodenim tokovima i talasima. Vekovima se koristila za dobijanje mehaničkog rada u vodenicama, a danas se najčešće koristi za dobijanje električne energije u hidroelektranama različitih varijanti, Slika 2.12. i Slika 2.13.
Distribuciona mreža
Električna energija
Jezero Pretok vode
Transformator Strojarnica Dovodni kanal
Generator Turbina
Slika 2.12: Jedan od principa korišćenja energije vode u hidroelektrani
13
Slika 2.13: Mala hidroelektrana Energija iz biomase smatra se obnovljivim izvorom iako su njene količine ograničene raspoloživim delom biljnog sveta na Zemlji. Sva biomasa potiče od sunčeve energije. Biomasa se pojavljuje u čvrstom (drvo, piljevina, briketi), tečnom (biodizel, bioulje) i gasovitom obliku (biogas, deponijski gas), a koristi za dobijanje električne ili toplotne energije u kotlovima i termoelektranama, odnosno za dobijanje mehaničkog rada iz motora sa unutrašnjim sagorevanjem. U projektima dobijanja energije iz biomase posebno mesto ima segment zbrinjavanja otpada koji je pogodan za razgradnju, a koji je nastao u domaćinstvima, restoranima, hotelima ili sličnim prostorima. Pritom se naročito misli na ostatke hrane, otpad iz vrtova, papir, karton itd. Sama obrada otpada može biti biološka, fizičko-hemijska, termička, kao i mehanička, što prikazuje i šema na Slici 2.14. Energija vodonika podrazumeva korišćenje vodonika pre svega kao goriva za gorive ćelije (engl. fuel cells), koji mogu poslužiti za dobijanje električne energije, ali i za pogon automobila i toplotu. Pritom treba naglasiti da se vodonik danas dobija iz fosilnih goriva, a vrlo brzo se može očekivati njegovo dobijanje elektrolizom vode primenom sunčeve energije ili energije iz biomase.
14
Slika 2.14: Šema mogućnosti obrade otpada i njegovog energetskog vrednovanja Kod PEM gorivih ćelija (engl. PEMFC – proton exchange membrane fuel cells) na kontrolisan način se realizuje hemijska reakcija oksidacije vodonika tako da ne dolazi do njegova burnog sagorevanja, nego se hemijska energija transformiše neposredno u električnu struju. Jedini produkt takve kontrolisane hladne oksidacije je hemijski čista voda – bez neželjenih produkata koji prate sagorevanje vodonika, što je šematski prikazano na Slici 2.15.
Slika 2.15: Princip rada vodonikove PEM gorive ćelije Energija iz okoline predstavlja raspoloživu toplotnu energiju iz vazduha, podzemnih i površinskih voda (okeana, mora, jezera, reka) ili iz dubine Zemlje. Deo te energije potiče svakako od Sunca, dok je drugi deo iz zemlje rezultat dešavanja u Zemljinom jezgru (geotermalna energija), što je prikazano na šemi na Slici 1.16.
15
Slika 2.16: Šema nastanka geotermalne energije
Slika 2.17: Fotografija jednog izvora geotermalne energije Geotermalna energija postoji otkad je nastala Zemlja i odnosi se na korišćenje toplote iz unutrašnjosti Zemlje. Obuhvata onaj deo energije iz dubina Zemlje koji u obliku vruće ili tople vode ili pare dolazi do površine Zemlje i prikladan je za korišćenje (fotografija jednog izvora prikazana je na Slici 2.17). U najvećem broju slučajeva energija iz okoline se koristi direktno, kao toplotna energija, a još uvek vrlo retko za dobijanje električne ili neke druge energije.
16
Slika 2.18: Karta lokacija geotermalnih potencijala Republike Srbije Sadašnja energetska strategija Srbije ne tretira geotermalnu energiju kao važan i značajan resurs koji je nekoliko puta veći od ukupnih rezervi uglja u Srbiji i koji je prisutan na svakom mestu u svakom trenutku. Procenjena snaga svih postojećih geotermalnih bušotina u Srbiji je oko 160 MW od čega se trenutno koristi oko 100 MW (Slika 2.18). Upotrebom toplotnih pumpi može se iz zemlje preuzeti onoliko potpuno čiste energije koliko je potrebno. Tako na primer, instalacijom 20000 toplotnih pumpi snage 20 kW za zagrevanje stambenih objekata može se iz zemlje preuzeti energije koliko daje i termoelektrana snage 300 MW. Na Islandu, koji je poznat po gejzirima i aktivnim vulkanima, mnoge zgrade i bazeni greju se geotermalnom vrućom vodom. Vruća voda i para iz dubine Zemlje mogu se koristiti i za proizvodnju električne energije. Buše se otvori u tlu i cevi se spuštaju u vruću vodu, koja se potom podiže cevima na površinu. Geotermalna elektrana je kao i svaka druga elektrana, osim što se para ne proizvodi sagorevanjem goriva, već se crpi iz zemlje.
17
Geotermalna toplotna crpka ili dizalica toplote iskorišćava toplotu zemlje, vode i vazduha za grejanje ili hlađenje zgrada kao i pripremu tople sanitarne vode. U prirodoj okolini uskladišteno je mnogo sunčeve energije koju je moguće iskoristiti na taj način. U tlo u blizini zgrade, Slika 2.19., polažu se cevi kroz koje struji voda i služi za razmenu toplote između vode i tla. Zimi toplota iz zemlje preko razmenjivača toplote zagreva vazduh koji struji u zgradi. Leti je proces obrnut, vruć vazduh iz unutrašnjosti zgrade preko razmenjivača toplote prelazi na relativno hladnije tlo. Toplota koja je leti uklonjena iz vazduha može se iskoristiti za grejanje vode.
Vruća voda
Razmenjivač toplote
Hladna voda
Slika 2.19: Razmenjivač toplote U Evropi su postavljeni veoma visoki ciljevi u pogledu primene obnovljivih izvora energije i smanjenja emisije štetnih gasova. Geotermalna energija je najpogodnija za ostvarenje tih ciljeva i zbog toga je jedina od svih obnovljivih izvora energije u nekoliko evropskih zemalja ušla u zakonsku obavezu korišćenja za zagrevanje novih zgrada. Pridruživanjem Evropskoj uniji, i Srbiju očekuju obaveze u pogledu korišćenja obnovljivih izvora energije i smanjenja emisije štetnih gasova.
2.4. OKSIDACIJA I SAGOREVANJE Oksidacija je hemijska reakcija spajanja elemenata sa kiseonikom (prema A. L. Lavoisieru, francuskom naučniku iz 18. veka koji se naziva “ocem moderne hemije”). Sagorevanje je egzotermno spajanje dve materije od kojih je jedna kiseonik. To znači da se radi o procesu koji oslobađa, razvija toplotu pri čemu dolazi do lokalnog povišenja temperature. Od brzine kojom oksidacija teče zavisi hoće li proces biti “obična” oksidacija ili sagorevanje. Budući da proces oksidacije kod nižih temperatura teče vrlo sporo, gorivo se mora zagrejati do temperature paljenja i tokom sagorevanja ne sme se ohladiti ispod te temperature. Sa porastom temperature proces oksidacije se intenzifikuje, a time i oslobađanje toplote, sa izrazitim ubrzanjem na temperaturi paljenja. U gorivima se sagorevanjem oslobađa unutrašnja hemijska energija koja se prenosi na molekule povećavajući njihovu kinetičku energiju. Time se povećava unutrašnja energija (i temperatura) radne materije. Prema tome, oksidacija je proces sagorevanja u širem smislu.
18
Proces sagorevanja u užem smislu definisan je kao proces u kom gorive materije dovedene na svoju temperaturu paljenja, pod uticajem kiseonika iz vazduha (ili drugih nosilaca kiseonika), uz stvaranje plamena ili žara prelaze u gasovita jedinjenja i nesagorive ostatke. Kiseonik se gorivu po pravilu dovodi vazduhom u kom ga ima zapreminski oko 21%. Sagorevanje može biti potpuno i nepotpuno. Potpuno sagorevanje je ono kod kog svi gorivi sastojci goriva u potpunosti izgore. U slučaju nedostatka kiseonika za sagorevanje ili nedovoljnog mešanja goriva i vazduha proizvodi sagorevanja mogu sadržavati još uvek gorive mateije. To je nepotpuno sagorevanje. Mehanizam sagorevanja goriva vrlo je složen i težak za proračun ako se žele pratiti sve faze procesa sagorevanja. Problem se uveliko pojednostavljuje, a proračun sagorevanja bitno olakšava zadovolji li se samo bilans materije i toplote, što je za veliki deo praktičnih problema dovoljno.
19
III Osnovne definicije i sastav goriva Goriva su izvori toplote u stvarnom, fizičkom smislu (nafta, vodonik, ugalj, drvo, prirodni gas), a mogu biti u svim agregatnim stanjima. Oslobađanjem energije goriva povećava se unutrašnja energija radne materije koja se tada koristi za dobijanje toplotne energije ili rada. Pod gorivom se obično podrazumeva materija koja u procesu sagorevanja razvija toplotu iskoristivu u praksi. Isto tako, može se reći da su goriva materije koje oksidacijom daju toplotnu energiju. Definicija koja uključuje i nuklearno gorivo govori da su goriva materije iz kojih se može dobiti toplotna energija. Međutim, te definicije nisu potpune ako se ne uključe i gorive ćelije kod kojih se elektrohemijskom reakcijom odvija direktno pretvaranje hemijske energije u električnu, bez prethodnog međupretvaranja u toplotnu. Od velikog broja gorivih materija pod gorivom treba da se podrazumeva samo ona materija koja omogućava ekonomično korišćenje u njemu vezane toplote. Shodno tome, da bi neka materija dobila status goriva, mora zadovoljavati sledeće uslove: kod sagorevanja se mora razviti tako visoka temperatura da nastane nužan toplotni raspon oslobođene toplote, tačka paljenja ne sme biti previsoka, mora biti raspoloživo u dovoljnim količinama, mora biti lako pristupačno, mora biti jeftino za eksploataciju, mora biti dovoljno stabilno pri transportu i skladištenju, a produkti sagorevanja ne smeju biti štetni za okolinu. Inače, gorivo je redovno smeša hemijskih elemenata ugljenika, vodonika, azota i sumpora. Složenošću sastava ističu se upravo fosilna goriva (kako ugalj, tako i nafta). Sastoje se od: gorivog dela (gorivi sastojci) i balasta (negorivi sastojci). Gorivi elementi su: uljenik (C), vodonik (H) i nevezani sumpor (S), praćeni kiseonikom (O) koji ne gori, ali omogućava sagorevanje. Nesagorivi sastojci predstavljaju balast, odnosno: azot (N), vlaga (H2O) i mineralne materije – pepeo. Uobičajeno je da se vrednost goriva određuje odnosom gorive materije i balasta. Postoji podela goriva prema udelu tri glavna navedena sastojka – ugljenika, vodonika i kiseonika: i. Goriva koja sadrže pretežno ugljenik. 20
To su uglavnom veštačka goriva dobijena suvom destilacijom – koks, polukoks i drveni ugalj. ii. Goriva koja se sastoje od ugljenika i vodonika, odnosno od ugljovodonika. To su sva tečna goriva i ”masni gasovi” (mešavine gasova i para sa dispergovanom tečnom fazom). iii. Goriva koja se sastoje od ugljenika, vodonika i kiseonika. Ovoj grupi pripadaju drvo, treset i sve vrste uglja (nastale pougljivanjem drveta), kao i alkoholi, etri i ketoni, ali i prirodni gasovi sa mnogih svetskih nalazišta.
3.1. TOPLOTNE VREDNOSTI GORIVA Toplotna vrednost goriva predstavlja količinu toplote koja se razvija pri potpunom sagorevanju jedinice količine goriva (J/kg) ili (J/m3). Gornja toplotna vrednost, Hg, podatak je o svoj toploti koja se oslobađa pri potpunom sagorevanju jedinice količine nekog goriva u uslovima kada se nastala vodena para iz dimnih gasova kondenzuje, pa se dimni gasovi ohlade na temperaturu od 0°C. Donja toplotna vrednost, Hd, razlikuje se od gornje toplotne vrednosti za veličinu latentne toplote isparavanja (kondenzacije) vodene pare iz dimnih gasova koja nastaje iz sadržane vlage i vodonika u gorivu. Drugim rečima, gornja toplotna vrednost goriva veća je od donje upravo za količinu toplote kondenzacije vodene pare sadržane u gasovima sagorevanja. Toplotna vrednost određuje se: analitički, na bazi sastava goriva, ili laboratorijski, uz pomoć kalorimetra, Slika 3.1. Kalorimetar je uređaj za određivanje količine toplote koja se oslobađa ili troši tokom neke hemijske reakcije, što znači da se može iskoristiti i za određivanje toplotne vrednosti goriva. Može se upotrebiti i za određivanje specifične toplote, odnosno specifičnog toplotnog kapaciteta nekog tela.
Slika 3.1: Kalorimetar
21
3.2. SAGOREVANJE GORIVIH ELEMENATA 3.2.1. Sagorevanje ugljenika U hemijskom sastavu goriva, ugljenk je jedan od osnovnih elemenata. U gorivu se uglenik redovno ne nalazi slobodan, nego u jedinjenjima sa vodonikom, kiseonikom, azotom i/ili sumporom. Udeo ugljenika u fosilnim gorivima može iznositi i do 95%. Količina ugljenika u gorivu određuje kvalitet goriva. Goriva sa više ugljenika sagorevaju malim plamenom ili čak bez njega. Ugljenik, osim kao gorivo, ima veliku važnost kod hemijske obrade goriva – kao osnova niza organskih goriva. Takođe, glavni je sastojak koksa koji je vrlo bitan i u metalurgiji pri preradi raznih mineralnih ruda. Prilikom sagorevanja ugljenik se vezuje sa kiseonikom i pritom daje znatne količine toplotne energije. Tokom sagorevanja goriva složena ugljenikova jedinjenja se raspadaju i oslobađaju ugljenik. Ako se sagorevanje odvija uz dovoljnu količinu vazduha (kiseonika), ugljenik sagoreva potpuno – u ugljen dioksid. U slučaju manjka vazduha ili rashlađivanja nastalih gasova, ugljenik sagoreva nepotpuno. Jednačine oksidacije ugljenika, u zavisnosti od vrste sagorevanja, su: • za potpuno sagorevanje (u ugljen dioksid) C + O2 → CO2 + 34 080 kJ/kg,
(Eq. 3.1)
• nepotpuno sagorevanje (u ugljen monoksid) 2C + O2 → 2CO + 10 216 kJ/kg.
(Eq. 3.2)
Jednačina oksidacije ugljen monoksida je: 2CO + O2 → CO2 + 12 770 kJ/m3.
(Eq. 3.3)
3.2.2. Sagorevanje vodonika Vodonik je, uz ugljenik, osnovni sastojak gorive materije svakog fosilnog goriva. U gorivu može biti: slobodan, u obliku ugljovodonika – spojen sa ugljenikom ili vezan (u vodi). Prilikom sagorevanja vodonik se spaja sa kiseonikom u vodu, što rezultuje različitim količinama oslobođene energije (zavisno od agregatnog stanja nastalog produkta sagorevanja). Jednačine oksidacije vodonika, u zavisnosti od agregatnog stanja produkta sagorevanja, vode, su: voda je u stanju pare 2H2 + O2 → 2H2O + 120 161 kJ/kg
(Eq. 3.4)
voda je u tečnom stanju na 0oC, odnosno 273,15 K 2H2 + O2 → 2H2O + 142 770 kJ/kg
(Eq. 3.5) 22
Sa obzirom na to da se sagorevanjem 1 kg vodonika u vodu dobija nekoliko puta više energije nego sagorevanjem 1kg ugljenika, lako je zaključiti da vodonik u odnosu na ugljenik više doprinosi toplotnoj vrednosti goriva.
3.2.3. Sagorevanje sumpora Sumpor u gorivu može biti goriv i negoriv. Ako je goriv, onda je obično vezan u organskoj materiji ili je u jedinjenju sa metalima – piritna i sulfidna jedinjenja. Sulfidni sumpor je mineralnog karaktera, ali nestabilan u molekulu pirita, pa se smatra gorivom supstancom. U organskim jedinjenjima sumpor je slabo vezan pa se oslobađa pri visokim temperaturama sagorevanja. Iako tokom sagorevanja generše toplotu, sumpor treba smatrati balastom goriva. Sadržaj ukupnog sumpora u čvrstim gorivima ide i do 2,5%, a vrlo retko može biti i do 12%. Treset i tečna goriva sadrže sumpor u neznatnim količinama. U nafti je sumpor najčešće prisutan kao sumporovodonik (H2S), elementarni sumpor ili u formi merkaptana, disulfida i sulfida. Negorivi sumpor stabilno je vezan u formi kalcijum sulfata (CaSO4) koji tokom i nakon sagorevanja ostaje uglavnom u pepelu. Sumpor sagoreva u sumpor dioksid (SO2) ili sumpor trioksid (SO3), zavisno od uslova sagorevanja i sadržaja prisutnog kiseonika. Pri oksidaciji sumpora u sumpor dioksid oslobađa se energija od 9 420 kJ/kg S, a pri oksidaciji u sumpor trioksid oslobađa se energija od 12 980 kJ/kg S. Navedene količine toplotne energije daju vrlo malu korist u odnosu na štetno delovanje sumporovih oksida i zbog toga ga se ne smatra gorivom. Štetno delovanje sumpora se može svesti na: unutrašnje koroziono delovanje na delove automobila Zbog niske tačke rose pojavljuje se takozvana niskotemperaturna korozija. Posebno je nepovoljno njegovo vrlo izraženo delovanje na uređaj za napajanje gorivom (na sve njegove delove – od rezervoara do brizgaljki, odnosno “injektora”). spoljašnje koroziono delovanje izduvnih gasova na okolinu i pojavu kiselih kiša. Postoji posebna grupa automobilskih tečnih goriva sa ograničenom i bitno smanjenom dopuštenom količinom sumpora (“eurosuper”, “eurodizel”) koje posebno preporučuju i zahtevaju proizvođači savremenih osetljivijih motora sa unutrašnjim sagorevanjem za pogon automobila.
3.3. KISEONIK Prisutnost kiseonika u gorivu je nepoželjna jer ne sagoreva, već učestvuje u sagorevanju. Nalazi se u vezan sa drugim elementima i čini ih negorivim (na primer voda), pa zato smanjuje efikasnost gorivih elemenata sa kojima je u jedinjenju što rezultuje smanjenjem toplotne vrednosti goriva.
23
3.4. BALAST Postojanje balasta posebno je izraženo kod čvrstih goriva, znatno manje kod tečnih, a neznatno kod gasovitih goriva. Gasovita goriva kao negorivu materiju sadrže uglavnom vodenu paru kao i ugljen dioksid ili azot.
3.4.1. Azot U fosilnim gorivima azot se nalazi u malim količinama, od 0,7 do 1,3%, kao ostatak proteinske materije biljnog i životinjskog porekla u obliku organskih azotnih jedinjenja. Tokom sagorevanja azot se oslobađa u elementarnom stanju i ponaša se kao inertni sastojak, što znači da niti sagoreva niti daje toplotu. Negativno utiče na aktivnost elemenata sa kojima je vezan, pa smanjuje toplotnu vrednost goriva. Međutim, u posebnim uslovima (visoke temperature i pritisci) može stvarati nepoželjne azotove okside NOx koji imaju loš uticaj na ljude, pa se smatraju zagađivačima životne sredine.
3.4.2. Pepeo Pepeo je po svom sastavu mineralna materija. To je složena smeša sastavljena od karbonata kao i raznih oksida kalcijuma, magnezijuma i gvožđa, kalcijum sulfata – gipsa (CaSO4), silikata aluminijuma, magnezijuma, kalijuma i natrijuma, odnosno pirita (FeS2), natrijum hlorida (NaCl) i drugih. Pepeo je nepoželjan jer: smanjuje toplotnu vrednost goriva, povećava troškove transporta goriva, u neposrednoj okolini velikih potrošača može predstavljati ekološki problem zbog nagomilavanja većih količina.
3.4.3. Vlaga Vlaga je, kao i pepeo, nepoželjan sastojak goriva budući da mu smanjuje toplotnu vrednost. Prilikom sagorevanja deo toplotne energije se troši na isparivanje vlage i njeno pregrejavanje do temperature izduvnih gasova. Količina vlage u različitim gorivima varira, ali vrlo retko prelazi vrednosti od nekoliko postotaka. Kod čvrstog goriva može biti: gruba vlaga, vezana ili higroskopska vlaga (veći udeo kod mlađih ugljeva) i konstitucionalna vlaga (kristalna voda). Kod tečnih goriva može biti u rastvorenom stanju ili u emulziji (u nafti i njenim derivatima). U gasovitim gorivima se nalazi isključivo u obliku vodene pare ili dispergovanih vodenih kapljica.
24
25
IV Fosilna goriva Fosil je okamenjena biljka ili životinja iz praistorijskih geoloških razdoblja, odnosno njihovi ostaci sačuvani u sedimentima nakon taloženja u geološkoj prošlosti. Naziv fosilna ili mineralna goriva govori o njihovom nastanku. Pre mnogo miliona godina ostaci biljaka i životinja počeli su da se talože na dnu mora, okeana ili u tlu. Sa vremenom je te ostatke prekrio sloj blata, mulja i peska. U tim uslovima razvijale su se dovoljno visoke temperature i veliki pritisci, što je predstavljalo idealne uslove za pretvaranje ostataka biljaka i životinja u fosilna goriva. Kraće, to su izvori energije koji su se formirali kao rezultat prekrivanja i posledičnom transformacijom organskog materijala. Glavne, i do danas još uvek očite prednosti fosilnih goriva su: raspoloživost, bolja mogućnost prilagođavanja potrebama, uskladištenja i transporta u prirodnom obliku, manje investicije za izgradnju postrojenja za njihovo dobijanje, transformaciju i upotrebu, kao i pogon i održavanje sa obzirom na instalisanu snagu. Ipak, šire tehničke mogućnosti i još uvek bolja ekonomska opravdanost korišćenja fosilnih goriva (u vezi sa razvojem metoda i postupaka) najvažniji su razlozi većeg korišćenja fosilnih goriva do sada – tokom 20. i početkom 21. veka – što se vidi i na dijagramu udela pojedinih energetskih izvora kojima su članice Evropske unije zadovoljavale svoje energetske potrebe u zadnjih dvadesetak godina, na Slici 4.1., i prognoza za sledećih dvadesetak godina.
Slika 4.1: Struktura potrošnje ukupne energije po izvorima u Evropskoj uniji Prema poreklu, uobičajena je podela fosilnih goriva na: a. prirodna (primarna) koja se koriste u stanju u kom se nalaze u prirodi i b. veštačka (sekundarna) koja se pre upotrebe prerađuju, prilagođavaju nameni. Prema agregatnom stanju, razlikuju se: 26
1. čvrsta, 2. tečna i 3. gasovita goriva. Prihvatanjem podele fosilnih goriva i prema poreklu i prema agregatnom stanju dobija se šema prikazana na Slici 4.2.
Slika 4.2: Podela fosilnih goriva prema agregatnom stanju i poreklu
27
V Čvrsta goriva Ugalj je najrasprostranjeniji energent među raspoloživim zalihama fosilnih goriva. Sa obzirom na poznate i raspoložive zalihe, zastupljenost u potrošnji znatno je manja u odnosu na tečna i gasovita goriva uprkos relativno niskoj ceni, sigurnom transportu i jednostavnim tehnologijama za konverziju energije. Glavnim razlogom manje upotrebe bi se mogla smatrati nepraktičnost za korišćenje u širokoj potrošnji. Zato se uglavnom koristi u velikim energetskim postrojenjima (termoelektranama) za proizvodnju električne i toplotne energije.
Slika 5.1: Pogled na površinski kop uglja [12] Na žalost, eksploatacija uglja ima veliki neželjeni ekološki uticaj, kako pri iskopavanju, Slika 5.1., tako i pri upotrebi, Slika 5.2., zbog štetnih produkata sagorevanja: emisije gasova u atmosferu, a i ostataka sagoravanja (pepeo) koji ponekad sadrže sastojke koji zrače. Ugalj se, prema načinu dobijanja, može podeliti na prirodni i veštački.
Slika 5.2: Pogled na krajolik uz velike potrošače uglja
28
Prirodni ugalj je čvrsto gorivo koje je nastajalo u prirodi milionima godina sporim (ili brzim) procesom karbonizacije – pougljenjavanjem pretežno ostataka kopnenog bilja, Slika 5.3. Prema jednoj od teorija, ugalj je nastao metamorfozom biljnih materija u vreme nastanka pojedinih ugljeva pre 3 do 300 miliona godina.
Slika 5.3: Početak procesa stvaranja uglja Dugogodišnjim delovanjem bakterija (bez prisustva kiseonika) na drvenu masu koja je stecajem prirodnih okolnosti dospela u podzemlje stvarao se treset. Nastavkom pougljenjavanja uz postojeće pritiske i visoke temperature odvijao se prateći hemijski proces izdvajanja vode i gasova – najčešće metana (CH4) i ugljenik monoksida (CO) – pri čemu je nastajao ugalj, Slika 5.4.
Slika 5.4: Ugalj
5.1. PODELA UGLJEVA Ugalj nije ni jednostavna ni homogena masa, nego složena i heterogena formacija. Za ocenu kvaliteta uglja određuju se njegova fizička svojstva, a pod mikroskopom i građa kao i međusobni odnosi glavnih sastojaka. Skladno tome, postoje brojne podele ugljeva. Gotovo svaka razvijena zemlja koristi vlastitu podelu prilagođenu vlastitim prilikama – ugljevima kojima raspolaže ili tehnološkim postupcima u kojima se u vlastitoj industriji ugalj koristi. Najgrubljom podelom na osnovu stepena pougljenja i razlika u geološkoj starosti, ugalj se često deli na: 29
treset, smeđi ugalj i kameni ugalj. Treset se ne smatra pravim ugljem. To je geološki najmlađe fosilno gorivo. Njegova su ležišta mesta na kojima se nakupilo i gde je bez prisustva vazduha uginulo bilje iz najbliže prošlosti. Treset je laka, šupljikava, kompresibilna i elastična masa biljnih ostataka. Mekan je dok je vlažan, tvrđi i lako drobljiv kad je suv, smeđe, žućkaste i crne boje. Unutar debljih naslaga treseta razlikuju se slojevi prema starosti i vrstama bilja. Obično je najmlađi treset vlaknast, lisnat ili mahovinast, a stariji je gust, amorfan, smolast ili jetrenast. U svežem tresetu maseni udeo vode je 90%, a udeo ugljenika raste sa dubinom sloja. Sa obzirom na malu toplotnu vrednost, treset nije rentabilno prevoziti, pa se iskorišćava direktno u termoelektranama izgrađenim uz velika nalazišta. Smeđi ugalj pripada humusnom uglju. Vrlo bogatim ležištima raznovrsnog smeđeg uglja raspolažu SAD, Kanada, Nemačka, Meksiko, Češka i Slovačka. Smeđi ugalj se deli na: ugalj sa sastojcima drvenog sastava ili meki smeđi ugalj, odnosno lignit, i na ugalj bez sastojaka drvenog sastava ili tvrdi smeđi ugalj. Lignit se deli na: zemljasti i škriljasti lignit. Zemljasti lignit zemljaste je strukture, neravnog i tupog preloma. Stajanjem na otvorenom gubi žutu ili smeđu boju, a gubitkom vlage mrvi se i raspada. Pri otkopavanju daje dosta sitneži i prašine, a može se oplemeniti briketiranjem. Škriljasti lignit ima škriljasti prelom, ne gubi boju i vrlo se retko raspada u prašinu. To je tresetasti ugalj, a pojedini slojevi tog lignita ponekad sadrže i više od 50% treseta. Lokacije važnijih ležišta mineralnih sirovina u Republici Srbiji, uključujući lignit, mogu se videti na Slici 5.5. Tvrdi smeđi ugalj se deli na: obični, sjajni i zemljasti smeđi ugalj. Obični (tamni) smeđi ugalj je kompaktan, smeđ ili crn, sa tamnim sjajem na poprečnom vertikalnom preseku, dok su površine na horizontalnom preseku još tamnije. Ne raspada se i ne gubi boju. Presek mu je četvrtast, ređe škriljast ili školjkast. Sjajni (svetli) smeđi ugalj je najtvrđi i najkompaktniji među smeđim ugljevima. Crn je i spoljašnjim izgledom liči na kameni ugalj. Ima svetao četvrtast ili školjkast presek. Zemljasti smeđi ugalj je vrsta smeđeg uglja bogata bitumenom. Amorfan je i prašinast, lako se drobi, žute je do smeđe boje. Često sadrži fosilne smole. Osim navedenih, postoje i još neke posebne vrste smeđeg uglja (disodil, piropisit, rabdopisit, marahunit, smolinasti ugalj, gagat).
30
Kameni ugalj se od smeđeg uglja razlikuje po spoljašnjem izgledu, čvrstoj strukturi, obično crnoj ili sivocrnoj i smeđosivoj boji. Kameni ugalj može biti sjajan, mutan ili vlaknast i često kockastog ili sitnoprizmatičnog preseka. Najviše kamenog uglja ima na prostoru Rusije, u SAD-u, Kini, Kanadi, Nemačkoj, Velikoj Britaniji i Poljskoj. Geologija razlikuje razne vrste kamenog uglja kao što su: plameni ugalj, koristi se kao gorivo u plamenim pećima, sadrži 40% sagorljivih supstanci, gasni ugalj, koristi se za proizvednju svetlećeg gasa, sadrži 32-35% sagorljivih supstanci, masni ugalj, koristi se za proizvodnju metalurškog koksa, sadrži 18-28% sagorljivih supstanci, posni ugalj, koristi se kao gorivo u kotlovima i pećima, sadrži 10-18% sagorljivih supstanci, antracit, najstarija vrsta kamenog uglja, koristi se kao gorivo u kotlovima i pećima, sadrži 4-10% sagorljivih supstanci. Bogat je ugljenikom, toplotna moć 35 500 kJ/kg. Iz prethodno navedene detaljne podele ugljeva na vrste i podvrste, u mašinstvu je uobičajena pojednostavljena podela. Ona se zasniva na vremenu nastanka ugljeva, trajanju i uslovima pougljenjavanja tako da se razlikuju sledeće vrste ugljeva (hronološkim redosledom od najmlađeg ka starijim):
treset, lignit, smeđi ugalj, kameni ugalj, antracit i grafit.
Na slici 5.5. prikazan je sastav gorive materije navedenih čvrstih goriva, uz uvrštenu i suvu drvenu masu. Prikazani maseni udeli u postocima se odnose isključivo na gorivu materiju (bez pepela i vlage). Drvo Treset Lignit
Kameni ugalj Antracit
Maseni udeo, %
Slika 5.5: Hemijski sastav gorive materije nekih čvrstih fosilnih goriva u poređenju sa drvetom Maseni udeo vlage u kamenom uglju retko je veći od 7%, u smeđem 15%, a u niskokaloričnom lignitu redovno veoma visok, od 30 do 60%. Da bi se smanjili troškovi 31
transporta i povećala toplotna vrednost, ako ekonomska analiza pokaže isplativost, primenjuje se sušenje lignita pri čemu mu se smanjuje sadržaj vlage na oko 20%. U Tabeli 4.1. prikazane su vrednosti donjih toplotnih vrednosti nekih čvrstih fosilnih goriva i drveta i vreme njihovog nastanka. Tabela 5.1: Prikaz donjih toplotnih vrednosti čvrstih fosilnih goriva u poređenju sa drvetom vrsta čvrstog goriva donja toplotna vrednost vreme nastanka (MJ/kg) drvo 14,7 treset 7-9 30 miliona godina lignit 8-12 30-60 miliona godina smeđi ugalj 13-24 30-60 miliona godina mlađi kameni ugalj 29-32 150 miliona godina stariji kameni ugalj 32-36 170-220 miliona godina antracit 36-38 250-300 miliona godina grafit preko 38 350 miliona godina
5.2. NALAZIŠTA UGLJA Dva velika pojasa nalazišta kamenog uglja obavijaju Zemlju. Jedno nalazište je na severnoj hemisferi i polazi od severnoameričkog kontinenta, preko srednjeg dela Europe i bivšeg SSSR-a do Kine. Drugi pojas polazi od južnog Brazila, preko južne Afrike do istočne Australije. Pripadaju mu i nalazišta u Indiji. Svetske rezerve kamenog i mrkog uglja procenjuju se na preko 500 milijardi tona. Najveće rezerve (oko 73%) nalaze se u:
SAD-u, Rusiji, Kazahstanu, Australiji, Kini i Indiji.
Svetske rezerve lignita iznose oko 470 milijardi tona, a najveće rezerve (oko 80%) nalaze se u:
SAD-u, Nemačkoj, Rusiji, Australiji i Kini.
Pre stotinjak godina, početkom 20. veka, procene zaliha uglja govorile su da ga ima za još 30 do 50 godina. Međutim, prema današnjim podacima o aktuelnoj potrošnji, poznatim rezervama i uz upotrebu savremenih tehnologija vađenja ima ga za još 300 godina.
32
U Republici Srbiji je poznato nekoliko lokacija na kojima se uglavnom vadi lignit, što se vidi na karti prikazanoj na Slici 5.6.
Slika 5.6: Lokacije nekih nalazišta u Republici Srbiji Rezerve uglja u Srbiji su procenjene na preko 22 milijarde tona (sa Kosovskim basenom). Međutim, najveći deo rezervi otpada na nisko kalorični lignit (preko 97%), manji deo na srednje kalorični mrki ugalj i najmanji na visoko kalorični kameni ugalj. Najveći deo potreba za ugljem u industriji i domaćinstvima u Srbiji obezbeđuje se iz domaćih izvora (95%). Proizvodnja kamenog i mrkog uglja obavlja se isključivo u rudnicima sa podzemnom eksploatacijom (JP PEU „Resavica”). Proizvodnja lignita odvija se u rudnicima sa podzemnom, površinskom eksploatacijom (površinski kopovi Kolubara i Kostolac) i rudniku sa podvodnom eksploatacijom (Kovin). Procenjene rezerve lignita u Kosovskom basenu su oko 14 milijardi tona (domaći stručnjaci). Lokacije važnijih ležišta mineralnih sirovina u Republici Srbiji prikazane su na Slici 5.7.
33
Slika 5.7: Lokacije važnijih ležišta mineralnih sirovina u Republici Srbiji
34
5.3. PRERADA I OPLEMENJIVANJE UGLJA Ugalj izvađen iz rudnika površinske eksploatacije osim gorivih sastojaka sadrži određenu količinu negorivih materija, pa se relativno često mora podvrgavati postupcima pripreme i sušenja. Postupcima pripreme se sirovi ugalj odvaja na ugalj, smešu ugljeva i balast (“jalovinu”). Nakon toga sledi proces sortiranja na krupniji i sitniji ugalj. Ako je proizvedeni ugalj niže toplotne vrednosti, pa iz rudnika ide direktno u termoelektranu, u nju redovno stiže bez posebne pripreme. Ako se radi o uglju koji ima veću toplotnu vrednost, onda se termoelektranama isporučuje sitniji ugalj, a krupniji se distribuiše ostalim potrošačima. Briketiranje je proces okrupnjavanja ugljene prašine pod pritiskom (od nekoliko stotina bara) da bi se dobio pogodniji oblik za upotrebu. Danas se taj postupak ne primenjuje često, jer se termoelektrane grade u blizini rudnika i troše sve vrste i oblike ugljeva, pa i ugljenu prašinu. Činjenica je da se ugalj na našim prostorima sve manje troši u industriji i domaćinstvima. Zamenili su ga gas, lož ulje i električna energija. Posebnim postupkom može se proizvesti i veštački ugalj. Najpoznatija vrsta veštačkog uglja je koks. Uveliko se primenjuje u industriji jer je zbog visokog sadržaja ugljenika kvalitetno gorivo i dobro redukciono sredstvo. Ovaj postupak se zove suva destilacija ili koksiranje i predstavlja postupak zagrevanja uglja bez prisustva kiseonika čime se dobijaju vrednija veštačka goriva u sva tri agregatna stanja: koks i polukoks, tečnosti i gasovi. Postupak suve destilacije uglja odvija se najčešće u sledećim koracima temperaturnih intervala tako da na: 373 do 550 K isparava higroskopna vlaga, 550 do 575 K izdvajaju se voda vezana u hemijskim jedinjenjima, ugljen dioksid i sumpor u obliku sumporovodonika, 575 do 775 K izdvajaju se gorivi gasovi, 775 do 875 K nastaje polukoks i 875 do 1 215 K polukoks se pretvara u koks. Od jedne tone uglja dobija se 750 do 850 kg koksa koji se razvrstava u klase po krupnoći. Drugi po važnosti produkt suve destilacije je koksni gas. Od jedne tone uglja dobija se 300 do 340 m3 gasa čija je toplotna vrednost 18,4 do 19,3 MJ/m3. Koksni gas sadrži 5 do 6% ugljen monoksida, 55 do 60% vodonika i oko 25% raznih ugljovodonika. Posle prečišćavanja i odvajanja katrana 3 do 4%, benzola do 1% i amonijaka oko 1%, koksni gas se može upotrebiti kao gorivo u industriji i domaćinstvima.
35
VI Tečna goriva Sva mineralna tečna goriva dobijaju se u rafinerijama frakcionom destilacijom iz sirovog zemnog ulja – nafte. Tečna goriva imaju najveću primenu u transportu i industriji jer odnos poznatih i raspoloživih zaliha i potrošnje nije bitno promenjen tokom poslednjih 30 godina. Takođe, napredak pripadajuće uključene tehnologije uredno prati i omogućuje zadovoljenje rastućih potreba. Osim derivata nafte u tečna goriva ubrajaju se i veštačka tečna goriva koja nemaju mineralno poreklo i koja se sastoje od ugljovodonika, ali i od grupa jedinjenja koja nisu ugljovodonici, sa obzirom da sadrže i kiseonik (alkoholi, etri, ketoni). Emisijom svojih produkata sagorevanja u atmosferu vrlo bitno utiču na okolinu, mada znatno manje nego ugalj. Međutim, i pre samog sagorevanja posebna dodatna opasnost okolini preti u slučaju izlivanja nafte, bilo na samom izvoru, bilo tokom transporta na mnoštvu svetskih puteva do potrošača.
6.1. UOPŠTENO O NAFTI Naziv “nafta” prihvaćen je iz starogrčkog ( – kameno ulje), a verovatno potiče i od staropersijske reči “nafada”, što se prevodi kao “znojenje”, odnosno “znoj zemlje”. Latinski naziv ”petroleum” (kameno ulje) prvi put se susreće u delu De Natura Fossilium koje je 1546. godine objavio nemački minerolog George Bauer, poznat kao Georgius Agricola. Stručni prihvaćeni naziv je sirovo zemno ulje, a u običnom svakodnevnom govoru široko je prihvaćen izraz nafta. Reč “nafta” često, u žargonu, netačno znači i gasno ulje (dizel gorivo). Nafta se u prirodi pojavljuje kao zapaljiva tečnost u stenama različite starosti, a sastoji se od mešavine ugljovodonika različite molekulske mase i drugih organskih komponenti. Kao vrsta fosilnog goriva, tamna je i viskozna tečnost koja se obično pronalazi ispod površine zemlje ili morskog dna. To je vrlo složena smeša alkanskih, cikloalkanskih i aromatskih ugljovodonika čiji se sastav menja od nalazišta do nalazišta. U zavisnosti od vrste ugljovodonika koji se nalaze u nafti, postoje sledeće nafte:
parafinske, naftenske, aromatske i mešovite baze.
Tečnost je, ponekad i polučvrsta i može biti vrlo različitih boja. U reflektujućem svetlu pokazuje karakterističnu zelenu ili plavozelenu boju. Najčešće su zelenkaste, smeđe, smeđezelene do smeđecrne, gotovo crne boje, ređe tamno žute, a poznate su i svetle, gotovo bezbojne nafte. Što je nafta svetlija, ima veći udeo ugljovodonika niske tačke ključanja, a niža joj je i gustina. Povećanjem količine naftnih smola i čvrstih ugljovodonika, sve je tamnija, povećava joj se gustina, viskoznost i molarna masa. Gustina nafte, ρ (g/m3) se menja od nalazišta do nalazišta u vrlo širokim granicama ρ = 0,75 do 1,03 g/cm3, mada je najčešće ρ = 0,82 do 0,95 g/cm3, pri čemu presudan uticaj na gustinu 36
ima hemijski sastav nafte. Neke nafte su male viskoznosti, dok su druge vrlo viskozne tako da na normalnoj temperaturi uopšte ne mogu da teku. Naftu i neke njene produkte čovečanstvo koristi već hiljadama godina. Poznavali su je mnogi stari narodi i koristili je za konzerviranje, pa i balsamiranje (Egipćani), kao lek, u brodogradnji kao premaz za zaptivanje brodova (Feničani), kao ratničko sredstvo (Grci – “grčka vatra”) i u građevinarstvu kao bitumenski malter sa dobrim izolacionim svojstvima. Industrijsko korišćenje nafte započinje tek 1859. godine kad je Edwin L. Drake (Titusville, Pensilvanija) izveo prvo sondiranje u novom veku bušenjem na dubinu od 23 m, uz dnevnu proizvodnju od oko 4 m3 nafte. Dobijena nafta se širom sveta sve do 1885. godine uglavnom koristila u proizvodnji petroleja za osvetljenje i lož ulja. Tada započinje proizvodnja mineralnih mazivih ulja. Tek krajem 19. veka zajedno sa razvojem motora sa unutrašnjim sagorevanjem započinje i proizvodnja benzina, a od tada i omasovljenje vađenja nafte.
Slika 6.1: Promene cena nafte na svetskom tržištu od 1861. do 2010. godine Dijagram na Slici 6.1. prikazuje kako se na svetskom tržištu menjala cena jednog barela nafte u US$. Donja kriva prikazuje cenu barela u tadašnjim US$, a gornja prema vrednosti US$ u junu 2011. godine. Odnos ove dve krive predstavlja inflaciju US$ u prikazanom periodu.
6.2. POSTANAK NAFTE O postanku nafte postoji nekoliko teorija. Mnoge od njih međusobno se ne isključuju. Danas je opšte prihvaćena teorija prema kojoj je nafta nastala od masnih i voštanih materija
37
različitih sitnih životinjskih i biljnih morskih organizama (planktoni, mesne alge, ribe, itd.) koji su posle nakupljanja, nakon uginuća, bili zaštićeni od propadanja zbog povoljnih uslova koji su vladali u vreme nastanka. U sredini siromašnoj kiseonikom počelo je, zbog delovanja anaerobnih bakterija, uz toplotu i povišeni pritisak, razaranje belančevina i drugih lako raspadljivih organskih materija. Otpornije masne i voštane supstance gomilale su se u obliku trulog mulja, a nanosom rečnog mulja ili prilikom geoloških promena prekrivali su se slojem zemlje. Pod pritiskom zemljanih slojeva, kod nešto povišene temperature uz istovremeno katalitičko delovanje okoline, mast se pretvarala najpre u prabitumen, a zatim u naftu. Smatra se da procesi pretvaranja organske materije u naftu, ali i ugljovodonični gas, započinju na oko 65°C, a prestaju na oko 160°C (kada su temperature toliko visoke da razaraju lance i najjednostavnijih ugljovodonika). Najveći deo organske materije prešao bi u nerastvorljivi ostatak nazvan kerogen, manji deo u bitumen koji je rastvorljiv, a samo jedan deo bitumena prešao je u naftu i gas. Prisustvo složenih visokomolekulskih jedinjenja (holesterola, hormona, hlorofila) koji nisu mogli nastati jednostavnom sintezom, dokazuje organsko poreklo nafte. Detalje navedene teorije potvrdio je i Engler koji je dobio veštačku naftu u laboratorijskim uslovima iz ribljih ostataka, uz povišeni pritisak i temperaturu. Sastav slane vode, koja redovno prati naftu, svedoči o njenom morskom poreklu. Sa druge strane, postoji teorija da nafta potiče iz znatno većih dubina Zemlje, to jest da je nastala anorganskim putem u dubljim delovima litosfere ili na granici plašta i litosfere. Tome u prilog govore nalazi nafte u vulkanskim područjima (na Kamčatki), nagomilavanje nafte u velikim dubinama u ležištima sa magmatskim i metamorfnim stenama (Venezuela) i nalazi nafte u pukotinama litosfere u stenama na dnu Indijskog okeana.
6.3. OSNOVNA GRAĐA NAFTE Sirove nafte su generalno vrlo složene smeše velikog broja različitih ugljovodonika, a sadrže i različite primese. Od primesa nailazi se na razna organska jedinjenja koja u svojim molekulima imaju ugrađen sumpor, azot i kiseonik, pa i teške metale, naročito gvožđe, nikl i vanadijum. Sve nafte imaju veće ili manje količine emulgovane vode čija količina ponekad prelazi i 30%. Uključena slana voda redovno je zasićena raznim solima natrijuma, magnezijuma i kalcijuma. Nafta sadrži i rastvorene gasove – propan, butan i sumporvodonik. Generalno, za nafte sa većom količinom sumpora se kaže da su kisele i one se tokom prerade moraju posebno tretirati kako bi se količina štetnih primesa u gotovim proizvodima svela na dopušten (i propisan) nivo (pogledati Prilog). Osnovni hemijski elementi u sirovim naftama su ugljenik i vodonik koji stvaraju različita jedinjenja – ugljovodonike. Odnos ugljenika i vodonika (C/H) je promenljiv. Ugljovodonici su uglavnom tečni, uz različitu promenljivu količinu čvrstih jedinjenja koja su rastvorena i dispergovana u tečnoj komponenti. Porastom tačke ključanja u standardnoj destilaciji broj ugljenika u ugljovodoniku naglo raste. Pritom njihova građa postaje sve složenija, a molarna masa sve veća. Poznato je da se prema građi molekula ugljovodonici mogu podeliti na dve velike grupe (i svaka na još dve podgrupe): 1) alifatski (lančani) ugljovodonici, 38
a) parafini, izoparafini – zasićeni ugljovodonici i b) olefini – nezasićeni ugljovodonici 2) prstenasti ili ciklički ugljovodonici, a) naftenski – zasićeni ugljovodonici i b) aromati – nezasićeni ugljovodonici. Nezasićeni ugljovodonici olefinskog reda retko su prisutni i u malim količinama. Nezasićeni jedinjenja se javljaju u znatnim količinama tek tokom prerade nafte, naročito u postupcima termičke i katalitičke razgradnje – cepanja.
6.3.1. Parafinski ugljovodonici Parafinski ugljovodonici u naftama pretežno su ravni lanci atoma ugljenika, sa atomima vodonika, dakle zasićeni alifatski (lančani) ugljovodonici sa ravnim lancima. Ime dolazi od latinskog naziva parauum affinis, što se može prevesti kao “slabo skloni stvaranju jedinjenja”. Njihova opšta formula je: CnH2n+2, gde je n = 1, 2, ..., n. Zajedno sa izoparafinima čine glavni deo ugljovodonika kod benzina i dizel goriva: od C1 do C4 u normalnim uslovima su gasoviti – metan, etan, propan, butan, od C5 do C17 su tečnosti, od C18 pa nadalje su čvrste materije. Strukturne varijante parafina su zasićeni ugljovodonici sa ograncima (grananjem) i nazivaju se izoparafini. Alkani (parafini) su osnova nomenklaturnog sistema organske hemije. Poznato je da se kod alkana sa više od tri ugljenikova atoma javlja konstituciona izomerija (grč. isos – isti, meros – deo). Gasoviti i čvrsti ugljovodonici su delimično rastvoreni u tečnim, dok se oni najduži sa naročito velikim molarnim masama nalaze i dispergovani. Hlađenjem se izdvajaju u obliku parafinskog taloga od kog se pravo stearin (za voštane proizvode – sveće, naftni voskovi za izolaciju i konzerviranje). Primer osnovnih svojstava jednog zasićenog ugljovodonika – normalnog heksana C6H14: tačka ključanja 342 K (69°C), temperatura samopaljenja 233,9°C, gustina ρ = 0,662 kg/dm3. Strukturna formula i model normalnog heksana C6H14 prikazani su na slici 6.2.
Slika 6.2: Molekul heksana (Beli atomi – C, Crveni – H)
39
Parafinski ugljovodonici, naročito oni više molekulske mase, nosioci su visokog indeksa viskoznosti i otporni su na oksidaciju. Zbog toga se nerazgranati molekul nekog alkana, na primer heksana, naziva normalni heksan, ili n-heksan, dok je razgranati heksan izomer heksana, ili izoheksan. Za njih se može koristiti univerzalna formula: CnH2n+2, gde je n = 4, 5, ..., n, što znači da imaju isti broj i odnos ugljenikovih i vodonikovih atoma kao i normalni parafini, ali se od njih razlikuju po građi molekula, Slika 6.3.
Slika 6.3: Molekul izoheksana(Beli atomi – C, Crveni – H) Izomeri parafina, ili kraće izoparafini, se razlikuju od parafina po nizu fizičkih svojstava, kao što je tačka ključanja, specifična gustina, ali i po ponašanju u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS). Na primer, izooktan je nekoliko puta otporniji na pojavu nepoželjnih detonacija od normalnog oktana.
6.3.2. Olefinski ugljovodonici Olefini su nezasićeni alifatski (lančani) ugljovodonici sa jednom ili više dvostrukih veza u molekulu. Sa obzirom na broj tih veza, dele se na mono, di i poliolefine. Opšta formula monoolefina je: CnH2n, što znači da imaju 2 atoma vodonika manje od odgovarajućeg zasićenog ugljovodonika. Diolefinima nedostaju 4 atoma vodonika itd. Univerzalna formula diolefina je: CnH2n-2. U primeni olefini, kao nezasićena jedinjenja, pokazuju niz važnih svojstava: Mnogo su nestabilniji od parafina. Lako reaguju sa kiseonikom, kiselinama i mnogim drugim jedinjenjima. Tim reakcijama konkretno gorivo menja svoja početna svojstva. Povećava se korozivnost, menja im se isparljivost i niz toplotnih svojstava. Pod uticajem povišene temperature ili uz neke katalizatore (na primer kiseline) mogu se polimerizovati, stvaraju talog, odnosno visokomolekulske teško rastvorljive materije koje se talože na zidovima svih komponenata za napajanje gorivom – rezervoara, cevovoda, prečistača. Zbog svoje nestabilnosti olefini relativno retko opstaju u prirodnoj nafti, ali su česti u sintetičkom benzinu, kao i u gasovima posle krekovanja nafte (proces objašnjen u sekciji 40
6.6.2). Danas su veoma dobro poznati procesi kojima se jednostavno mogu zasititi, odnosno prevesti u zasićene i stabilne parafine.
6.3.3. Naftenski ugljovodonici Nafteni (cikloparafini) su zasićeni prstenasti ugljovodonici, što znači da su atomi ugljenika vezani u formi prstena. Njihova opšta formula je: CnH2n. U naftama se najčešće nalaze petočlana i šestočlana prstenasta jedinjenja na koje je vezan jedan ili više bočnih parafinskih lanaca. U skladu sa tim, po svojim su svojstvima bliski parafinima. Hemijski su otporni i teško ulaze u reakcije sa drugim jedinjenjima. Ipak, sklonost ka hemijskim reakcijama raste sa povećanjem bočnih lanaca – što su oni duži, jedinjenja su nestabilnija, lakše se cepaju i razgrađuju. Nalaze se u svim benzinima i dizel gorivima. Glavna dobra osobina benzina je njihova povoljna otpornost detonacijama, ali u skladu sa navedenim pravilom, otpornost opada sa dužinom lanca. Imaju nisku tačku stinjavanja i indeks viskoznosti. Primer osnovnih svojstava jednog zasićenog prstenastog ugljovodonika, cikloheksana C6H12, prikazanog na Slici 6.4, koji je bezbojna, bistra tečnost, relativno prijatnog mirisa koji podseća na benzin, koji ima sledeće karakteristike: tačka ključanja 353 K (80°C), temperatura samopaljenja 245°C, gustina ρ = 0,778 kg/dm3.
Slika 6.4: Molekul cikloheksana (Tamni atomi – C, Beli – H)
6.3.4. Aromatski ugljovodonici Aromatski ugljovodonici, ili jednostavno aromati, nezasićena su prstenasta jedinjenja. Dobili su ime po aromatičnim materijama (smolama) iz kojih su se jedinjenja te grupe u početku dobijala. Obično se nalaze sa jednom ili više aromatskih jezgara (prstena) u molekulu. Njihova opšta formula je: CnHn. U višim frakcijama nafte najčešće su vezani (kondenzovani) na naftenske prstenove. Na takve ciklične strukture još se nadovezuju parafinski lanci različitih dužina. 41
Primer osnovnih svojstava najjednostavnijeg aromata, benzena C6H6, koji se u nekim vrstama benzina može naći u znatnijim količinama: tačka ključanja 353 K (80°C), tačka topljenja 277,65 K (+4,5°C), gustina ρ = 0,878 kg/dm3. Strukturna formula molekula benzene, C6H6, prikazana je na Slici 6.5.
Slika 6.5: Molekul benzena(Crni atomi – C, Beli – H) Sve sirove nafte sadrže aromatske ugljovodonike u količinama između 10 i 40% (pa i više). Jednostavna jedinjenja prisutna su samo u nižim frakcijama nafte (benzin, petrolej), dok su u višim frakcijama redovno povezani u složene aromatsko–naftensko–parafinske molekule. Ta su jedinjenja nosioci relativno velike gustine i niskog indeksa viskoznosti. Sagorevaju vrlo sporo i stoga otežavaju pojavu detonacije, pa su poželjni u gorivima za oto motore, a nepovoljni u dizel gorivu. Podložni su oksidaciji, pri čemu nastaje komplikovan i nerastvorljiv talog bogat ugljenikom.
6.3.5. Jedinjenja koja sadrže kiseonik Jedinjenja koja sadrže kiseonik ne pripadaju ugljovodonicima. Često imaju nešto nižu toplotnu vrednost jer je ulaskom kiseonika u molekul zapravo već obavljena delimična oksidacija. 6.3.5.1. Alkoholi Alkoholi nisu mineralnog porekla. Najpopularniji alkohol je etanol (poznat još i kao etil alkohol, etil-alkohol, spirit ili u narodu jednostavno alkohol). Bezbojna je i zapaljiva tečnost koja se u medicini koristi kao sredstvo za sterilizaciju (u koncentracijama od 70 do 80%) a i kao sastojak u alkoholnim pićima (obično manje koncentracije). Kao pogonsko gorivo obično se koriste alkoholi veće koncentracije, to jest preko 80%. Etil alkohol ima hemijsku formulu C2H5OH: tačku ključanja na 351,45 K (78,3°C), gustinu ρ = 0,789 kg/dm3.
42
Strukturne formule molekula etil (C2H5OH) i metil alkohola (CH3OH) prikazane su na Slici 6.6. i slici 6.7. Metil alkohol ima hemijsku formulu CH3OH i: tačku ključanja na 337,65 K (64,5°C), gustinu ρ = 0,791 kg/dm3.
Slika 6.6: Molekul etil alkohola (Crni atomi – C, Crveni – O, Beli - H)
Slika 6.7: Molekul metil alkohola (Crni atomi – C, Crveni – O, Beli - H) Niski alkoholi (sa malo C atoma) sagorevaju čisto i vrlo su otporni na detonaciju. Sa porastom dužine lanca ugljenika približavaju se svojstvima ugljovodonika. Povećavaju otpornost prema detonacijama i zato se kao moguće rešenje, za podizanje oktanskog broja goriva (brojčani pokazatelj kvaliteta motornog benzina sa obzirom na jednoličnost sagorevanja), koriste kao primese benzinu. Postoji nekoliko vrsta goriva koje sadrže etanol: E5 sadrži 5% etanola i 95% benzina. Ima oktansku vrednost od IOB1 95. Može se koristiti bez ikakvih izmena na benzinskim motorima za pogon automobila. E85 sadrži 85% etanola, 14% benzina i 1% aditiva. Ima oktansku vrednost od IOB 104. Sa obzirom na nižu toplotnu vrednost više se troši da bi se dobila ista količina potrebne energije, pa toj činjenici treba prilagoditi uređaj za napajanje gorivom. Modifikacija se sastoji u ugradnji elemenata koji osiguravaju veći protok goriva (veće brizgaljke umesto benzinskih). Ovo gorivo se može koristiti u rasponu spoljašnjih temperatura od -25°C do +78°C. o U Srbiji ga još nema na pumpama zbog neizgrađene infrastrukture. o Cena u Evropskoj uniji je oko 0,8 €/l (mart 2015). o Glavnim nedostatkom se smatra veća potrošnja E85 za oko 30% u odnosu na benzin, a glavnom prednošću to što je u pitanju obnovljiv izvor energije koji ima svoju budućnost. 1
Istraživački oktanski broj (IOB). Detaljnije je objašnjen u poglavlju 8.2.1.
43
E96 sadrži 96% etanola i 4% vode. Ima oktansku vrednost od IOB 118. Da bi se ovo gorivo koristilo u automobilima, potrebno je napraviti istu modifikaciju uređaja za napajanje gorivom kao i kod upotrebe E85, sa obzirom na bitno povećanje potrebne količine goriva (i do 40%). Ovo gorivo se može koristiti u rasponu spoljašnjih temperatura od +13°C do +78°C, što znači da se u praksi koristi samo leti. Zimi je neophodno predgrejavanje i vazduha i goriva. o Ima odlična rashladna svojstva i manje štetne izduvne gasove u odnosu na benzin. o Cena u Evropskoj uniji trenutno je oko 0,6 €/l. o Glavni nedostatak je veća potrošnja. Etanol se može dobiti na više načina: fermentacijom voća, fermentacijom povrća ili fermentacijom biorazgradivog otpada, a nakon toga destilacijom. Ekonomski gledano, taj proces je neefikasan i skup. U našem podneblju dobro je poznat kao tradicionalno pečenje rakije, odnosno prepečenice. U industrijskom dobijanju koristi se primena procesa ekstrakcije iz zemnog gasa – metana (CH4). 6.3.5.2. Etri Etri su jedinjenja sa kiseonikom koji se koriste kao dodatak za povećanje snage gorivu ili kao pomoćni dodatak za paljenje. Dietiletar ima hemijsku formulu C2H5-O-C2H5, a: tačku ključanja na 308 K (35°C), gustinu ρ = 0,714 kg/dm3. Strukturna formula molekula dietiletra prikazana je na Slici 6.8.
Slika 6.8: Molekul dietiletra (Crni atomi – C, Crveni – O, Beli - H) 6.3.5.3. Ketoni Ketoni su jedinjenja sa kiseonikom koji se koriste kao dodatak za povećanje oktanskog broja, odnosno za povećanje otpornosti na detonaciju. Aceton, ili dimetilketon, ima hemijsku formulu CH3-CO-CH3, a: tačku ključanja: 56,5°C, gustinu ρ = 0,792 kg/dm3.
44
Strukturna formula molekula acetona prikazana je na Slici 6.9.
Slika 6.9: Molekul acetone (Sivi atomi – C, Crveni – O, Beli - H)
6.4. NALAZIŠTA NAFTE Nalazišta nafte ima gotovo u svim krajevima sveta. Nafta se stvarala u svim geološkim formacijama u kojima je bujao život. U skladu sa teorijom o postanku nafte, njena nalazišta se nalaze u sedimentnim slojevima onih prostranstava gde su nekada bila mora. Ta su nalazišta retko autohtona. Pod uticajem vlastite mase i gravitacije ili pod pritiskom zemnog prirodnog gasa, nafta putuje (migrira) sa mesta svog postanka, primarnog ležišta, kroz podzemne šupljine i pukotine nastale tektonskim promenama Zemljine kore, prema sekundarnim, alohtonim ležištima. Nafta pod zemljom vrlo retko ispunjava neke šuplje prostore, kao što se često misli, a nikada se ne nalazi u vidu nekih podzemnih jezera. Ona se nalazi uglavnom upijena u porama sedimentnog kamenja, kao što su peščenjaci, vapnenci, dolomiti. Ležišta nafte se mogu očekivati u sedimentnim stenama koje su povezane migracionim putem sa područjima gde je u geološkoj prošlosti taložena velika količina organske materije u anaerobnim uslovima. Ali, nisu samo sedimentne stene ležišta nafte. To mogu biti i magmatske i metamorfne stene, ali pošto one nisu izgrađene od zrna i zato nemaju primarnu poroznost, uslov je da su one tektonski razlomljene u toj meri da se razvila bitna sekundarna poroznost u kojoj se onda mogu nakupljati fluidi, pa i nafta. Dubina naftonosnih slojeva je različita– od nekoliko desetina metara do nekoliko kilometara. Što je veća dubina, veći je i pritisak pod kojim se nafta nalazi. Sa gledišta očuvanja ležišta nafte, veća dubina je prednost jer sprečava dodir sa kiseonikom koji može da degradira naftu u ležištima. Sa druge strane, povećani pritisak može uzrokovati velike probleme kod bušenja zbog pojava erupcije nafte i naročito gasa. Dobar deo plitkih nalazišta je već poprilično iscrpljen, a sada se dospeva do sve većih dubina. Najdublja do sada postignuta bušotina od 12 376m nalazi se u Chayvo nafnom polju (Rusija). Na Slici 6.10. prikazana je karta sveta sa podacima i utvrđenim regionalnim rezervama nafte na početku 21. veka u milijardama barela (1 barel ≈ 0,159 m3).
45
Slika 6.10: Utvrđene rezerve nafte na početku 21. veka Vrlo je često pitanje koliko je nafte još preostalo i koliko dugo će je još biti ako se nastavi trošiti tempom kojim se troši danas. Mnogi dobri poznavaoci ove oblasti su skloni povezivanju odgovora na ovo pitanje sa cenom nafte: “biće je onoliko kolika joj bude cena”. Ostane li cena niska tako da nema prostora za investiranje u proizvodnju i preradu, nafte i njenih derivata neće biti dovoljno za zadovoljavanje svih potreba čovečanstva. Inače, na početku 21. veka može se sa dovoljno tačnosti utvrditi da svet troši još uvek nešto manje od 4 milijarde tona nafte godišnje. Istovremeno, procenjuje se da svet danas ima zalihe koje su pristupačne savremenim tehnološkim mogućnostima pri vađenju nafte u iznosu od oko: 350 milijardi tona lakše nafte, 600 milijardi tona teške nafte. I površnom analizom navedenih podataka može se zaključiti da je i sa naftom vrlo slično stanje kao i sa ugljem čije se zalihe danas procenjuju na oko 300 godina. Posednici nafte i naftna industrija plašili su svet navodnim brzim iscrpljivanjem svetskih naftnih zaliha i omogućili realizaciju svojih ciljeva – visoke cene. Međutim, visoke cene nafte nemaju isključivo negativan uticaj. Upravo su promene cena nafte dovele do najvažnijeg doprinosa razvoju svesti ljudskog društva i po pitanjima razvoja energetskih izvora, ali i po pitanjima zagađenja okoline.
6.5. OTKRIVANJE I VAĐENJE NAFTE Nafta još uvijek izbija na nekim mestima sama iz zemlje. Takva prirodna vrela više nisu važna za proizvodnju nafte, jer ukupno daju tek zanemarljive količine. Generalno, savremena tehnika bušenja razvila se iz ručnog bušenja (obavljanog u potrazi za soli i vodom). Sva se bušenja danas izvode mašinama. Prva bušenja bila su obavljana na osnovu oskudnih istraživačkih indikatora uz vrlo česte promašaje. Danas se pre otvaranja ležišta sprovode geološka i geofizička istraživanja koja daju podatke o strukturi i litologiji 46
podzemnih stena. Nove tehnologije omogućavaju povećanje preciznosti kod pronalaženja nafte, a to rezultuje manjim brojem potrebnih bušotina i znatno smanjuje broj negativnih. Postoje dva načina bušenja: udarno i rotaciono. Kod starijeg, udarnog bušenja, se dleto, pričvršćeno na donjem kraju alatki, dizalo 0,3 do 0,4 m, a zatim se puštalo da slobodno padne na dno bušotine. Savremeno rotaciono bušenje gotovo je potpuno potisnulo starije udarno bušenje, posebno kada se žele dostići dubine od nekoliko hiljada metara. Posebna burgija, pričvršćena na kraju cevi, svojim rotacionim kretanjem mrvi kamen i prodire u dubinu. Kada cev uđe celom svojom dužinom u zemlju, na nju se cevnom spojnicom nadovezuje druga cev. To se ponavlja tako dugo dok bušotina ne dostigne naftonosni sloj. Iznad bušotine nalazi se toranj gvozdene konstrukcije, visok i do pedeset metra, kako se vidi na Slici 6.11. (na kopnu) i Slici 6.12. (na moru), sa dizalicama za pridržavanje i izvlačenje alatki i cevi, kao i sa pogonskim i kontrolnim uređajima. Za vreme bušenja izdrobljeni materijal se neprestano ispira sa dna bušotine, i to jakim mlazom retke suspenzije gline u vodi koja se utiskuje u cev. Da se bušotina ne bi zarušila, u nju se spuštaju zaštitne cevi. Od prodora slojnih voda bušotine se zaštićuju betoniranjem. Kad bušotina dopre do naftonosnog sloja, nafta navire u bušotinu terana prirodnim pritiskom koji – ako je dovoljno veliki – može izbaciti naftu na površinu. Kod vrlo visokih pritisaka nastaju snažne erupcije, pri čemu se mlaz nafte diže i desetak metara iznad površine zemlje. Takve divlje erupcije nekad su često izazivale katastrofalne požare koje je bilo vrlo teško, pa i nemoguće ugasiti. Danas se to sprečava posebnim uređajima koji zatvaraju sondu i regulišu pritisak za izlaženje nafte. Kod nedovoljnih pritisaka nafta se mora crpeti uz pomoć pumpi. Naftonosni sloj se nikada ne može potpuno iscrpiti. Kada se pritisak nafte u ležištu izjednači sa pritiskom u bušotini, nafta prestaje da pritiče. Velike količine nafte koje uprkos svim savremenim metodama vađenja ostaju u zemlji (i više od 50%) mogle bi se izvaditi samo na rudarski način, što je, naravno, neizvodljivo. Zato se danas sve više koriste napredne metode crpljenja nafte koje se objedinjuju pod nazivom “sekundarne” i “tercijarne” metode povećanja iscrpka iz naftnih i gasnih ležišta. Najčešća takva metoda je utiskivanje vode u naftno ležište, čime se povećava pritisak okolnog akvifera pa se nafta ponovo potiskuje prema površini. Umesto vode mogu se utiskivati i gasovi poput ugljen dioksida ili inertnog azota. Ponekad, ali retko, nafta se u ležištu može delimično zapaliti čime se smanjuje viskoznost, ponovo povećava pritisak pa se stvaraju uslovi koji omogućavaju dodatno crpljenje ostataka nafte.
47
Slika 6.11: Kopneni naftni toranj
Slika 6.12: Morska naftna platforma
6.5.1. Moguće pretnje okolini pri dobijanju nafte Veliki problem prilikom bušenja i prevoza nafte do korisnika, kupaca i rafinerija je mogućnost njenog isticanja u okolinu. Od 1990. godine važi zakonska obveza da svaki novi izgrađeni brod za prevoz nafte, “tanker”, mora imati dvostruku ljusku da bi se sprečilo
48
izlivanje nafte u more prilikom eventualne havarije. Uprkos svim poboljšanjima tehnologije bušenja i transporta, još uvek se događaju izlivi nafte u more, a to rezultuje gotovo potpunim uništenjem biljnog i životinjskog sveta u tom delu mora. Posle eksplozije i potonuća naftne platforme Horizon u aprilu 2010., nafta je nekontrolisano isticala ugrožavajući ekološki sistem u Meksičkom zalivu i na južnim obalama Sjedinjenih Američkih Država. Iz bušotine se dnevno izlivalo gotovo 1000 t sirove nafte (Slika 6.13). Iako je zagađenje mora isticanjem sirove nafte veliko, u poređenju sa zagađenjem vazduha korišćenjem naftnih derivata je zanemarivo. Prilikom sagorevanja naftnih derivata oslobađaju se velike količine ugljen dioksida u atmosferu. Ugljen dioksid je gas staklene bašte i njegovim ispuštanjem u atmosferu utiče se na povećanje globalne temperature na Zemlji, Slika 2.5. Zbog tog problema donešen je Kyoto protokol, ali ga najveći zagađivači još uvek nisu ni prihvatili ni potpisali.
Slika 6.13: Fotografija sa prikazom zagađenja mora naftom u Meksičkom zalivu u aprilu 2010. godine
6.5.2. OPEC i ostali proizvođači nafte Važnost u savremenoj ekonomiji (energetici, industriji, trensportu, poljoprivredi) vrlo je rano izazvala monopolizaciju naftne ekonomske grane. Stvoreni su snažni koncerni, multinacionalne kompanije petrohemijske industrije koje danas upravljaju svetom (Standard Oil, Shell, Texaco, Gulf, British Petrol itd.). Beskrupulozno se izazivaju krize i ratovi u borbi za profitom, pa su mnoge zemlje Bliskog i Srednjeg istoka kao i Južne Amerike bile poprište krvavih ratova i političkih kriza – a neke su još i danas. Žrtve su redovno ekonomski nerazvijenije i slabije zemlje. Neke su se u drugoj polovini prošlog veka uspele nakratko osloboditi prevlasti naftnih kartela nacionalizacijom svojih prirodnih izvora nafte i postrojenja za preradu, ali tamo gde su rezerve najveće moćnici pronalaze načine kako ne bi ispustili iz svoje vlasti bogatstvo koje bi trebalo da pripada i drugima. Sa obzirom da je nafta danas u svetu jedan od najvažnijih strateških proizvoda (obično se naziva “crno zlato”), zemlje proizvođači nafte imaju veliku moć u geopolitičkim odnosima, a kontrola nad izvorima nafte jedan je od bitnih uzroka kriza u svetu.
49
Slika 6.14: Svetska mapa članica OPEC-a
Slika 6.15: Zgrada sedišta OPEC-a u Beču Zemlje koje su najveći izvoznici nafte (ali ne uvek i prerađivači) osnovale su interesnu zadrugu OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) 1960. godine. To je međunarodna organizacija koju čine Alžir, Indonezija, Irak, Iran, Kuvajt, Libija, Nigerija, Katar, Saudijska Arabija, Ujedinjeni Arapski Emirati i Venecuela. Tokom godina broj članica OPEC-a se menjao, a trenutno ih je 11 (Slika 6.14). Od 1965. godine sedište OPEC-a nalazi se u Beču (Slika 6.15). Budući da je izvoz nafte najvažniji deo ekonomija tih država, održavaju se minimalno dva sastanka godišnje na kojima se određuje optimalna količina proizvodnje. Članice OPEC-a proizvode oko 40% ukupne svetske proizvodnje nafte, a u potvrđenim zalihama imaju tri četvrtine ukupno potvrđenih zaliha u svetu. Glavni cilj te organizacije prema njenom statutu je koordinacija i ujednačavanje naftne politike zemalja članica i: ustanovljavanje najboljih načina za očuvanje njihovih interesa, pojedinačno i kolektivno, smišljanje načina i sredstava za stabilizaciju cena na međunarodnim naftnim tržištima sa ciljem uklanjanja štetnih i nepotrebnih fluktuacija cena, stalna briga o interesima zemalja proizvođača i nužnost osiguranja stalnog prihoda zemalja proizvođača, efikasno, ekonomično i stalno snabdevanje naftom zemalja potrošača, kao i pravedan povrat uloženog kapitala onima koji ulažu u naftnu industriju. 50
2004. godine je prihod zemalja OPEC-a od izvoza iznosio 338 milijardi dolara, što je veliko povećanje u poređenju sa 1972. godinom i prihodom od 23 milijarde dolara, odnosno 140 milijardi dolara 1977. godine. Zemlje, veliki proizvođači nafte, koje nisu članice OPEC-a su:
u Evropi – Norveška, Rusija i Velika Britanija, u Severnoj Americi – Kanada, Meksiko i Sjedinjene Američke Države, na Bliskom Istoku – Oman i Jemen, u Africi – Angola i Ekvatorska Gvineja, u Južnoj Americi – Brazil, u Okeaniji – Istočni Timor i Australija i u Aziji – Brunej, Indonezija, Kazahstan i Azerbejdžan.
U sledećim Tabelama prikazano je stanje potrošnje, proizvodnje i zaliha nafte u 21. veku. Prikazani podaci su promenljivi (zbog stanja na vrlo dinamičnom svetskom tržištu) i treba ih uzeti samo informativno radi dobijanja predstave o redu veličina dnevne proizvodnje, relativnim međusobnim odnosima i okvirnom redosledu zemalja koje su najveći proizvođači.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Tabela 6.1: Najveći svetski proizvođači nafte Država dnevna proizvodnja 106 barela 106 m3 Saudijska Arabija 8,68 1,38 Rusija 7,69 1,22 Sjedinjene Američke 7,69 1,22 Države Meksiko 3,58 0,57 Kina 3,38 0,54 Iran 3,36 0,53 Norveška 3,33 0,53 Venezuela 2,94 0,47 Kanada 2,88 0,46 Velika Britanija 2,46 0,39 Ujedinjeni Arapski 2,27 0,36 Emirati Irak 2,03 0,32 Nigerija 2,01 0,32 Kuvajt 1,87 0,30 Alžir 1,66 0,26
Najveći proizvođači nafte prikazani su u Tabeli 6.1. sa podacima o količini dnevne proizvodnje izražene u milionima barela, odnosno u milionima kubnih metara nafte (1 barel ≈ 0,159 m3). Po proizvodnji se ističe Saudijska Arabija, a prate je Rusija i SAD. Kod najvećih potrošača, koji su prikazani u Tabeli 6.2., redosled je, naravno, bitno drugačiji. Vodeće mesto SAD-a po potrošnji je očekivano jer se Amerika tradicionalno oslanja na fosilna goriva.
51
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Tabela 6.2: Najveći svetski potrošači nafte Država dnevna proizvodnja 106 barela 106 m3 Sjedinjene Američke 19,70 3,13 Države Japan 5,40 0,86 Kina 4,90 0,78 Nemačka 2,71 0,43 Brazil 2,38 0,38 Rusija 2,20 0,35 Kanada 2,00 0,32 Indija 2,00 0,32 Francuska 1,96 0,31 Meksiko 1,93 0,31 Italija 1,87 0,30 Velika Britanija 1,70 0,27 Španija 1,50 0,24 Saudijska Arabija 1,36 0,22 Indonezija 1,02 0,16
Slika 6.16: Potrošnja nafte pojedinih svetskih regiona u t/stanovniku Vidljivo je da SAD svojom proizvodnjom pokriva tek oko 40% svojih potreba, pa su prisiljeni na veliki uvoz nafte. Glavni izvoznici nafte u SAD su Meksiko i zemlje Bliskog i Srednjeg istoka. Slika 6.16. prikazuje potrošnju nafte u tonama po glavi stanovnika pojedinih svetskih regiona. Sudbina nafte, kao i svih neobnovljivih fosilnih izvora, je polagano nestajanje. Prema istraživanjima, zasad poznate rezerve od gotovo 1,5 · 1012 barela potrajaće bar do 2200. 52
godine. Međutim, prema najnovijim procenama svetskih stručnjaka pretpostavljene rezerve samo su četvrtina ukupne količine koju u svojoj unutrašnjosti krije naša planeta. Srbija ima procenjene rezerve od oko 78 miliona tona sirove nafte. Prosečna godišnja proizvodnja poslednjih godina se kreće oko 700000 tona. To je oko jedne petine godišnje potrošnje u našoj zemlji. Zahvaljujući uvozu sirove nafte proizvodnja derivata je znatno veća (2005. godine iznosila je 2,6 miliona tona). Srbija oko četiri petine svojih potreba za naftom podmiruje uvozom iz Rusije, Kine, Rumunije i nekih arapskih zemalja. Uvoz sirove nafte vrši se dunavskim plovnim putem i Jadranskim naftovodom od Omišalja na Krku do rafinerija u Novom Sadu i Pančevu, u kojima se prerađuje pre upotrebe. Naftna industrija Srbije koristi naftu po osnovu koncesionih prava iz podmorskih ležišta u Angoli. Sa ovih naftnih polja, po ugovoru nama pripada 10% proizvedene sirove nafte, konkretnije 200-250 hiljada tona godišnje. Nafte ima i u uljanim ili bituminoznim škriljcima (glinovito-laporovite stene) u okolini Aleksinca, Niša, Ćićevca i Pirota, ali se zbog visokih troškova prerade još uvek ne eksploatišu. Najvažnija nalazišta nafte u Srbiji su u: Banatu, između Kikinde, Zrenjanina i Vršca (bušotine Velika Greda, Jermenovac, Lokva, Kikinda, Melenci, Elemir) i u Bačkoj (Plandište kod Turije). Tragovi nafte pronađeni su i u Stigu kod Požarevca (Sirakovo, Brodarevac).
6.6. PRERADA NAFTE Pod preradom nafte podrazumeva se sveukupnost fizičkih i hemijskih postupaka kojima se iz sirovine dobijaju određeni proizvodi traženog nivoa kvaliteta. Prerada se obavlja u cilju: odstranjivanja svih mehaničkih nečistoća i primesa iz nafte, obavljanja fizičkog razdvajanja na pojedine frakcije, iz kojih se mogu dobiti različiti rafinati i dorade dobijenih rafinata u komercijalne prerađevine. Sirova nafta sa naftonosnog polja nije čista. Sadrži različite nečistoće i primese kao što su voda, mulj, pesak, zemlja, kao i razne minerale rastvorene u prisutnoj vodi. Deo tih neželjenih pratilaca odstranjuje se još na mestu dobijanja, na naftonosnom polju, dok se ostatak čisti na putu do rafinerije ili u rafineriji. Odvajanje vode iz nafte započinje u separatoru i nastavlja se u sabirnim rezervoarima na naftonosnim poljima. To odvajanje zasniva se na činjenici da voda ima veću gustinu od nafte pa se taloži na dnu posuda u kojima se nafta nalazi, a iz kojih se onda na prihvatljiv način ispušta. Mnogo se teže odvaja emulgovana voda koja se sastoji od sitnih kapljica. Tako vezana voda u nafti odvaja se grejanjem nafte, pri čemu se emulzija razlaže. Zagrejana nafta se propušta kroz dehidrator (odvajač vode), a često se koriste i manje količine hemikalija (deemulgatora). Očišćena nafta se dalje prerađuje.
6.6.1. DESTILACIJA NAFTE U primarnoj preradi nafta se podvrgava destilaciji. To je postupak kojim se njene komponente razdvajaju na osnovu njihovih različitih tačaka ključanja na posebne frakcije ili rezove. Sama destilacija se naziva frakciona destilacija, a sprovodi se u posebnim kolonama koje se nazivaju destilacione kolone. 53
Na Slici 6.18. prikazane su temperaturne zone u kojima se pri destilaciji izdvajaju pojedine najprisutnije preovladavajuće frakcije. Granice navedenih temperaturnih zona ne treba strogo prihvatati, nego tek kao okvirne vrednosti koje su vrlo promenljive zavisno od sastava i kvaliteta dopremljene nafte. Dobijene destilacione frakcije su smeše ugljovodonika različite molekulske građe i molarne mase – sa različitim brojem ugljenikovih atoma u molekulu. Takva smeša nema neku određenu, u datim uslovima fiksiranu tačku ključanja kao neka hemijski homogena materija – jedinjenje (kao na primer čista destilisana voda ili čist alkohol). Za takve smeše je svojstveno područje ključanja ograničeno temperaturom na kojoj počinju da destilišu najlakša i najisparljivija jedinjenja kao i temperaturom na kojoj su isparile poslednje komponente posmatrane faze. Područje ključanja je, skladno tome, određeno početnom i konačnom temperaturom destilacije. Na desnoj strani Slike 6.18. navedena je i najčešća namena i upotreba pojedinih frakcija. Broj C atoma u molekulu Utečnjeni gas za domaćinstva
Petroletar – upotrebljava se kao rastvarač
Benzin za automobile
Petrolej – gorivo za mlazne avione
Dopremanje nafte u rafineriju
Dizel gorivo za kamione, brodove, Lokomotive i sl.
Ulja za podmazivanje, parafin za sveće i dr. Predgrejavanje sirove nafte
Bitumen – materijal za izgradnju Puteva i izolaciju od vlage
Slika 6.18: Šema frakcione destilacije nafte po kolonama Čitav postupak destilacije nafte se odvija kontinualno. Nafta se prvo destiliše u koloni za atmosfersku destilaciju, pod atmosferskim pritiskom (atmosferska kolona), a ostatak se uvodi u kolonu sa sniženim pritiskom (vakuum kolona), kako je šematski prikazano na Slici 6.19. Snižavanjem pritiska (stvaranjem vakuuma) u prostoru destilacije snižavaju se tačke ključanja preostalih težih komponenti ostatka destilacije. U oba slučaja se – i pri atmosferskoj i pri vakuum destilaciji – neprekidno odvajaju: vršne frakcije, bočne frakcije i frakcije dna. Vršna frakcija atmosferske destilacije vadi se sa vrha i pritom se dobijaju gasovi i laki benzini.
54
Bočnom frakcijom pri atmosferskoj destilaciji dobijaju se teški benzini, petrolej i gasno ulje (dizel frakcija). Frakcija sa dna atmosferske destilacije naziva se po primarnoj koloni laki ili primarni ostatak i služi kao sirovina za vakuum destilaciju. I pri vakuum destilaciji opet se neprekidno odvajaju vršne frakcije, bočne frakcije i frakcije dna. Atmosferska destilacija
Vršne frakcije
Gasovi i laki benzin
Bočne frakcije
Teški benzin, petrolej, dizel gorivo
Frakcije dna
Vakuum destilacija
Primarni ostatak
Vršne frakcije
Gasno ulje – dizel gorivo
Bočne frakcije
Laki, srednji i teški destilat
Frakcije dna
Sekundarni ostatak – bitumen
Slika 6.19: Šema postupaka atmosferske i vakuum destilacije nafte Razlika je, naravno, u rezultatu destilacije, tako da se vršnom frakcijom pri vakuum destilaciji dobija gasno ulje, a bočne frakcije su pritom laki, srednji i teški destilat. Frakcija sa dna te kolone naziva se vakuum ili sekundarni ostatak, a koristi se za dobijanje bitumena. Sa obzirom da iskorišćenje frakcija atmosferske (primarne) i vakuum (sekundarne) destilacije često ne zadovoljava potrebe za gotovim proizvodima, posebno gorivima, neke bočne frakcije se dalje izlažu postupcima sekundarne prerade: laki benzin se rafiniše i re-destiliše u specijalne benzine, teški benzin se katalitički reformiše tako da mu se poboljšava oktanska vrednost. Nagli razvoj motorizacije i velika potrošnja lakših tečnih goriva, posebno benzina, u prvoj polovini 20. veka, uslovili su razvoj tehnologija poželjnije korisnosti nafte. To je navelo stručnjake na pronalaženje takvih hemijskih procesa prerade kojima se iz nafte dobijaju znatno veće količine kvalitetnog benzina nego što ih sadrži sirova nafta.
6.6.2. Krekovanje nafte Procesom krekovanja (engl. cracking – cepanje, raspadanje) cepaju se veliki molekuli ugljovodonika pod uticajem visoke temperature i prikladnih katalizatora na manje molekule ugljovodonika – najčešće na dva jednaka dela sa nižom tačkom ključanja, kao na primer: C16H34
→
heksadekan
C8H18 oktan
+
C8H16. okten
55
Frakcije vakuum destilacije, koje su vrlo bogate težim ugljovodonicima, podvrgavaju se termičkom ili katalitičkom cepanju. Primenjuje se postupak u kom se određena manje potrebna frakcija izlaže temperaturama preko 400oC do 600oC i pritisku od oko 70 bar. Tim se postupcima dobijeni teški molekuli ugljovodonika (sa više ugljenikovih atoma) lome na lakše, tako da se iz njih opet dobijaju sekundarni gas, benzin, petrolej, dizel goriva i lož ulja.
6.6.3. Hidratacija nafte Kao što je pomenuto, krekovanjem nastaju ugljovodonici sa manje atoma u molekulu, ali i ugljovodonici sa razgranatom strukturom i neki nezasićeni ugljovodonici (izobutan, aromati) što pogoduje višem oktanskom broju. Pritom se generiše i njihov osnovni novi nedostatak – nepostojanost na vazuhu zbog veće količine nezasićenih ugljovodonika. Ovo se može sprečiti poznatim postupkom hidratacije, dodavanjem vodonika, čime se veći deo nezasićenih ugljovodonika zasićuje i time postaje stabilan na delovanje vazduha, kao u primeru nastanka oktana: C8H16
→
okten
H2
+
vodonik
C8H18. oktan
6.6.4. Polimerizacija nafte Tokom procesa krekovanja pojavljuje se određena količina gasovitih ugljovodonika koji se mogu iskoristiti kao gasovita goriva ili se mogu prevesti procesom polimerizacije u tečna goriva, odnosno benzin. Polimerizaciji se podvrgavaju isključivo nezasićeni ugljovodonici (olefini) koji se međusobno vezuju preko nezasićenih veza, kao na primer pri nastanku oktana: C4H8 izobuten
+
C4H8 izobuten
→
C8H16. izookten
Tokom polimerizacije nastaje dosta izo-jedinjenja koji su poznati po svom doprinosu većem oktanskom broju goriva.
6.6.5. Platformiranje nafte Sa obzirom da izoparafinski ugljovodonici i aromati imaju znatno veću oktansku vrednost, razvijeni su procesi reforminga (reformacije, preuređenja) molekula parafinskih ugljovodonika u vlastita izo-jedinjenja i aromate. Pritom se kao katalizator koristi platina (Pt), pa je taj proces u industrijskoj preradi nafte nazvan platformiranjem (engl. platforming). Tako dobijeni benzini u potpunosti su bez nestabilnih olefinskih ugljovodonika.
56
6.6.6. Izomerizacija nafte Izomerizacija je proces kod kog se menja struktura molekula, pa od normalnih parafinskih jedinjenja nastaju izo-jedinjenja. Kao što je poznato, broj atoma kod normalnih i izojedinjenja je isti, ali se menja njihova struktura, odnosno međusobni raspored. Promena strukture molekula događa se i pri krekovanju, ali se zadovoljavajuća izomerizacija obavlja kao poseban proces. Promenom njihove strukture menjaju se i neka njihova svojstva, odnosno mogu se prilagoditi potrebama korisnika određenog proizvoda.
6.6.7. Aromatizacija nafte Aromati su vrlo potrebne supstance, kako u petrohemijskoj industriji, tako i u postupku podizanja oktanskog broja benzina. Navedena činjenica dovela je do osmišljavanja procesa “aromatizacije” parafinskih i cikloparafinskih ugljovodonika, pri kome se nearomatski ugljovodonici preformišu u aromatske ugljovodonike. Određena količina aromatskih ugljovodonika nastaje i tokom procesa krekovanja.
6.6.8. Dorada nafte Naftni derivati proizvedeni fizičkim postupcima destilacije ili hemijskim procesima krekovanja i platformiranja nisu uvek prikladni za upotrebu. Oni redovno sadrže manje količine asfalta, smole, jedinjenja sa kiseonikom, azotom i sumporom, kao i druge štetne sastojke. Stoga se primenjuju dodatni procesi da bi se dobio željeni kvalitet, odnosno da bi se zadovoljili dosta strogi uslovi definisani aktuelnim normama o kvalitetu goriva (i maziva). Postupcima dorade naftnih derivata pripadaju: rafinacija, deparafinacija i deasfaltacija. U procesu rafinacije naftni derivati se pročišćuju od raznih neželjenih jedinjenja. Njihova količina, kao i sama potreba za rafinacijom, najčešće zavisi od sastava nafte iz koje je konkretan derivat dobijen. Krekovani benzini se redovno moraju rafinisati jer sadrže dosta smolastih i drugih neželjenih jedinjenja. Tokom procesa rafinacije, gorivima se često popravlja miris i boja. Sa obzirom da većina sirove nafte sadrži određene količine visokomolekulskih parafinskih ugljovodonika, odnosno čvrstog parafina (čija je tačka ključanja u području mazivih ulja, pa zaostaje u tim frakcijama), oni se pojavljuju i u dobijenim derivatima. Industrijski se deparafinacija naftnih derivata izvodi njihovim hlađenjem, što dovodi do očvršćavanja tih neželjenih parafina koji se zatim odstranjuju filtriranjem (ili centrifugiranjem). Pod deasfaltacijom se podrazumevaju postupci kojima se iz naftnih derivata odstranjuju neželjena asfaltna jedinjenja. Deasfaltacija se obično obavlja sumpornom kiselinom.
57
6.7. PODELA I KARAKTERISTIKE TEČNIH GORIVA PREMA NAMENI Tečne frakcije nafte, ili kako se u preradi nafte često nazivaju svetli proizvodi, kojima pripadaju i tečna goriva, čine najveći deo iscrpka prerade nafte. Od lakih frakcija prema težima to su:
motorni benzini, avionski benzini, petrolej, mlazna goriva, gasna ulja ili dizel goriva i ulja za loženje.
Motorni i avionski benzini dele se prema oktanskim vrednostima, a služe kao pogonsko gorivo u motorima SUS u kojima se goriva smeša inicijalno pali električnom varnicom. Petrolej se koristi kao gorivo u motorima SUS, ali se posebno rafinisan može koristiti i za rasvetu. Mlazna goriva služe za pokretanje mlaznih motora (najčešće aviona), a mogu obuhvatiti široke granice tački ključanja, od teškog benzina do petroleja. Gasnih ulja ili “dizel goriva” ima više vrsta i služe za pogon dizel motora, motora SUS u kojima se goriva smeša pali samozapaljivanjem. Posebna pažnja im se posvećuje zahtevanim kvalitetom radi zadovoljavanja zahteva pojedinih grupa motora i uslova njihovog rada. Ulja za loženje se takođe pripremaju u više vrsta, a koriste se kao goriva u domaćinstvima i industriji, posebno u energetskim postrojenjima. Osim navedenih tečnih goriva, od tečnih proizvoda pri destilaciji nafte dobijaju se i:
specijalni benzini, različita maziva ulja, ulja posebne namene, kao i različiti naftni rastvarači aromatske i nearomatske osnove.
Specijalnim benzinima se nazivaju oni benzini koji se ne koriste kao goriva. Dele se prema nameni, a razlikuju se po području tačke ključanja i nekim posebnim zahtevima kvaliteta. To su na primer petroletar, medicinski benzin, benzin za ekstrakciju, benzin za gumu itd. Maziva ulja i neka ulja posebne namene će biti detaljnije sagledana u posebnim poglavljima ove knjige koja se bave mazivima.
6.7.1. Benzini Prema definiciji, benzini su složeni tečni rastvori ugljovodonika različitih osnovnih komponenata i dodataka, tako da mogu sadržavati i po nekoliko stotina pojedinačnih jedinjenja sa malim količinama sumpornih i azotovih jedinjenja. Sam naziv ”benzini” nije u potpunosti određen. Naime, postoji razlika između proizvoda frakcione destilacije benzin i goriva koje se prodaje pod komercijalnim nazivom benzin na pumpama za snabdevanje gorivom. Benzini se mogu podeliti na više načina, i to sa obzirom: 58
na namenu motora u kom će se koristiti, na klimatske uslove primene i na niz svojstava kojima je određen kvalitet. Zavisno od vrste motora, benzini se mogu razvrstati prema svojim fizičko-hemijskim, odnosno prema eksploatacionim svojstvima od kojih su svakako najvažniji oktanski broj i isparljivost benzina. Sa obzirom na namenu motora u kom će se koristiti, mogu se podeliti na: benzine za motore ugrađene u vozila putnog prometa i benzine za motore ugrađene u avione. Prvi od navedenih benzina nazivaju se motornim benzinima, a drugi avionskim benzinima. Iako se obe vrste koriste kao gorivo u motorima čiji je princip rada identičan, podela je uslovljena nezanemarivim razlikama u zahtevima kvaliteta, pa i normama kojima su propisani određeni parametri njihovih najvažnijih fizičkih, hemijskih i eksploatacionih svojstava.
6.7.2. Motorni benzini Najvažnije gorivo za oto motore je motorni benzin. To su smeše ugljovodonika pretežno pravolančanih i granatih parafina, olefina i cikličkih ugljovodonika, molekula od 5 do 10 ugljenikovih atoma i sa rasponom tački ključanja u intervalu od 70 do 200°C. Motorni benzini, kao i svi drugi benzini, su po svom hemijskom sastavu vrlo složene tečnosti ugljovodonika različitih osnovnih komponenata i dodataka koji mogu sadržavati i po nekoliko stotina pojedinačnih jedinjenja. Zavisno od vrste motora, njegovih konstrukcionih posebnosti, opštem stanju i zahtevima upotrebe, motorni benzini se mogu znatno razlikovati. Razlike su vidljive u hemijskom sastavu, fizičkim i hemijskim svojstvima, eksploatacionim svojstvima, nameni i sličnom. Služe kao pogonsko gorivo za motore SUS u kojima se goriva smeša inicijalno pali električnom varnicom. Po svom pronalazaču (Nicolaus August Otto, 1832. do 1891.) se takvi motori nazivaju oto motori, ali vrlo često u svakodnevnom govoru i po nazivu goriva koje koriste benzinski motori. 6.7.2.1. Osnovni zahtevi primene motornih benzina Radi osiguranja normalnog rada motora i ekonomičnosti primene, motorni benzini moraju zadovoljiti sledeće zahteve: U motoru SUS, benzin mora normalno sagorevati, bez pojave čađenja i detonacije. Paljenje gorive smeše mora biti izazvano isključivo električnom varnicom, a nastali front plamena mora se ravnomerno rasprostirati, nedetonacionom brzinom po celoj komori sagorevanja. Isparljivost benzina mora biti takva da u različitim uslovima rada motora SUS uvek bude osigurano stvaranje gorive smeše pravilnog odnosa goriva i vazduha, čime se
59
osigurava lagano pokretanje, brzo zagrejavanje kao i postizanje radne temperature i očekivano ubrzavanje motora. U uslovima dobrog rada motora, benzin mora isparavati tokom čitavog intervala ključanja bez pojave sekundarne kondenzacije u usisnom kolektoru, ali i bez pojave parnih čepova u uređaju za napajanje gorivom. Ne sme sadržavati komponente koje tokom sagorevanja u cilindru motora ne bi potpuno isparile i izgorele. Hemijski mora biti stabilan. Tokom skladištenja i upotrebe ne sme doći do pojave izdvajanja taloga i smole u uređaju za napajanje gorivom. Mora biti hemijski neutralan, tj. ne sme biti agresivan sa korodirajućim delovanjem na sve delove rezervoara, cevovoda, usisnog kolektora i ostale komponente u uređaju za napajanje gorivom. Ni benzin ni produkti sagorevanja ne smeju prekoračiti aktuelnim normama dopuštene granice neželjenog delovanja na ljude i okolinu.
6.7.2.2. Fizičko-hemijska svojstva motornih benzina Kvalitet motornih benzina, kao i mnogih drugih tržišnih proizvoda, propisuje se i osigurava minimalnim zahtevima iskazanim fizičko-hemijskim i tehnološkim svojstvima kada su ona određena definisanim i normiranim metodama. Sa obzirom da je motorni benzin u Evropi zastupljen sa oko 20% u ukupnoj preradi nafte, kao i da se godišnje potroši preko 120 miliona tona ovog benzina, njegov kvalitet (koji se definiše i nadzire u skladu sa odgovarajućim propisima, pravilnicima i normama) je od izuzetne važnosti za: potrošače goriva, proizvođače goriva, proizvođače motornih vozila. Glavna svrha uvođenja normizacije za motorne benzine je osiguravanje nepromenjivog kvaliteta benzina na celom tržištu kao i osiguranje neophodnih uslova radi postizanja dobrih voznih svojstava za sva vozila kojima su namenjeni. Postoji veliki broj nacionalnih normi koje definišu minimum kvaliteta koji svi motorni benzini moraju zadovoljiti pri pojavi na tržištu. Evropska specifikacija propisanih svojstava za benzin, CEN EN 228, nastala je direktno na zahtev članica Evropske unije, a pokriva bezolovne benzine. Sva normirana svojstva benzina svrstana su u dve kategorije, i to: kategorija A (obavezna grupa definisanih svojstava) i kategorija B (neobavezna grupa definisanih svojstava – specifikuju ih nacionalna tela). Prva, odnosno kategorija A, propisuje:
gustinu, minimalnu vrednost oktanskog broja, maksimalan sadržaj benzena, maksimalan sadržaj olova, maksimalan udeo smole, 60
maksimalan sadržaj sumpora, minimalnu vrednost oksidacione stabilnosti, kao i maksimalnu vrednost korozivnosti. Druga kategorija (kategorija B svojstava) prepuštena je nacionalnim telima za donošenje aneksa toj normi u smislu propisivanja isparljivosti, odnosno zahteva za isparljivošću benzina. Svaka zemlja propisuje koja se klasa isparljivosti (od ukupno 8) primenjuje u definisanom periodu godine za određeno geografsko područje. Sa obzirom na nadmorsku visinu i klimatske uslove u kojima se koriste motori SUS, na tržište obično dolaze dva (vrlo retko tri) kvaliteta – jedna zimi (ili za sever neke veće države), a druga leti (ili za jug istog tržišta). Ti se benzini međusobno razlikuju isključivo po onim zahtevima kvaliteta koji se odnose na njihovu isparljivost, a to je definisano naročito njihovim frakcionim sastavom. Naime, što su toplotni uslovi primene konkretnog benzina više izraženi – što je toplije, isparljivost mora biti manja. Obrnuto važi za zimske formulacije benzina – u kom trebaju dominirati komponente niske tačke ključanja zbog mogućih problema pokretanja rada motora SUS pri nižim temperaturama. Motorni benzini se zbog svog sastava i normi kojima su ti sastavi propisani obično dele u dve glavne grupe benzina, na: olovne i bezolovne. I prvi i drugi su dalje podeljeni prema oktanskom broju na: normalni i super benzin. Super benzin ima veći oktanski broj i veću otpornost prema detonacionom sagorevanju, pa se koristi u motorima sa većim oktanskim zahtevima. U upotrebi je i podela benzina na: zimski i letnji. Zimski benzin, za razliku od letnjeg, sadrži više lako isparljivih frakcija naftnih ugljovodonika čime se osigurava olakšano pokretanje motora u zimskim uslovima. 6.7.2.3. Motorni benzini sa olovom Olovni tetraetil, čiji je molekul prikazan na Slici 6.20., počeo se primenjivati kao dodatak za povećanje oktanskog broja benzina 1929. godine u SAD-u, a zatim i u ostalim zemljama. Svojevremeno je uobičajena koncentracija bila 1 g/l, čime je oktanski broj tadašnjem benzinu povećan i za više od 15 jedinica. Dodavao se smeši sa etilendibromidom, pa se tokom sagorevanja benzina u cilindru motora pretvarao u isparljivi olovni bromid i tako sprečavao nakupljanje olova u motoru. Nastali olovni bromid isparavao je već pri 370oC i napuštao motor zajedno sa izduvnim gasovima.
61
Sadržaj olova u nemačkom benzinu je do 1971. godine iznosio 0,63 g/l, ali je postepeno opadao i od 1976. godine iznosio je samo 0,15 g/l. Na samom kraju 20. veka u Evropi je zabranjena prodaja olovnog benzina, a NIS je prestala sa proizvodnjom olovnih benzina 2010. godine.
Slika 6.20: Molekul tetraetilolova 6.7.2.4. Bezolovni motorni benzini Dopuštene granice štetnih emisija su već niz godina toliko niske da ih benzinski motori mogu zadovoljiti samo pročišćavanjem izduvnih gasova u katalizatoru. Za dobro funkcionisanje katalizatora, motor treba da radi sa precizno određenim odnosom goriva i vazduha, a benzin sme da sadrži olovo samo u tragovima, jer olovo u benzinu uništava katalizator i lambda-sondu. Zato danas na tržištu postoje uglavnom bezolovni motorni benzini. Bezolovnom motornom benzinu se oktanski broj povećava dodavanjem visokooktanskih frakcija u procesu proizvodnje. Ugljovodonici prstenastih (aromati) i razgranatih struktura (izoparafini) otporniji su prema detonaciji od lančastih (n-parafini). Pritom treba postići ravnomernu otpornost prema detonacionom sagorevanju u celom području destilacije od 25 do 210°C. Dodavanjem komponenata koje sadrže kiseonik (metanol, etanol) oktanski broj se povećava, ali nastupaju drugi problemi. Npr. alkohol je higroskopan pa povećava sadržaj vlage u gorivu i agresivan je prema nekim uobičajenim materijalima u uređaju dovoda goriva. Minimalni zahtevi kvaliteta bezolovnog benzina propisani su normom CEN EN 228. Parametri normiranih fizičko-hemijskih svojstava kvaliteta tečnih goriva prikazani su u pravilniku u Prilogu ovog udžbenika.
6.7.3. Avionski benzini Avionski benzini su goriva za pokretanje avionskih klipnih motora SUS čiji se radni proces zasniva na Otto ciklusu, a u kojima se smeša goriva i vazduha inicijalno pali električnom varnicom. Pojava detonacije u avionskim motorima mnogo je opasnija od pojave detonacije u automobilskim motorima. Stoga je neophodno posvetiti više pažnje izboru i kontroli 62
oktanskog broja avionskih benzina za klipne motore. Taj zahtev usmerava i tehnološki proces proizvodnje avionskih benzina na neke posebne postupke (alkilacija i izomerizacija iz tečnih gasova kao sirovine). Za klipne avionske motore koriste se benzini sa užim područjem ključanja, od 45°C do 160°C, kao i sa većom otpornošću prema detonaciji. Dobijaju se mešanjem kvalitetnih komponenti povišenog ili visokog oktanskog broja uz dodatak različitih aditiva. Od komponenti se najčešće koriste primarni benzin, benzin katalitičkog krekovanja i alkilat benzin, jer ti benzini imaju veći udeo aromata i naftena. Poznato je da se najviše toplotne energije po jedinici mase dobija iz parafinskih, a najmanje iz aromatskih ugljovodonika. Međutim, zbog niskih temperatura kojima su u eksploataciji izloženi avionski benzini pri njihovom dobijanju trebalo bi koristiti komponente sa manjim udelom parafina sa obzirom na to da imaju relativno visoku temperaturu stinjavanja. Zato avionski benzini, vodeći računa o zahtevanom visokom oktanskom broju i upotrebi u uslovima sniženih temperatura, moraju sadržavati pretežno izoparafinske ugljovodonike i nešto aromata.
Zapreminski udeo (%)
Na slici 6.21. prikazana je tipična raspodela broja ugljenikovih atoma u ugljovodonicima od kojih se sastoje avionski benzini za klipne motore.
Broj ugljenikovih atoma
Slika 6.21: Tipična raspodela broja C atoma ugljovodonika Budući da se pred avionske benzine postavlja čitav niz posebnih zahteva, avionski benzini se bitno razlikuju od motornih benzina za napajanje motora SUS putničkih vozila. Svaki nedostatak i svaka nepravilnost u radu avionskog motora uvek je opasnija od nepravilnosti kod putničkog vozila. Veće nepravilnosti mogu biti i fatalne. Čitav niz kompromisa u odnosu kvaliteta i primene sa kojima se suočava kod motornih benzina, kod avionskih je apsolutno neprihvatljiv, jer je faktor sigurnosti neuporedivo važniji. Zahtevi posebnog kvaliteta dolaze ne samo zbog neophodnog nivoa sigurnosti, nego i zbog posebnosti konstrukcije avionskih motora: savremeni avionski motori imaju niže stepene kompresije, uređaji za napajanje gorivom obično su bez konvencionalnog karburatora – gorivo se uglavnom ubrizgava, kompresor za povećanje pritiska vazduha na usisu i povećanje stepena punjenja je redovna komponenta. Osim za pogon motora aviona, avionski benzini se koriste i za pogon klipnih motora SUS helikoptera. 63
6.7.3.1. Fizičko-hemijska svojstva avionskih benzina Kvalitet avionskih benzina, kao i mnogih drugih tržišnih proizvoda, propisuje se i osigurava minimalnim zahtevima iskazanim fizičko-hemijskim i tehnološkim svojstvima kada su ona određena definisanim vrednostima i normiranim metodama. Kod ove vrste goriva određuje se:
oktanski broj, isparljivost, toplotna vrednost, maksimalan sadržaj olova, maksimalan sadržaj sumpora, korozivnost, oksidaciona stabilnost (maksimalan udeo smole), temperatura početka kristalizacije, reakcija sa vodom, kiseline i alkalije rastvorljive u vodi, kao i gustina i količina inhibitora.
6.7.4. Goriva za mlazne motore Proizvodnja mlaznih goriva povezana je sa uspešnom primenom gasne turbine u vazduhoplovstvu. Gasna turbina može poslužiti za pogon aviona na dva načina: a. za korišćenje potiska nastalih gasova sagorevanja (turbojets – turbomlazni pogon) i b. za pokretanje elise (turbopropellers – turboelisni pogon). Turbomlazni motori, Slika 6.22., su najstarija i najjednostavnija vrsta mlaznih motora koji se ugrađuju u avione većih brzina.
Slika 6.22: Turbomlazni motor za pogon aviona Princip rada turbomlaznog motora za pogon aviona prikazan je šematski na Slici 6.23. Vazduh kroz usisnik sa desne strane ulazi u kompresor gde se komprimuje pre ulaska u komoru za sagorevanje. Komprimovani vazduh se potom meša sa gorivom i u vrtložnom strujanju pali. Proces sagorevanja povećava energiju gasova koji izlaze iz komore za 64
sagorevanje i šireći se prolaze kroz turbinu. Turbina preko zajedničkog vratila pokreće kompresor. Struja gasova zatim prolazi kroz mlaznicu gde joj se bitno povećava brzina mlaza koji kroz izduvni deo izlazi iz motora, stvara neophodnu silu potiska čija reakcija pokreće avion. turbina
mlaznica
vratilo
kompresor
komora za sagorevanje
Slika 6.23: Šema principa rada turbomlaznog motora Turboelisni motori, Slika 6.24., energiju mlaza izduvnih gasova koriste za pokretanje turbine koja preko vratila direktno ili preko odabranog prenosnika (reduktora) pokreće elisu. Sila potiska koju izduvni gasovi (iza turbine) stvaraju je manja u ovim motorima. Ugrađuju se u manje avione koji lete na manjim visinama i manjim brzinama. Kao i ostali mlazni motori, sastoji se od usisnika vazduha, kompresora, komore za sagorevanje i turbina. Vazduh koji ulazi u kompresor u njemu se komprimuje, a gorivo se dodaje komprimovanom vazduhu pa smeša sagoreva u komorama za sagorevanje. Vrući gasovi nastali procesom sagorevanja prolaze kroz turbine. Manji deo transformisane mehaničke energije turbine troši se na pokretanje kompresora, a veći ostatak energije pokreće elisu, odnosno avion. Prvo gorivo za mlazne motore ispitano u praksi bio je komercijalni petrolej za rasvetu. Budući da je udeo petrolejske frakcije iz sirove nafte nedovoljan jer se nalazi između 6 i 15%, nametnuta je potreba širenja ciljane frakcije dodavanjem benzina – avionskih benzina. elisa
menjač
vratilo
kompresor
turbina
izduvni gasovi
komora za sagorevanje
Slika 6.24: Šema principa rada turboelisnog motora za pogon aviona
65
6.7.5. Gasna ulja (dizel goriva) Gasna ulja su tečni proizvod prerade nafte. Dizel gorivo je kompleksna smeša različitih rafinerijskih produkata i aditiva. To je smeša kerozinske frakcije i frakcije lakog gasnog ulja tačke ključanja između 160°C i 340°C, a sadrži pretežno ugljovodonike sa 14 do 19 ugljenikovih atoma (ali i do 25). Koriste se kao pogonsko gorivo za pokretanje motora SUS kod kojih se goriva smeša ubrizgava u struju komprimovanjem zagrejanog vazduha i pali samostalno (bez električne varnice). Gorivo se ubrizgava u cilindar motora SUS pri kraju takta kompresije čistog vazduha pre dolaska klipa do gornje mrtve tačke. Tokom tog takta vazduh se zagrejava iznad temperature samozapaljenja koja je dovoljna da korektno odabrano i tokom ubrizgavanja dobro raspršeno gorivo postigne željene odnose goriva i vazduha i samo se zapali, uz očekivani nagli porast i pritiska i temperature. Postoji nekoliko vrsta gasnih ulja, odnosno dizel goriva, a dele se prema nekim svojim svojstvima, kao i prema nameni i upotrebi (za pogon automobila, teških vozila, brodskih i železničkih motora). Najvažniji indikatori svojstava dizel goriva su:
cetanski broj, anilinska tačka, cetanski indeks, dizel indeks i filtrabilnost.
6.7.5.1. Podela gasnih ulja Dizel goriva koja se koriste u Republici Srbiji prema Pravilniku o tehničkim i drugim zahtevima za tečna goriva naftnog porekla su: 1) EVRO DIZEL, 2) DIZEL D2, 3) DIZEL D2S, 4) DIZEL D1E. Dizel gorivo EVRO DIZEL mora da zadovolji sve zahteve standarda SRPS EN 590. Neke karakteristike ostalih dizel goriva prikazana su u Tabeli 6.4, a njihova ostala svojstva prikazana su u odgovarajućim sekcijama Pravilnika prikazanog u Prilogu. Tabela 6.4: Podela i neke karakteristike gasnih ulja (dizel goriva) D2 D2S D1E Metoda Gustina na 15°C, 860 860 860 SRPS EN ISO najviše (kg/m3) 3675/ASTM D 4052/SRPS ISO 12185 Viskoznost na 2,00 – 9,00 2,00 – 9,00 1,00 – 6,50 SRPS ISO 20°C, najmanje 3104/ASTM D 2 najviše (mm /s) 445 66
Tačka paljenja, najmanje (°C) Sadržaj vode, najviše (mg/kg) Sadržaj sumpora, najviše (mg/kg) Sadržaj pepela, najviše (% m/m) Cetanski indeks, najmanje
55
55
55
700
700
700
10000
2000
5000
0,01
0,01
0,01
45
45
45
SRPS EN ISO 2719 SRPS ISO 12937/ISO 6296 SRPS EN ISO 8754 SRPS EN ISO 6245 SRPS ISO 4264/ASTM D 4737
6.7.5.2 Osnovni zahtevi primene gasnih ulja Da bi se osigurao normalan i pouzdan rad motora SUS uz ravnomerno i mirno sagorevanje u svim eksploatacionim uslovima, od dizel goriva se očekuje da zadovolji sledeće zahteve: Gorivo mora biti takvo da se može lagano i bez zastoja dozirati pumpama visokog pritiska. Zato ne sme sadržavati mehaničke primese, vodu, talog ili neke druge strane materije koje bi mogle remetiti normalan rad motora SUS. Tokom ubrizgavanja gorivo se mora dobro raspršiti, a raspršene čestice moraju brzo ispariti. Zato gorivo mora da ima tačno određen viskozitet i isparljivost, što zavisi uglavnom od hemijskog i frakcionog sastava. Gorivo mora imati određeni cetanski broj (sklonost zapaljenju), što zavisi od njegovog hemijskog sastava. Postiže se odgovarajućom obradom goriva u rafineriji, izborom komponenti i eventualno dodavanjem nekih aditiva. Gorivo mora imati svojstva primerena klimatskom okruženju u kom će se koristiti, čime se osigurava pokretanje i normalan rad motora u kompletnom eksploatacionom rangu temperature okoline. Zbog rada u niskotemperaturnim uslovima ne sme doći do kristalizacije i odvajanja težih parafinskih molekula, što bi dovelo do početnog zamućenja i njegovog konačnog stinjavanja. Takva pojava otežava protok goriva. Izdvojeni parafin započinje prekrivanje filtrirajuće površine prečistača, što brzo dovodi do njegovog začepljenja i prekida rada motora. Ponašanje goriva u uslovima niskih temperatura i moguće posledice na rad motora SUS ispituju se normiranim metodama određenih parametara (stinište, tačka zamućenja, filtrabilnost, startnost itd.). U svim uslovima skladištenja, transporta i primene gorivo mora biti stabilno. Nepoželjne su oksidacione promene i izdvajanje taloga. Poznato je da su veći molekuli nestabilniji, čemu bitno doprinosi i prisutnost sumpora, azota, kiseonika. Sastav goriva mora biti takav da ne izaziva koroziju rezervoara, cevovoda i ostalih delova uređaja za napajanje gorivom.
67
6.7.6. Biodizel Biodizel je komercijalni naziv za metil estar uglavnom ulja uljane repice (RME – engl. Rapeseed Methil Ester). Metil estar koji se proizvodi isključivo od ulja uljane repice nalazi se na tržištu tečnih goriva i prodaje se krajnjim korisnicima bez dodatog mineralnog dizel goriva. To je neotrovna i biorazgradiva zamena za mineralno dizel gorivo. Ideja o primeni biljnih ulja za pogon motora sa unutrašnjim sagorevanjem vrlo je stara i povezana je sa tvorcem dizel motora – Rudolfom Dieselom. On je 1900. godine na svetskoj izložbi u Parizu predstavio rad dizel motora sa pogonom upravo takvim gorivom – uljem kikirikija. Međutim, tadašnja niska cena nafte i tehnološki napredak u njenoj preradi doveli su do toga da se originalna ideja i primena nefosilnih biljnih ulja odloži do našeg doba. Prvi savremeni eksperimenti i ispitivanja mogućnosti primene biljnog ulja za pokretanje motornih vozila započeli su 1973. godine u doba prve naftne krize. Zbog nestašice nafte i sve većeg opterećenja okoline emisijom izduvnih gasova motornih vozila, krajem 20. veka aktualizovana je ideja o primeni biogoriva (engl. biofuel). Evropska unija je direktivom 2003/30/EC obvezala sve svoje članice da do 31. decembra 2005. moraju osigurati najmanje 2% udela biogoriva i drugih obnovljivih goriva u ukupnoj količini pogonskih goriva za transportne svrhe (računato na sadržaj energije), 5,75% do 31. decembra 2010. godine i čitavih 20% do 2020. godine. Takva politika stvorila je uslove za aktuelnu svetsku raspodelu u svetskoj proizvodnji tog obnovljivog izvora energije, kako je prikazano na Slici 6.25. Gotovo 2/3 svetske proizvodnje biodizela realizuje se u Evropi. Prema direktivi Evropske unije 2003/30EC (član 2.) biodizel je definisan kao “metil estar proizveden iz ulja uljarica ili ulja animalnog porekla, kvaliteta mineralnog dizel goriva, a koristi se kao biogorivo”. To je obnovljivo i biorazgradivo gorivo koje se dobija iz biljnih ulja, životinjskih masti i recikliranog otpadnog jestivog ulja. SAD, Kanada 4.2%
Azija 1.0%
Ostali svet 29.2%
EU 65.6%
Slika 6.25: Svetska proizvodnja biodizela Pripada grupi srednje dugih derivata – C16 do C18 – lančanih masnih kiselina i pokazuje strukturnu sličnost sa molekulama mineralnog dizel goriva, pa ima i svojstva vrlo slična onima klasičnog mineralnog dizel goriva proizvedenog od nafte, kako se može videti poređenjem navedenih karakteristika i osnovnih svojstava prikazanih u Tabeli 6.5. 68
Tabela 6.5: Karakteristična svojstva mineralnog dizel i biodizel goriva Veličina – svojstvo Jedinica Dizel gorivo (EN Biodizel (prEN 590) 14214) Ugljenik % mase 85-87 77 Vodonik % mase 15-13 12 Kiseonik % mase 0 11 Sumpor mg/kg do 350 do 10 Pepeo mg/kg do 0,01 do 0,02 Voda mg/kg do 200 do 500 Stehiometrijska količina kg vazduha / kg 14,4 12,8 vazduha goriva Gustina (15°C) kg/m3 820 – 845 860 – 900 Masena toplotna vrednost MJ/kg 42,50 37,10 3 Zapreminska toplotna MJ/dm 35,36 32,65 vrednost Toplotna vrednost smeše (0°C, kJ/m3 3813 3775 1 bar) Početak isparavanja °C ~180 ~320 Kraj isparavanja °C ~350 ~360 Cetanski broj . iznad 51 iznad 51 Kinematski viskozitet 40°C mm2/s 2 do 4,5 3,5 do 5 Temperatura stinjavanja °C +5 do -20 +5 do -20 Tačka paljenja °C iznad 55 iznad 101
Poređenjem osnovnih svojstava i prvim savremenim ispitivanjima pokazano je da se biljna ulja mogu uspešno koristiti u dizel motorima, ali su postojale i određene poteškoće. Glavni problem je bio povišeni viskozitet ulja biološkog nemineralnog porekla, a zatim agresivnost prema nekim materijalima uređaja za napajanje gorivom klasičnih motora i drugo. 6.7.6.1. Proizvodnja biodizela Proizvodni proces se zasniva na hemijskoj reakciji viših nezasićenih masnih kiselina i alkohola uz prisutvo alkalnih katalizatora (NaOH ili KOH). Od alkohola se najčešće koristi metanol (CH3OH). Problem visokog viskoziteta je rešen postupkom esterifikacije, Slika 6.26. Ovim postupkom se sirova biljna ulja ili životinjske masti u reakciji sa alkoholom uz prisustvo katalizatora prevode u estre masnih kiselina, pri čemu uz estar nastaje i sporedni proizvod glicerin.
69
Slika 6.26: Šema hemijske reakcije esterifikacije Najveći evropski proizvođači biodizela su Austrija, Francuska, Nemačka, Italija, Španija i Švedska. Za sada proizvodnja biodizela može biti ekonomski isplativa jedino ako postoje neobrađene poljoprivredne površine na kojima se ne mogu proizvoditi kulture čijom se prodajom može zaraditi, a država se odrekne uobičajenih nameta (poreza, trošarina, putarina) na biodizel. Uz sadašnje standardne cene konvencionalnih mineralnih goriva, kao i derivata nafte, proizvodnja biodizela je još uvek preskupa tako da joj je isplativost pod znakom pitanja.
DOBIJANJE ULJA
Slika 6.27: Bilans mase proizvodnje biodizela i njegovi nusproizvodi Na Slici 6.27. prikazan je bilans mase proizvodnje biodizela i prateće količine najvažnijeg nusproizvoda. Najvažnije sirovine za proizvodnju biodizela su uljana repica, suncokret, soja, palma, otpadno jestivo ulje, goveđi loj i slično. Izbor sirovine zavisi od udela poljoprivrednih kultura u pojedinim zemljama. U Evropi se biodizel proizvodi najviše iz repičinog ulja (84%) i suncokreta (13%), Slika 6.28., dok se, na primer, u SAD-u najviše koristi sojino ulje. soja palma ostalo 1% 1% 1% suncokret 13%
uljana repica 84%
Slika 6.28: Zastupljenost pojedinih poljoprivrednih kultura u proizvodnji biodizela u EU 70
U Srbiji je prva fabrika biodizela izgrađena u uljari “Victoriaoil” u Šidu 2007. godine, sa godišnjim učinkom 100000 l biodizela. Principijelni tok proizvodnog procesa proizvodnje biodizela prikazan je na Slici 6.29 Kultivacija Slama
Uljana repica
Transport
Obrada
Pogača Ulje repice
Proizvodnja biodizela
Glicerin Biodizel
Slika 6.29: Šematski prikaz dobijanja biodizela 6.7.6.2. Primena biodizela u motorima SUS Današnji dizel motori uz male izmene mogu raditi sa većinom ulja i naftnih derivata. Na primer, veliki brodski motori za svoj rad koriste mazut ili sirovu naftu, dok tenkovski motori rade sa gotovo svim tečnim gorivima. Goriva, odnosno ulja na osnovi biljnih ili životinjskih masti se takođe mogu koristiti za pogon dizel motora. Velika prednost biodizela je izuzetno nizak sadržaj sumpora. Time takvo gorivo upravo idealno odgovara zahtevima stalnog smanjivanja sumpora u gorivu, Slika 6.30.
Slika 6.30: Smanjivanje dopuštenog sadržaja sumpora u gorivu za dizel motore na kraju 20. i početkom 21. veka Sumpor u gorivu povećava emisiju čvrstih čestica, HC, NOX i CO. Osim toga, sumpor oštećuje prečistače za hvatanje i sagorevanje čestica iz dizel motora. Sa druge strane, sumpor daje 71
gorivu mazivost potrebnu za podmazivanje pumpi visokog pritiska za ubrizgavanje. Biodizel odlično podmazuje. Već samo 0,4% biodizela u mineralnom dizel gorivu osigurava minimalnu propisanu mazivost. Prema tome, mešavina i sa malim postotkom biodizela može u potpunosti zameniti manjak mazivosti nesumpornih goriva. U dizel motorima se biodizel kao gorivo koristi na dva načina: kao dodatak konvencionalnom dizel gorivu i kao čist biodizel. Kada se koristi kao dodatak, zbog dobijanja goriva uočljivo različitih svojstava, razlikuju se dva slučaja: kada se biodizel dodaje konvencionalnom dizel gorivu u maloj količini (od 1,5 do 5%) i kada se biodizel dodaje u znatno većoj količini (od 5 do 30%). U prvom slučaju, dodatkom biodizela postiže se poboljšanje određenih karakteristika konvencionalnog dizel goriva. Kako je prethodno već objašnjeno, savremena dizel goriva sa smanjenim sadržajem sumpora koja se dobijaju iz nafte imaju loša maziva svojstva. Biodizel poboljšava mazivost, a da se pritom ne povećava sadržaj sumpora. Ta goriva imaju oznaku BXX, gde XX označava procentni sadržaj biodizela. Što se tiče kvaliteta, biodizel mora zadovoljiti sve zahteve kao i konvencionalno dizel gorivo. Dizel goriva sa većim sadržajem biodizela imaju bitno izmenjena svojstva u odnosu na konvencionalno dizel gorivo pa se tretiraju kao posebna goriva i za njih važe posebne norme provere kvaliteta. Zato je potrebno napomenuti da je biodizel prvo nekonvencionalno gorivo sa karakteristikama definisanim odgovarajućim normama. Postoje brojne nacionalne norme za biodizel, poput:
američke – ASTM PS121-99, austrijske – ON C1191, češke – CSN 65 6507, švedske – SS 155436 ili italijanske – UNI 10635.
Nemačka norma DIN 51606 bila je do donošenja evropske norme referentna za mnoge proizvođače iz zemalja koje nisu imale svoje nacionalne standarde iz tog područja. Najnovija evropska norma EN 14214 koju je usvojio evropski odbor za normiranje (CEN – European Committee for Standardization) primenjuje se od kraja 2003. godine u zemljama članicama EU. Biodizel je prvo i za sada jedino nekonvencionalno gorivo koje je prošlo kompletnu procenu emisije izduvnih gasova i potencijalnih zdravstvenih rizika prema programu agencije EPA – Environmental Protection Agency. Taj program uključuje najoštrije procedure ispitivanja radi sertifikovanja goriva. Podaci dobijeni iz tih ispitivanja ujedno su i najpotpuniji sažetak uticaja biodizela na okolinu i ljudsko zdravlje. Rezultati tih ispitivanja prikazani su u dijagramu na Slici 6.31.
72
Slika 6.31: Promena u emisijama tokom primene biodizela Rezultati ispitivanja govore da se upotrebom biodizela nivo emitovanih čvrstih čestica (PM) smanjuje i do 50%. Slični rezultati dobijeni su i sa obzirom na redukciju emisije ugljen monoksida (CO), a smanjenje ugljovodonika (HC) je od oko 65%. Jedino je emisija azotnih oksida (NOX) pri pogonu dizel motora biodizelom veća u proseku oko 10%, jer molekuli biodizela sadrže hemijski vezan kiseonik. Iako sirova biljna ulja imaju slična svojstva kao dizel goriva, dugotrajnom upotrebom u dizel motorima uočeni su neki problemi kao što su formiranje koksa na brizgaljki i stvaranje depozita, raznih taloga na delovima prostora za sagorevanja. Takve poteškoće prvenstveno su posledica povišenog viskoziteta biljnog ulja u odnosu na dizel gorivo. Povećani viskozitet štetno utiče na trajanje ubrizgavanja goriva, pritisak i raspršivanje (atomizaciju) goriva što rezultuje porastom pritiska i temperatura sagorevanja i povećanom emisijom azotnih oksida NOX u izduvnim gasovima, što se vidi i na dijagramu, Slika 6.31. Pri pogonu biodizelom dolazi do zagađivanja ulja za podmazivanje motora, odnosno do pojave njegovog razređivanja, pa je potrebno češće menjati ulje i prečistač ulja za podmazivanje motora. Razlog je znatno viša temperaturna karakteristika isparavanja biodizela u odnosu na dizel gorivo. Do razređivanja dolazi zbog toga što nakon ubrizgavanja goriva u cilindar deo fino raspršenih kapljica biodizela ne stigne da ispari, nego dospeva na zidove cilindara u području klipnih prstenova. Kako je zid cilindra zbog hlađenja motora hladniji od ostatka prostora sagorevanja, sitne kapljice goriva na njima se sporije zagrejavaju, odnosno ne isparavaju. Istovremeno se klip pomera od donje mrtve tačke ka gornjoj mrtvoj tački pa klipni prstenovi razmazuju kapljice goriva u film koji ostaje izvan prostora sagorevanja. U povratnom hodu klipa, klipni prstenovi sastružu deo tog filma koji nakon toga pada u korito motora gde se nalazi ulje za podmazivanje. Osnovna prednost biodizela, osim činjenice da se radi o obnovljivom izvoru energije, je u tome što se njegovom proizvodnjom i sagorevanjem u motoru SUS u okolini uspostavlja zatvoren krug u kom se ne menja količina ugljenika u atmosferi, za razliku od fosilnih goriva. Kada bi se fosilna goriva u potpunosti zamenila biodizelom, količina gasa staklene bašte CO2 u atmosferi zadržala bi se na konstantnom nivou.
73
Osim što bi u ne tako dalekoj budućnosti mogla postati nemerljiva prednost, činjenica da je biodizel obnovljiv izvor energije, postoje i danas neke zanimljive razlike u svojstvima biodizela u odnosu na konvencionalno dizel gorivo. Osnovne prednosti i nedostaci mogli bi se svesti na sledeće: Transport i skladištenje čistog biodizela znatno je manji rizik za okolnu jer je biodizel netoksičan i biorazgradiv (za razliku od konvencionalnog dizel goriva). Prilikom transporta biodizela preduzimaju se zaštitne mere kao i kod transporta običnih jestivih biljnih ulja. Međutim, kada se transportuju mešavine konvencionalnog dizel goriva i biodizela, preduzimaju se iste preventivne mere kao i u slučaju transporta običnog dizel goriva. Mora se organizovati adekvatan transport i skladištenje biodizela radi efikasnog izbegavanja uticaja atmosfere i vlage. Biodizel je vrlo higroskopan, ima nižu oksidacionu stabilnost, a pogodan je i za razvoj mikroorganizama. Biodizel može biti hemijski agresivan prema nekim materijalima (elastomerima) koji se često koriste u izradi delova elastičnih cevovoda i zaptivki, pa proizvođači motora moraju primenjivati kvalitetnije materijale (uglavnom fluorisani kaučuk) za elemente sistema za napajanje motora gorivom. O tome treba voditi računa prilikom projektovanja instalacija kroz koje će prolaziti biodizel – bilo da je u pitanju transport i skladištenje, bilo uređaj za napajanje gorivom na samom motoru SUS. Ukoliko se vozila pogonjena biodizelom ne koriste duže vreme, u rezervoarima goriva može doći do stvaranja gljivica i taloga ili nakupljanja vlage zbog higroskopnosti ovog goriva.
6.7.7. Lož ulja Lož ulje je konvencionalno tečno fosilno gorivo visoke vrednosti sadržaja energije. Vrlo je rasprostranjeno i široko pristupačno za upotrebu u industriji i u domaćinstvima. Formiranje cene podleže tržišno-ekonomskim uslovima. Minimalni zahtevi kvaliteta lož ulja utvrđeni su normama. Te norme sadrže bitne parametre svojstava kvaliteta koji su od posebne važnosti za primenu. Lož ulje se čuva kao energetska rezerva u velikim rezervoarima sa preporukom da bi se trebalo čuvati na temperaturama koje nisu niže od temperature tečenja goriva. U suprotnom, rezervoare i priključne instalacije treba opremiti uređajima za zagrevanje uskladištenog lož ulja. Isporuka se uglavnom obavlja autocisternama, vagonskim cisternama ili tankerima.
6.7.8. Ostala tečna goriva 6.7.8.1. Alkoholi Biološki proizvedeni alkoholi, najčešće etanol (C2H5OH) i metanol (CH3OH), retko propanol (C3H7OH) i butanol (C4H9OH), dobijaju se uz pomoć mikroorganizama i enzima, fermentacijom najčešće šećera ili skroba, a ređe celuloze. Osnovna prednost im je što pripadaju obnovljivim izvorima energije. Kao gorivo za pogon motora SUS uglavnom se koriste: 74
etanol i metanol. Takozvani “denaturisani špiritus” koji sadrži vodu neupotrebljiv je u pogonu motora SUS, već se koristi isključivo čisti “suvi” etil alkohol. U Brazilu, koji je i vodeća zemlja u svetu u proizvodnji i primeni etanola za vozila, bioetanol se dobija iz šećerne trske. Oko 15% brazilskih motornih vozila pokreće čisti etanol, dok preostala koriste 20% smešu sa benzinom. U SAD-u se uglavnom dobija iz kukuruza gde etanolske smeše čine gotovo 10% ukupne godišnje prodaje benzina. Procenjuje se da su američka vozila u zadnjih tridesetak godina prešla oko 3 milijarde kilometara koristeći etanolske smeše. Bioetanol se može dobijati i od ostalih žitarica, kao što su pšenica i ječam, kao i od krompira. Osnovnim nedostatkom alkohola kao pogonskog goriva može se smatrati, relativno prema svim ugljovodonicima, niža toplotna vrednost, odnosno nizak sadržaj energije po litru. To znači da je potrebna veća količina bioetanola da bi se proizveo isti rad u pokretanju automobila. Većina savremenih automobila može voziti na mešavine sa 15% bioetanola i ostatkom benzina bez ikakvih bitnih izmena na motoru. Za upotrebu čistog alkohola kao goriva neophodna rekonstrukcija odnosila bi se naročito na deo uređaja za napajanje gorivom zbog neophodnog dopremanja nešto veće količine alkohola nego benzina. Osim što alkoholi vrlo čisto sagorevaju, imaju izrazito visoku otpornost na detonaciju. 6.7.8.2 Motorni benzen Motorni benzen ima visoku toplotnu vrednost, odnosno visok sadržaj energije po litru goriva i zadovoljavajuće dobra svojstva isparljivosti. Hemijski čist benzen nije prikladan kao gorivo, jer stvara čađ i smrzava na “visokoj” temperaturi, već kod 277 K (+4°C). Motorni benzen se u principu koristi jedino kao mešavina sa benzinom, pri čemu mu povećava otpornost na detonacije. Ipak, glavni nedostatak ovog goriva je to što je vrlo štetan po ljudsko zdravlje. Kod udisanja benzena javljaju se vrtoglavica, glavobolja, pospanost, a moguća je i nesvestica. Nadražuje oči i kožu uz izazivanje crvenila i osećaj pečenja. Najveći problem su efekti dugotrajnog izlaganja benzenu zbog kancerogenosti, kao dokazanom uzročniku leukemije. Zbog dokazane štetnosti za ljudsko zdravlje i u širem smislu za čitavu okolinu, mnoge su zemlje pojedinačno i Evropska unija kao međunarodna organizacija donele niz propisa i zakona kojima se ograničava ili zabranjuje korišćenje benzena u motornim benzinima. U gotovo svim evropskim državama ograničen je sadržaj benzena u motornom benzinu na najviše 1%. 6.7.8.3. Mešavine, smeše i goriva za takmičarske trke Mešavinom se naziva gorivo koje ima neke dodate primese. Na primer, mešavina motornog benzina i specijalnog ulja za dvotaktne motore SUS. Smeše goriva dobijaju se mešanjem raznih goriva: smeša benzina i benzena ili benzina i alkohola. Ako se smeša sastavlja od goriva koja se u nekim situacijama međusobno teže 75
rastvaraju, često se moraju intenzivno mešati da ne dođe do njihovog razdvajanja tokom upotrebe. Alkoholi mogu pokazati takvu sklonost razdvajanju od benzina pri naglom hlađenju. Za pogon motora SUS takmičarskih motocikala ili automobila koriste se smeše različitog sastava. Precizniji odnos komponenata unutar smeše određuje se zavisno od konstrukcije motora SUS, posebnostima trkačke staze, ali i od aktuelnih vremenskih uslova pojedine trke, što ima bitan uticaj na očekivana ekstremna opterećenja. Sastav odabrane smeše zavisi i od dužine trke: Za duže trke izdržljivosti koriste se smeše sa većom toplotnom vrednosti goriva (smeše bogate benzenom). Za kraće trke intenzivnosti i visoke snage koriste se smeše koje daju najveću specifičnu snagu pogonskog motora takmičarskog vozila. Uglavnom se koriste smeše sa visokim sadržajem alkohola (etanol, metanol ili oba), Tabela 6.6. Jedno od najvažnijih svojstava alkohola je njegova visoka toplota isparavanja, a time i jače hlađenje smeše goriva i vazduha što se u takvoj situaciji izuzetnog termičkog opterećenja pogonskog motora pretvara u prednost. Tako se uspeva realizovati vrlo efikasno unutrašnje hlađenje pogonskog motora takmičarskog vozila, što može biti bitno za rezultat trke. Tabela 5.7. Primer sastava jednog goriva za automobilske trke kompanije Daimler-Benz laki benzin benzen etanol metanol dodaci* % vol 5 22 10 60 3 * Toluol, Ricinus, Nitrobenzen (C6H5NO2). 6.7.8.4. Koncept jednog goriva Ideja primene jednog goriva za velike potrošačke sisteme došla je iz vojnih redova. Sve vojske sveta su se u raznim vremenskim periodima suočavale sa problemom dobavljanja velikih količina različitih goriva za svoje borbene sastave na raznim prostorima vlastitog delovanja. Što je vojska bila veća, a vojna operacija trajala duže, trošilo se više energije pa je i problem snabdevanja različitim gorivima bio veći. Olakšanje komplikovane logističke situacije u snabdevanju tečnim gorivima za pogon različitih motora SUS vojna zapovjedništva su na kopnu tražila i u mogućnosti jedinstvenog vojnog goriva koje bi koristile: i kopnena vojska za svoja motorna vozila, i vazduhoplovstvo za svoje letelice. Počeci realizacije takvog koncepta vezuju se za period posle Drugog svetskog rata. Osnovni cilj je bio da se uz upravljanje samo jednim proizvodom, smanje problemi nabavke i pojednostavi logistički lanac snabdevanja naftnim proizvodima, kao i prateća infrastruktura. Tehnička razmatranja u vezi primene NATO koncepta jednog goriva obuhvatila su tri različite vrste tečnih NATO goriva: benzin F-57, kerozinska goriva F-40, F-44, F-35, F-34 i dizel gorivo F-54.
76
Benzin F-57 je gorivo koje je bilo namenjeno za pogon oto motora (paljenje smeše goriva i vazduha električnom varnicom na svećici – benzinski motor). Ovaj tip goriva je ekstremno isparljiv, predstavlja visok rizik od zapaljenja i ne odgovara upotrebi u dizel motorima ili gasnim turbinama. Kerozinska goriva koja su se upotrebljavala u NATO-snagama su: F-40 je “univerzalna” široka frakcija, mešavina benzina i kerozinskog goriva, F-44 je kerozinsko gorivo koje ima visoku tačku paljenja, a koristi se za pogon letelica na nosačima aviona, F-35 je kerozinsko gorivo identično gorivu Jet A-1 u civilnom vazduhoplovstvu, F-34 je gorivo za vojne vazduhoplovne turbinske motore, zasnovano na gorivu F-35 u kom su dodati posebni aditivi. Sva četiri tipa se mogu upotrebljavati u gasno-turbinskim motorima, uz male modifikacije i podešavanja opreme, ali su samo F-44, F-35 i F-34 prikladni za upotrebu u dizel motorima. Oko 80% kerozinskog goriva na kopnu se troši na vazduhoplovne potrebe. Naftne kompanije ne mogu dobavljati gorivo F-44 širom sveta jer ima posebna svojstva, koji se mogu realizovati samo u nekoliko rafinerija u svetu. Dizel gorivo F-54 se primenjivalo kod motora sa kompresionim paljenjem, gde se ubrizgava pod visokim pritiskom, u vrući komprimovani vazduh u cilindru. Deo njihovih svojstava sagorevanja određena su cetanskim brojem. Zemlje NATO članice uvele su kerozinsko gorivo F-34 u upotrebu početkom druge polovine dvadesetog veka. Tada je korišćeno za pogon kopnenih motornih vozila. U to vreme je NATO vazduhoplovstvo koristilo mlazno gorivo F-40. Korak prema jedinstvenom vojnom gorivu je nastao u 1970-im, kada je u NATO vazdušnim snagama gorivo F-40 zamenjeno sigurnijim, manje zapaljivim kerozinskim gorivom F-34. Jedan od glavnih razloga za ovu promenu bila je poboljšana sigurnost na zemlji i u vazduhu, zasnovana na iskustvu SAD-a tokom Vijetnamskog rata. Ono što je važno pri izboru kerozinskog goriva F-34 kao jednog jedinstvenog goriva je to da je ono po svom sastavu vrlo slično civilnom vazduhoplovnom gorivu JET A-1 (koje je identično gorivu F-35) i koje je dostupno u celom svetu. Slika 6.32. pokazuje da se goriva F34, F-35 i F-44 svojim sastavom velikim delom podudaraju. I dizel gorivo F-54 ima delimično preklapanje sa gorivima F-34, F-35 i F-44. Ta goriva mogu biti upotrebljena za napajanje dizel motora i gasno-turbinskih motora. U obavljenim ispitivanjima i dizel gorivo F-54 i mlazno gorivo F-44 su pokazali određene nedostatke u upotrebi kod niza potrošača. Tako se pokazalo da je upotreba kerozinskog goriva F-34 kao jedinstvenog goriva predstavljala dovoljno prihvatljivo rešenje.
77
F-57 benzin
F-40 “univerzalno” mlazno gorivo F-54 dizel gorivo F-34 (i F-35) F-44
Slika 6.32: Broj atoma ugljenika u molekulima ugljovodonika nekih NATO goriva Tabela 6.7. prikazuje poređenje glavnih svojstava kerozinskog goriva F-34 (i F-35) i dizel goriva F-54. Tabela 6.7: Poređenje svojstava goriva F-34(F-35) i F-54 NATO gorivo F-34(F-35) NATO gorivo F-54 3 Gustina 775 do 830 kg/dm 800 do 845 kg/dm3 Kraj destilacije na 228°C 370°C tačke paljenja iznad 38°C iznad 56°C tačka stinjavanja ispod -50°C ispod -18°C Kinematički viskozitet: 2 – 4,5 mm2/s pri 40°C 1,2* mm2/s pri –20°C iznad 8 mm2/s Cetanski broj 42 (prosek iznad 37) 49 (min = 45) 3 Toplotna vrednost 34,3* MJ/dm 36* MJ/dm3 * prosečne vrednosti Koncept jednog goriva vezuje se uz mogućnost upotrebe F-34 za dizel motore kopnenih vozila i opreme u upotrebi u NATO snagama i za vojne vazduhoplove koji poleću sa kopna. Ne odnosi se na pomorske operacije ili goriva visoke gustine za posebne namene. Koncept jednog goriva važi na svim prostorima gde god su NATO snage razmeštene i angažovane. Gorivo F-34 je gorivo za mlazne motore zasnovano na civilnom gorivu Jet A-1, odnosno na gorivu F-35 sa aditivima. Za upotrebu u dizel motorima, gorivo F-34 je po tehničkim karakteristikama lošije gorivo od standardnog dizel goriva. Vojna kopnena motorna vozila koja ga koriste mogu imati nešto slabije performanse i povećanu potrošnju goriva do 10%. Pritom je bitno koristiti dodatke za povećanje mazivosti i češće menjati prečistače goriva. Smatra se da nema potrebe za dodatnim podešavanjem rada pogonskog motora. Države članice NATO saveza su prihvatile ovaj koncept jednog goriva. 78
79
VII Gasovita goriva Gasovito stanje je jedno od agregatnih stanja materija u prirodi. U tom stanju molekuli imaju dovoljnu unutrašnju energiju da se oslobode iz stabilne strukture (konstantnog oblika ili zapremine). Temperatura pri kojoj dostižu tu unutrašnju energiju i prelaze iz tečnog u gasovito stanje naziva se tačka ključanja. Eksperimenti sa gasom kao gorivom za pogon automobilskih motora počinju početkom 19. veka kada petorica uspešnih i zapamćenih istraživača izrađuju – svaki za sebe – motor SUS sa pogonom na gas – Philippe Lebon (1801. godine), William Cecyl (1817. godine), Samuel Brown (1823. godine), Lemuel Wellman (1833. godine) i Etienne Lenoir (1860. godine). Tim projektima rešeni su mnogi tehnički, tehnološki, radni i proizvodni problemi, a na osnovu njih je Christian Reithman realizovao ideju dvocilindričnog motora (1876. godine). Posle početka proizvodnje motora na gas, rezultati su bili više nego dobri. Izrađeno je preko 30000 motora. Tada se javila ideja o proizvodnji benzinskog motora, koji je i napravljen 1882. godine. Jedan od ozbiljnih razloga zašto se u tim vremenima kao gorivo za automobile počeo koristiti benzin (a ne autogas) je problem transporta autogasa. U to vreme proces komprimovanja autogasa radi lakšeg transporta još nije bio rešen. Tek znatno kasnije, između 1920. i 1940. godine, u vreme velike ekonomske krize i sloma Wall Streeta, beleži se veliki porast korišćenja motora na gas zbog tadašnje znatno niže cene gasa. Nakon ekonomske stabilizacije, svet se opet vraća tečnim gorivima sve do “naftne” krize početkom druge polovine 20. veka.
7.1. PODELA GASOVITIH GORIVA Gasovita goriva mogu se podeliti prema izvoru, odnosno prema načinu ili procesu dobijanja. U skladu sa tim, gorivi gasovi mogu biti: prirodni – dobijeni direktno iz prirode – “metanski” gasovi, o zemni ili prirodni gas, o močvarni ili barski gas, veštački, o dobijeni preradom čvrstih goriva, gasifikacijom, posni gasovi, o grotleni gasovi, o generatorski gasovi, o Mondov gas, vodeni gasovi, o dvogas (iz bituminoznog uglja), o vodeni gas (iz koksa), o karburisani vodeni gas (iz antracita i benzena), devolatalizacijom, destilacioni gasovi, o koksni gas, 80
o rasvetni gas, o destilacioni gas smeđeg uglja, o destilacioni gas treseta, gasovi od tinjanja, o kamenog uglja, o smeđeg uglja, o drveta, o treseta, raznim drugim procesima – iz biljne mase – biogas, o dobijeni preradom tečnih sirovina, destilacijom nafte (naftni gas, gradski gas), isparavanjem, benzinski gas, benzenski gas, termičkim rastvaranjem – krekovanjem, uljni gas, rafinerijski gas, gorivi gasovi iz negorivih sirovina, rastvaranjem karbida – acetilen, elektrolizom vode – vodonik. Od svih navedenih gasovitih goriva za pogon motornih vozila koriste se samo “odabrani” gasovi. Osnovni kriterijum izbora, uz energetski kapacitet, je raspoloživost nekog gasa – zbog masovnosti motornih vozila sa motorima SUS. Ove uslove za sada zadovoljavaju samo dva gasa: od veštačkih – naftni gas i od prirodnih – prirodni gas. Naftni gas je redovni pratilac početka svake frakcione destilacije nafte i neizbežan nusprodukat. U početku se smatrao nekorisnim, kao i prirodni gas i tada se – pri puštanju u okolinu – spaljivao u samim rafinerijama. Već dugo se koristi i za pogon automobila. Sličnu je sudbinu imao i prirodni gas koji je redovni pratilac gotovo svake bušotine nafte, na kopnu ili moru. I naftni i zemni gas su smeše gasovitih (i para lakših tečnih) ugljovodonika, kao i nekih neizbežnih “dodataka” koji se nalaze u Zemljinoj atmosferi – azota, vodene pare i ugljenikovih oksida. U prirodnom gasu najviše je metana, često i preko 90%, a naftni gas je sastavljen pretežno od propana i butana (najčešće u podjednakim količinama). Da bi se stekli osnovni preduslovi za primenu u automobilima, raspoloživi gasovi (naftni i prirodni) su se morali tehnološki prilagoditi takvoj upotrebi. Njihov osnovni nedostatak u odnosu na široko korišćena tečna goriva bio je u osiguravanju neophodnog prostora za potreban rezervoar konkretnog gasovitog goriva. Da bi se i vozačima automobila koji za pogon svojih motora koriste gasovita goriva osigurala mogućnost da jednom popunom raspoloživog rezervoara goriva mogu preći nekoliko stotina kilometara, što je standardni zahtev, gasovito gorivo se moralo komprimovati kako rezervoar potrebnog kapaciteta ne bi zauzimao previše korisnog prostora “gasnog” motornog vozila.
81
Taj je razumni tehnološki zahtev vrlo uspešno rešen već polovinom prošlog veka. Realizacija je ostvarena na dva načina, za svaki gas različito. Oba su se gasa uspela komprimovati i za nekoliko stotina puta smanjiti svoje zapremine u odnosu na stanje pri atmosferskom pritisku i pri normalnoj spoljašnjoj temperaturi okoline u kojoj se koristi neki automobil. Zbog prirode najlakših ugljovodonika pri takvom komprimovanju je kod nekih došlo i do promene agregatnog stanja (propan i butan), a kod nekih ne (metan). To je razlog što se danas u savremenim motornim vozilima kao gasovita goriva koriste dve vrste, sa obzirom na agregatno stanje u automobilskom rezervoaru goriva: utečnjeni gasovi i permanentni gasovi. To onda ima i logičnu posledicu u tehničkim rešenjima i varijanti uređaja za napajanje gasom, utečnjenim ili permanentnim.
7.2. DELOVANJE MOTORNIH VOZILA SA GASOM KAO POGONSKIM GORIVOM NA OKOLINU Porast svetske cene nafte i cena svih tečnih derivata koji se koriste za pogon motornih vozila u putničkom prometu glavni je razlog što se gas sve više koristi kao alternativno automobilsko gorivo. Činjenica je da su ekonomski razlozi glavni pokretač svih projekata u prilagođavanju savremenih motornih vozila za upotrebu gasa. Pritom se dobijaju još neke vrlo važne prednosti takve uporabe gasa. Vozila na gas su generalno ekološki prihvatljivija. To se odnosi naročito na emisije izduvnih gasova onih komponenti koje utiču na ljudsko zdravlje i mogu imati posledice na kvalitet vazduha, kao što su:
čvrste čestice (PM), ugljen monoksid (CO), ugljen dioksid (CO2), azotni oksidi (NOx) i ostali ugljovodonici (HC).
Metan, propan i butan su niži ugljovodonici i manje su štetni po okolinu i ljudsko zdravlje od većine viših ugljovodonika. Niži ugljovodonici imaju povoljniji odnos vodonika i ugljenika jer na jedan atom ugljenika dolazi više atoma vodonika. Kod viših ugljovodonika taj povoljni odnos narušava se na štetu vodonika. Zato sva ostala goriva sa većim udelom viših ugljovodonika pri sagorevanju daju proporcionalno veći udeo ugljen dioksida u produktima sagorevanja, po pređenom putu obavljenog transportnog rada. Što je veći odnos H/C, ugljovodonici su kraći, a u izduvnim gasovima je više neštetne vodene pare, a manje gasa staklene bašte ugljen dioksida. I obrnuto, duži ugljovodonici u izduvnim gasovima motora proizvode relativno više ugljen dioksida, a manje vodene pare. Dakle, vozila sa motorom SUS kao pogonskim agregatom koji koristi gas redukuju emisiju gasova staklene bašte. Istraživanja i poređenja dobijenih rezultata govore da je u pitanju čak 3 do 4 tone manje ugljen dioksida godišnje po prosečnom automobilu koji je prerađen i koji je prešao sa konvencionalnog goriva na gas. Ispitivanja su pokazala da automobili na prirodni gas ispuštaju za: 82
20% manje ugljen dioksida u okolinu u odnosu na identično motorno vozilo pogonjeno benzinom, oko 12% manje ugljen dioksida u odnosu na identično motorno vozilo pogonjeno dizel gorivom ili 6 do 8% manje u odnosu na isto motorno vozilo pogonjeno tečnim naftnim gasom (TNG, engl. Liquefied Petroleum Gas - LPG). Osim toga, prednost je i to što praktično ne postoje čvrste čestice u izduvnim gasovima. Gotovo nulte emisije čvrstih čestica predstavljaju posebnu prednost kada gas zameni dizel gorivom, što je uobičajeno za teža komercijalna motorna vozila na gas. Takođe, buka je bitno smanjena. Zbog toga je korisnika gasa u putnom transportu u Evropi i svetu sve više i sve je veći broj država koje su tim korisnicima spremne da daju bitne povlastice. Mnoge evropske države, a posebno gradovi, suočeni sa ekološkim problemima – koji su nesumnjivo posledica i upotrebe konvencionalnih tečnih goriva u gradskom transportu – na razne načine potpomažu prelazak na primenu utečnjenog naftnog gasa i komprimovanog prirodnog gasa, kako na novim, tako i na polovnim vozilima. Najvažniji koraci u tom smislu su sledeći: U Evropi je, osim ekonomske prednosti prirodnog gasa, prepoznat i ekološki aspekt, pa su u ovakve projekte uključeni evropski gradovi i regioni i to uz snažan podsticaj i finansijsku podršku vlada. Postoje i dogovori između vlada i autoindustrije, kao i porezne olakšice (Nemačka) kojima se do 2020. godine stimulira prelazak sa klasičnih goriva (benzin i dizel gorivo) na gas. Vozači koji koriste gas kao pogonsko gorivo ne plaćaju taksu koja se plaća za ulazak u centar Londona. Vozači automobila sa pogonskim motorima koji troše komprimovani prirodni gas u Kaliforniji – SAD – imaju besplatno parkiranje na otvorenim prostorima pa im je dopušteno i besplatno korišćenje podzemnih garaža. Kombinacija mera zajedno, sa jedne strane program tehnološkog razvoja primene gasovitih goriva, a sa druge strane zakonskih pogodnosti, subvencije i drugi podsticaji vlasti, mogla bi dovesti do željenog uspeha. Tabela 7.1: Komponente izduvnih gasova za različite generacije motora SUS Tehnologija CO CO HC HC NOx NOx PM Benzin TNG Benzin TNG benzin TNG Benzin Euro 2 1,00 0,40 1,00 0,50 1,00 0,30 1,00 Euro 3 0,53 0,20 0,60 0,30 0,71 0,20 0,67 Euro 4 0,38 0,10 0,42 0,10 0,50 0,20 0,20
PM TNG 0,30 0,20 0,05
U Tabeli 7.1. prikazani su rezultati istraživanja Evropske agencije za utečnjeni naftni gas (AEGPL) koji se odnose ne smanjenje nadgledanih štetnih komponenata izduvnih gasova za različite generacije benzinskih motora SUS (Euro 2, Euro 3 i Euro 4) u slučaju njihove prerade na upotrebu utečnjenog naftnog gasa. Prva kolona određene komponente (CO, HC, NOx ili PM) odnosi se na emitovane količine tokom trošenja benzina, a druga kolona pri primeni utečnjenog naftnog gasa.
83
7.3. UTEČNJENI GASOVI TNG je srpska skraćenica za tečni naftni gas, a LPG međunarodna skraćenica istog goriva (od Liquefied Petroleum Gas). U stručnoj literaturi je moguće naići na još neke nazive ili skraćenice, kao što su: propan-butan, BTG (benzinski tečni gas), a vrlo čest naziv je i auto gas. Gde god da kupuju TNG, vlasnici motornih vozila u čitavom svetu uvek će dobiti neku smešu utečnjenih gasovitih: parafinskih ugljovodonika – propan, butan, izobutan i olefinskih ugljovodonika – propilen, butilen, izobutilen. Ovi gasovi se mogu na temperaturi okoline i srazmerno niskim pritiscima (2 do 8 bar) prevesti u tečnost. Pri atmosferskom pritisku su u gasovitom agregatnom stanju (zato se zovu "utečnjeni gasovi”). Po hemijskim i fizičkim svojstvima bliski su lakim ugljovodonicima benzina i zato se i koriste za pogon oto, odnosno benzinskih motora. Tačka ključanja propana na atmosferskom pritisku je na oko -42oC, a butana na oko -0,5oC, što znači da je, zavisno od sastava konkretne smeše, tačka klučanja TNG-a na oko -20oC. Na spoljašnjoj temperaturi okoline i pri pritisku od oko 1,7 bar, auto gas prelazi u tečno stanje. Više temperature okoline traže nešto više pritiske, ali se uvek radi o jednocifrenom iznosu, ispod 8 bar. Pritom se zapremina smanjuje čak 260 do 270 puta (zavisno od sastava konkretnog TNG-a) jer se iz: 1 litra tečnog butana oslobađa 239 litara gasovite faze (15°C, 1 bar) a iz 1 litra tečnog propana oslobađa 311 litara gasovite faze (15°C, 1 bar). Zbog svojih fizičko-hemijskih svojstava, TNG se lako skladišti i transportuje. Iz toga proizlazi glavna svrha i prednost utečnjavanja naftnog gasa - može se prevoziti kao tečnost, a koristiti kao gas. Pri povećanju temperature raste pritisak gasova. Zato automobilski rezervoari sa TNG-om moraju biti zaštićeni od direktnog uticaja sunca, toplote izduvnih gasova i drugih direktnih izvora toplote. Temperatura samozapaljenja TNG-a iznosi 480 do 520oC. U gasovitom stanju pri uslovima okoline teži je od vazduha. Ne rastvara se u vodi. Od vode je lakši i pliva na površini. Nije otrovan. Bez boje je i mirisa. Zato mu se redovno dodaje miris, prodoran i neprijatan, da bi se osetilo eventualno nekontrolisano isticanje gasa. Donja toplotna vrednost (po jedinici mase) za TNG, odnosno za njegove glavne komponente u tečnom stanju i pri temperaturi od 15oC, kao i za konvencionalna tečna goriva motora SUS koje može zameniti, prikazane su u Tabeli 7.2.
84
Tabela 7.2: Donje toplotne vrednosti goriva motora SUS (po kg) Gorivo Hd (MJ/kg) Propan 46,34 Butan 45,71 TNG (zavisno od sastava) oko 46,06 Benzin oko 43,90 Dizel gorivo oko 42,00
Zbog različitih specifičnih težina goriva, koje su date u Tabeli 7.3., menjaju se odnosi po litru donjih toplotnih vrednosti goriva, prema Tabeli 7.4. Tabela 7.3: Specifične težine goriva motora SUS Gorivo ρ (kg/dm3) Propan 0,507 Butan 0,585 TNG (zavisno od sastava) oko 0,54 Benzin oko 0,74 Dizel gorivo oko 0,85 Tabela 7.4: Donje toplotne vrednosti goriva motora SUS (po dm3) Gorivo Hd (MJ/dm3) Propan 23,49 Butan 26,74 TNG (zavisno od sastava) oko 24,87 Benzin oko 32,50 Dizel gorivo oko 35,70
Neka važnija svojstva propana i butana navedena su u Tabeli 7.5. Tabela 7.5: Važnija svojstva propana i butana Naziv fizičkog svojstva Oznaka Jedinica C3H8 C4H10 Molarna masa M kg/kmol 44,096 58,123 Maseni udeo ugljenika MC % 81,71 82,66 Maseni udeo vodonika MH % 18,28 17,34 Specifična zapremina u gasovitom stanju (pri 15°C) νg m3/kg 0,521 0,381 Specifična zapremina u tečnom stanju (pri 15°C) νteč l/kg 1,972 1,71 3 Gustina u gasovitom stanju (pri normalnim ρg kg/m 2,011 2,709 uslovima) Odnos toplotnih vrednosti Hd/Hg 0,919 0,934
Sa obzirom da je TNG gorivo sa vrlo visokim istraživačkim oktanskim brojem (IOB): propan oko 125, butan oko 95, a
85
zajedno preko 100, predodređeno je za upotrebu u motorima SUS koji imaju električno paljenje smeše goriva i vazduha, u oto motorima. Danas postoji i varijanta pregrađivanja dizel motora na pogon TNG-om.
7.3.1. Korišćenje tehnologije TNG u putnom prometu Vrlo ozbiljan segment korišćenja TNG tehnologije je korišćenje TNG-a kao zamenskog goriva u putnom prometu. Rast broja vozila, kako u Evropi tako i u svetu, koja kao energent koriste TNG vrlo je bitan. To je posebno uočljivo u urbanim i ekološki svesnim sredinama. TNG može sagorevati u motorima SUS na više načina, pa se generalno može koristiti i u benzinskim i u dizel motorima SUS, uz njihova odgovarajuća prilagođavanja. Najveći deo rekonstrukcije i motora i celog vozila u takvim slučajevima se odnosi najčešće na prilagođavanje uređaja za napajanje gorivom. U eksploataciji se danas susreću dve varijante automobila sa prilagođenim motorima za upotrebu TNG-a: a) Motorna vozila koja imaju motore sa fabrički ugrađenom mogućnošću korišćenja TNG-a kao pogonskog goriva (takozvani mono-fuel sistem). Kod ovog sistema reč je o varijanti motora kod kog se koristi isključivo jedno gorivo, u ovom slučaju TNG. Oto motor je fabrički izrađen za rad na TNG (moguć je i viši stepen kompresije), pri čemu gorivo može u potpunosti iskazati svoje prednosti u odnosu na klasična tečna goriva. Instalacija za napajanje benzinom na takvoj varijanti automobila ne postoji. “Mono-fuel” sistem vozila na TNG pogon nije čest. Uglavnom se radi o serijskoj fabričkoj proizvodnji novih vozila određenih za ciljani veći vozni park, namenjen određenom poslovnom prevozničkom projektu (taksi vozila, rent-a-car, servisna komunalna vozila i slično). Serijska proizvodnja novih vozila “mono-fuel” sistema na TNG ne bi trebala biti skuplja od vozila sa benzinskim motorima. Većim voznim parkom i intenzivnijom eksploatacijom početna eventualno viša investicija za nabavku motornih vozila prihvatljivo se brzo isplati samo zbog cene goriva. Pritom bi u ukupne koristi takvog projekta trebalo ubrojiti i ne baš jednostavno merljive pozitivne ekološke efekte. b) Motorna vozila koja su nabavljena kao klasična, sa benzinskim ili dizel motorom, pa su naknadno adaptirana, uz klasično tečno gorivo, i za TNG upotrebu – (bi-fuel sistem). Paralelno sa tehnološkim razvojem motora SUS, a radi omogućavanja primene u nekim situacijama povoljnijeg energenta i generalno efikasnijeg sagorevanja goriva i smanjenja emisije štetnih komponenata u izduvnim gasovima, od šezdesetih godina prošlog veka, kada je počela masovnija primena TNG-a kao alternativnog motornog goriva, proizvođači opreme za TNG prilagođavaju svoja tehnička rešenja odgovarajućim tipovima vozila i motora SUS. Ugrađeni TNG sistemi omogućuju efikasniji, sigurniji i ekološki prihvatljiv pogon motornih vozila. Do danas je razvijeno nekoliko generacija opreme za auto gas. Prva generacija opreme za TNG, Slika 7.1, u principu je jednostavna jer se uređaj sastoji od isparivača i jednog gasnog mešača bez ikakve elektronske kontrole. TNG instalacija funkcioniše na jednostavan način: 86
Pošto tečna faza TNG-a u isparivaču pređe u gasovitu fazu, ulazi u mešač ugrađen na grlu karburatora motora, odnosno u usisnu granu pre leptirastog zatvarača. Mešač meša gas i vazduh u karburatoru u odnosu koji omogućuje optimalne karakteristike motora. Mešač je komponenta uređaja sa fiksnom funkcijom i mora biti prilagođen konkretnom motoru SUS na koji se ugrađuje. Ta generacija UNP opreme ugrađivala se u starije generacije oto motora sa karburatorom. Komora za sagorevanje Mešač gasova
Izduvni gasovi
Prečistač vazduha Dovod goriva niskog pritiska Isparivač Rezervoar gasa
Dovod goriva visokog pritiska
Slika 7.1: Šematski prikaz prve generacije TNG uređaja za napajanje Druga generacija opreme za TNG, Slika 7.2, odnosi se na ugradnju TNG uređaja i opreme na oto motore sa kontrolisanim katalizatorom i lambda senzorom kiseonika u izduvnim gasovima. Uređaj za napajanje gorivom sastoji se od TNG mešača ili jednog centralnog uređaja za ubrizgavanje (engl. SPI – Single Point Injection) sa elektronskim upravljanjem doziranja TNG-a radi omogućavanja garantovanih karakteristika snage pogonskog motora, potrošnje goriva i odgovarajućeg nadzora emitovanih izduvnih gasova.
87
Elektromagnetni ventil Rezervoar gasa
Isparivač Prečistač vazduha
Regulator pritiska
Ventil
Mešač gasa
Brizgaljka
Katalizator Lambda sonda Kontrolni modul
Centralna upravljačka jedinica
Komora za sagorevanje
Slika 7.2: Šematski prikaz druge generacije TNG uređaja za napajanje
Centralna upravljačka jedinica benzina
Katalizator
Centralna upravljačka jedinica TNG-a
Lambda sonda
Brizgaljka benzina
Prečistač vazduha
Brizgaljka TNG-a
Komora za sagorevanje Rezervoar gasa
Regulator pritiska
Slika 7.3: Šematski prikaz četvrte generacije TNG uređaja za napajanje Treća generacija opreme za TNG odnosi se na oto motore sa pojedinačnim ubrizgavanjem (engl. MPI – Multi Point Injection), odnosno kada svaki cilindar motora posebno dobija auto gas preko elektronske brizgaljke. Sve funkcije se realizuju uz nadzor elektronske upravljačke jedinice programirane za efikasan rad i postizanje garantovanih karakteristika pogonskog 88
motora SUS (potrošnje goriva, projektovane snage i odgovarajućeg nadzora emitovanih izduvnih gasova, sa katalizatorom i lambda senzorom kiseonika u izduvnim gasovima). Četvrta generacija opreme za TNG, Slika 7.3, slična je prethodnim generacijama pojedinačnog ili multi-point ubrizgavanja. Poboljšanje je u optimizaciji trenutaka i trajanja ubrizgavanja za svaki cilindar posebno. Ta generacija opreme važna je zato što se komplet za TNG ubrizgavanje može koristiti i za tečne faze i za gasovite faze auto gasa. Kompatibilni su sa poslednjom generacijom benzinskih motora pojedinačnog ubrizgavanja preko zajedničkog voda (engl. fuel rail), u kombinaciji sa lambda kontrolnim uređajem.
7.3.2. Osnovne tehničke karakteristike automobila sa pogonom na TNG Kao najčešće spominjane prednosti, sa obzirom na tehničke karakteristike automobila koji koristi TNG kao pogonsko gorivo, navode se:
Efektivna snaga (kW)
Efektivni moment (Nm)
čisto sagorevanje, lagani start i kod niskih spoljašnjih temperatura (od početka je na raspolaganju lako zapaljiva smeša gasa i vazduha), povoljnija potrošnja (sa obzirom na toplotnu vrednost), a posebno zato jer se koriste "posne" smeše – kao logična posledica boljeg mešanja i stvaranje homogenije smeše vazduha i gasa, nema pojave utečnjenog goriva u usisnoj cevi i cilindru, pa nema "ispiranja" cilindra i razređivanja ulja motora, imaju niže troškove upotrebe, a mnogi izvori tvrde i održavanja, tek pri maksimalnim brzinama može se uočiti neznatno manja snaga, što se vidi na dijagramu na Slici 7.4.
Efektivna snaga – benzin Efektivna snaga – TNG Efektivni moment – benzin Efektivni moment – TNG
Broj rotacija (1/min)
Slika 7.4: Poređenje promene efektivne snage i okretnog momenta jednog ličnog vozila čiji je četvorotaktni oto motor pogonjen benzinom i TNG-om Prema dostupnim podacima (AEGPL) početkom 2008. godine u Evropi je bilo: 89
preko 6 miliona ličnih automobila sa pogonom i na TNG i oko 18000 pumpnih stanica sa prodajom TNG-a. U to je vreme u prometu bilo i preko 1500 autobusa koji su prevozili putnike uglavnom u gradskom saobraćaju. Raspoređenost po zemljama prikazana je u Tabeli 7.6. Može se uočiti da je najviše autobusa u ekološki svesnim sredinama. Kategoriji “ostale zemlje” pripada grupa zemalja u kojoj ima desetak većih autoprevoznika u kojima je uvođenje gasa u eksperimentalnoj fazi (“pilot” projekti) i koji će vrlo brzo dati neke zaključke, rešenja, ili odluke. Tabela 7.6: Prikaz broja TNG autobusa u EU početkom 2010. godine preko 1500 Austrija oko 650 Danska oko 300 Holandija preko 200 Francuska preko 100 Španija preko 100 ostale zemlje oko 150
Najnoviji podatak govori o preko 200 pumpnih stanica sa TNG-om u većim gradovima i na glavnim putnim pravcima. Činjenica je da u Evropi gotovo da i nema proizvođača motora koji nude specijalizovane TNG motore za teška vozila, osim dva – DAF i MAN. Svi proizvedeni veći motori SUS, namenjeni ugradnji u komercijalna vozila (kamione, autobuse itd.), su dizel motori. Oto motora za veća komercijalna vozila, autobuse i kamione, koji bi se mogli koristiti i kao TNG motori, za sada nema.
7.4. PERMANENTNI GASOVI Za pogon motornih vozila od permanentnih gasova najčešće se koristi prirodni gas koji se često naziva i “zemni gas” ili “motorni metan”. Prirodni gas je fosilno gorivo, smeša jednostavnih ugljovodonika (sa malim brojem C atoma) koja se sastoji najvećim delom (85 do 95%) od metana (CH4), iako ima u znatno manjim količinama i etana, propana, butana, ali i ugljenikovih oksida, vodene pare i azota. Tipičan sastav prirodnog gasa sa nalazišta kod Pančeva, prikazan je u Tabeli 7.7. Donja toplotna vrednost prirodnog gasa je Hd ≈ 37000 kJ/m3. U Tabeli 7.8. date su donje toplotne vrednosti gorivih sastojaka najjednostavnijih zasićenih ugljovodonika.
90
Tabela 7.7: Sastav prirodnog gasa Ukupno CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CO2 N2 H2O + C5, C6, C7, C8
100,000% 92,599% 2,784% 0,413% 0,056% 2,416% 1,727% 0,005%
Tabela 7.8: Donje toplotne vrednosti najjednostavnijih zasićenih ugljovodonika CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 metan etan propan butan pentan heksan Hd kJ/kg 49939 47428 46340 45710 44874 44372 3 Hd kJ/m 35670 63519 91025 118356 144238 170375
U gornjoj Tabeli uočljiva je razlika u odnosima donjih toplotnih vrednosti za jedinicu mase i za prostorni normalni metar (m3) navedenog ugljovodonika. Prostorni normalni m3 je količina gasa koju zauzima (sadrži) zapreminski metar pri normiranom stanju na atmosferskom pritisku od 101325 Pa i pri 0°C. Iz opšte jednačine stanja gasa: pV nRT
(Eq. 7.1)
gde je R – univerzalna gasna konstanta, R = 8,314 J/(mol K), može se izračunati da 1 mol idealnog gasa kod normalnog stanja, pri: atmosferskom pritisku p = 101,325 kPa i temperaturi T = 0°C (273,15 K) zauzima zapreminu V od:
V
RT 8,314 273,15 0, 0224 m3 p 101325
(Eq. 7.2)
Dakle, 1 kmol idealnog gasa pri normalnom stanju zauzima 22,41 m3, što se za neke tehničke situacije može smatrati prilično velikom zapreminom. Zbog toga je uvedena manja jedinica, takozvani prostorni normalni metar (m3). To je ona količina idealnog gasa koja stane pri normiranom stanju u 1 m3 zapremine, to jest za koju vredi jednakost 1 kmol = 22,41 m3. Na svim svetskim nalazištima nafte na kojima se dobija i prirodni gas, njegova je pretežna komponenta metan. To je najjednostavniji zasićeni ugljovodonik čiji molekul ima jedan atom ugljenika, Slika 7.5. Bez mirisa je i ukusa. Na atmosferskom pritisku i pri 15oC je u gasovitom stanju a gustina mu je 0,717 kg/m3.
91
Slika 7.5: Molekul metana Preostali udeo prirodnog ili zemnog gasa sastoji se od složenijih zasićenih i nezasićenih ugljovodonika kao i azota (N2) i ugljenikovih oksida (CO i CO2). Kao i svako drugo fosilno gorivo, i prirodni gas ima ograničene zalihe. Procenjeno je da bi svetske zalihe prirodnog gasa, uz sadašnji nivo korišćenja, mogle potrajati još stotinjak godina. Najčešće se koristi u sistemima grejanja i pripreme tople vode, kao i u proizvodnji električne i toplotne energije. U poslednje vreme se sve više koristi i kao alternativno gorivo za pogon motornih vozila. Jedan od suptilnijih praktičnih problema u upotrebi tog gasa (bilo za potrebe domaćinstva, bilo za pogon motornih vozila) može predstavljati promenljivost njegovog sastava na različitim svetskim nalazištima, odnosno varirajući udeo metana. Sastav mu se menja zavisno od izvora – pa tako u gasu koji dolazi iz Rusije može biti i do 98% metana, a u Holandiji tek 80 do 85%. U slučaju primene u pogonu motornih vozila prirodni gas se redovno komprimuje u posebne rezervoare pod visokim pritiskom preko 20 MPa da bi se povećala količina koju motorno vozilo može poneti u rezervoaru uobičajene zapremine i raspoloživog prostora automobila, da bi se na taj način višestruko povećala i njegova autonomija kretanja. Zato se u takvom stanju naziva komprimovani prirodni gas – KPG (engl. Compressed Natural Gas – ili CNG). U nekim posebnim situacijama (pri transportu tankerima na velike udaljenosti od nekoliko hiljada milja) obavlja se i utečnjavanje prirodnog gasa na temperaturi od -162oC (i atmosferskom pritisku). Tako se dobija tečni prirodni gas – TPG (engl. Liquefied Natural Gas – ili LNG). Svrha utečnjavanja je smanjivanje njegove zapremine za oko 600 puta. Gustina TPG-a iznosi oko 45% gustine vode, odnosno (u zavisnosti od konkretnog hemijskog sastava – koji zavisi od nalazišta) od 0,41 do 0,5 kg/l. TPG je tečnost bez mirisa, nije korozivan i nije toksičan. Pri isparavanju može goreti tek kad se pomeša sa vazduhom pri koncentraciji od 5% do 15%. Ni TPG ni njegove pare ne mogu eksplodirati u zatvorenom prostoru. Najveća današnja prednost KPG-a je njegova niža cena u odnosu na dizel gorivo, benzin ili tečni naftni gas, kao i činjenica da se ta razlika u ceni tokom prošlih godina stalno povećavala. Odnosi cena između navedenih četiri energenta komercijalnih motornih vozila se iz nedelje u nedelju neznatno menjaju (u skladu sa aktuelnim tržišnim uslovima), ali su već duže vreme u sledećim okvirima.
92
Cena KPG-a približno je oko: četvrtine cene benzina, trećine cene dizela i polovine cene TNG-a.
7.4.1. Korišćenje KPG tehnologije u putnom prometu Vrlo ozbiljan segment korišćenja KPG tehnologije je korišćenje prirodnog gasa kao pogonskog goriva u putnom prevozu. Primena te tehnologije dokazuje svesnost pojedinih zemalja u ekološkom smislu, a i preporuke Evropske unije upućuju na potrebu sve većeg korišćenja zamenskih goriva u putnom prevozu. Porast broja vozila koja kao energent koriste KPG vrlo je bitan, a pogotovo u velikim gradovima gde se zbog ekoloških razloga za korišćenje tog pogonskog goriva za motore SUS dobija velika podrška lokalnih vlada (zbog prihvatljivije emisije KPG u odnosu na produkte sagorevanja viših ugljovodonika). Koliki je godišnji porast korisnika KPG tehnologije u putnom prometu detaljnije je prikazano u sledećem poglavlju. 7.4.1.1. Dinamika porasta upotrebe KPG-a za pogon motornih vozila u Evropi i svetu U cilju prikaza i analize trendova porasta upotrebe prirodnog gasa za pogon motornih vozila, kako u Evropi, tako i na svetskom nivou, iskorišćeni su statistički podaci o kretanju broja KPG motornih vozila, odvojeno po kategorijama (lična i laka teretna vozila, autobusi i kamioni). Takođe, prikazani su podaci o kretanju broja punionica za dopunu gorivom KPG vozila. Prikaz obuhvata razdoblje od 2003. do 2006. godine. Ukupan broj KPG vozila u Evropi porastao je u posmatranom razdoblju sa: približno 512000 KPG vozila 2003. godine na približno 591000 KPG vozila sredinom 2006. godine, što predstavlja rast od oko 16% u posmatranom razdoblju. Najbrže je rastao broj KPG autobusa koji je u navedenom razdoblju porastao za približno 57%, odnosno sa: 29225 autobusa 2003. godine na 45830 autobusa sredinom 2006. godine. Istovremeno, broj KPG kamiona porastao je za 33%, sa: 55895 na približno 74400 vozila. Pritom je potrebno napomenuti da se porast u toj kategoriji najvećim udelom odnosi na KPG kamione za odlaganje komunalnog otpada. Broj ličnih KPG vozila porastao je u istom razdoblju za približno 10% – sa oko: 426000 vozila na približno 480000 vozila. 93
Broj KPG punionica porastao je za oko 30% – sa približno: 1600 na oko 2100 KPG punionica. Pritom je potrebno napomenuti da Evropa zaostaje za svetskim trendovima koji beleže i znatno brže poraste. Ukupan broj KPG vozila u svetu u celini iznosio je 2003. godine (zajedno sa Evropom i Rusijom) približno 3283000 vozila, a sredinom 2006. godine dostigao je približno 4645000, što predstavlja porast od 40%. Istovremeno, broj KPG punionica porastao je u istom razdoblju na svetskom nivou za 37% (sa približno 6750 KPG punionica 2003. godine na oko 9260 KPG punionica sredinom 2006. godine).
Australija i Novi Zeland
Evropa (sa Rusijom)
Severna i Južna Amerika
Afrika
Svet ukupno
Azija i srednji Istok
Indeks porasta broja vozila na prirodni gas (2006/03)
Slika 7.6: Indeks porasta broja KPG vozila po svetskim regionima (2006/2003)
Australija i Novi Zeland
Afrika
Evropa (sa Rusijom)
Severna i Južna Amerika
Svet ukupno
Azija i srednji Istok
Indeks porasta broja KPG punionica po regionima (2006/03)
Slika 7.7: Indeks porasta broja KPG punionica po svetskim regionima (2006/03)
94
Posmatrano regionalno, najbrži trend rasta imaju Azija i Srednji istok sa porastom broja vozila od gotovo 70%, prikazano na Slici 7.6, kao i broja punionica od 66%, prikazano na Slici 7.7, u posmatranom razdoblju. Po ukupnom broju vozila i punionica prednjače Severna i Južna Amerika sa ukupno 2,8 miliona vozila i trendom rasta broja vozila od 41% kao i broja punionica od 24%. Vrlo je informativan i pogled na kartu sveta, Slika 7.8, na kojoj se vidi svetska potrošnja prirodnog gasa u 2010. u tonama po glavi stanovnika. Što je silueta države tamnija, više se gasa troši. U skladu sa očekivanjima, najviše ga troše oni koji ga najviše imaju:
Saudijska Arabija, Severna Amerika, Rusija, Iran itd.,
pa onda i oni koji ga najviše trebaju – najrazvijeniji. U Evropi to su baltičke zemlje, Holandija i Belgija, Italija, Ukrajina i Velika Britanija.
Slika 7.8: Potrošnja prirodnog gasa u svetu tokom 2010. (t/stanovniku) 7.4.1.2. Tehnologije primene KPG-a u pogonu motornih vozila Prirodni gas, odnosno KPG, može sagorevati u motorima SUS na više načina, pa se generalno može koristiti i u benzinskim i u dizel motorima SUS, uz njihova odgovarajuća prilagođavanja. Najveći deo rekonstrukcije (i motora i celog vozila) u takvim se slučajevima najčešće odnosi na prilagođavanje uređaja za napajanje gorivom. U eksploataciji se danas susreću dve varijante automobila sa prilagođenim motorima za upotrebu KPG-a: a) motorna vozila koja imaju motore sa fabrički ugrađenom mogućnošću korišćenja KPG-a kao pogonskog goriva i
95
b) motorna vozila koja su proizvedena i nabavljena kao klasična, sa benzinskim ili dizel motorom, pa su naknadno adaptirana za mogućnost upotrebe KPG-a, uz benzin ili dizel gorivo. 7.4.1.2.1. Originalno fabrički proizvedena KPG vozila Danas je na tržištu prisutan veći broj modela originalnih fabrički proizvedenih vozila sa motorom SUS koji kao pogonsko gorivo koriste KPG. Originalna fabrički proizvedena vozila na prirodni gas mogu biti izvedena u nekoliko koncepcijskih varijanti, takozvane: “mono-fuel” – vozila koja koriste jedino prirodni gas, “mono-fuel plus” – verzija sa rezervoarom za motorni benzin manjeg kapaciteta (do 15 litara) koji služi isključivo kao rezerva, kao i “bi-fuel” – verzija koja predstavlja vozilo sa motorom za klasično fosilno gorivo (uglavnom benzin) sa fabrički ugrađenim rezervoarom za prirodni gas. Svako od navedenih rešenja vlasnicima takvih vozila donosi određene i prednosti i nedostatke. Motorna vozila “mono-fuel” i “mono-fuel plus” imaju motore sa fabrički ugrađenom mogućnošću korišćenja KPG-a kao pogonskog goriva. Imaju mogućnost da koriste isključivo KPG. Dobra strana takvih rešenja je kupovina sigurno projektovanog, fabrički proizvedenog i ispitanog motornog vozila, sa racionalnim rešenjem i optimalnom kompozicijom svih uređaja usklađeno sa uređajem za napajanje KPG gorivom. Prekidač gas-motorni benzin ECM (Engine Control Module)
Injektor (ubrizgač) gasa Regulator pritiska
Gasni rezervoari smešteni ispod poda
Rezervoar za benzin Gasni rezervoari smešteni ispod poda
Razvodnik gasa
Slika 7.9: Prikaz osnovnih elemenata sistema za pogon motornog KPG vozila na primeru originalnog fabrički proizvedenog KPG vozila u “mono-fuel plus” varijanti
96
Priključak za punjenje Rezervoari gasa Ubrizgavanje gasa Upravljačka jedinica za KPG i benzin
Rezervoar za benzin Senzor i regulator pritiska sa ventilom
Slika 7.10: Šema napajanja jednog ličnog automobila u “bi-fuel” varijanti Te varijante nisu bitno skuplje od osnovnih benzinskih izvedbi. To su automobili proizvedeni za primarnu KPG upotrebu i obično bez drugog goriva, “mono-fuel”. Postoje i varijante “mono-fuel plus”, Slika 7.9, sa rezervoarom za motorni benzin malog kapaciteta. Ono što je zajedničko za prve dve verzije je to što je motor automobila podešen primarno za rad sa prirodnim gasom. U trećoj varijanti (“bi-fuel” verziji), Slika 7.10., u podešavanju motora se radi o kompromisu “set-up” parametara između motornog benzina i KPG-a. 7.4.1.2.2. Prilagođavanje motora SUS za KPG upotrebu Kada se motorno vozilo izradi kao klasično – sa benzinskim ili dizel motorom, pa se naknadno ugrađuje uređaj za KPG upotrebu, dobija se mogućnost korišćenja više vrsta goriva – i KPG-a i klasičnog tečnog goriva. Ta pogodnost, koja se ogleda u mogućnosti izbora željenog pogonskog goriva, ima svoju cenu. Automobil je skuplji, ali pritom se bitno povećava autonomija kretanja automobila. Prethodno je već navedeno da je jedno od vrlo bitnih svojstava prirodnog gasa kao goriva za pogon motora SUS – njegova visoka otpornost na pojavu detonacija i samozapaljenja, odnosno visok oktanski broj. Ta činjenica predodređuje KPG za upotrebu kod benzinskih motora (teorijski Otto ciklus), odnosno za motore koji imaju prinudno paljenje smeše goriva i vazduha električnom iskrom. 7.4.1.2.3. Vozila na KPG sa oto motorom KPG se doskora kao gorivo koristio isključivo kod benzinskih motora. To su u slučaju obavljenog rekonstrukcionog prilagođavanja benzinskog motora postajali uglavnom 97
bivalentni ili bi-fuel motori (koji mogu koristiti ili KPG ili benzin, zavisno od želje vozača, odnosno eventualno nametnutoj putno-eksploatacionoj situaciji). Takva prerada motora moguća je i nakon izlaska automobila sa originalnim benzinskim motorom SUS iz fabrike, i duže vremena nakon kupovine motornog vozila. Većina ličnih automobila u evropskim zemljama koje prednjače u korišćenju KPG-a ima upravo takve motore na dvojno delovanje. Već više godina postoje primeri automobila i tržištu se nude automobili koji su fabrički proizvedeni tako da se koriste kao KPG vozila, kako je prikazano u prethodnom poglavlju. Nezavisno od toga je li primenjeno ”fabričko” ili ”naknadno” rešenje, postoje različiti načini pregrađivanja vozila i prilagođavanja na KPG pogon. Prikazanom načelnom šemom, Slika 7.11, može se opisati osnova većine spomenutih pregrađivanja. Najvažnije razlike u načinu pregrađivanja u vezi su sa tipom motora koji se pregrađuje, odnosno načinom na koji će se obavljati dobavljanje gasa potrebnog za rad motora. Tako se razlikuje: uređaj podpritiska kakav se ugrađuje u vozila opremljena karburatorom, uređaj podpritiska sa regulacijom dobavljanja gasa pri povišenom broju rotacija kakav se ugrađuje u vozila opremljena regulisanim katalizatorom, kao i uređaj ubrizgavanja gasa pred usisne ventile motora kakav se ugrađuje u vozila opremljena regulisanim katalizatorom.
Slika 7.11: Načelna šema instalacije za KPG Osnovni elementi sistema za upotrebu KPG-a za pogon motornih vozila, Slika 7.11., su: Rezervoari gasa (A) koji se koriste za uskladištenje gasa koji će se koristiti za pogon motora i Ventili rezervoara (B) koji prema potrebi služe za zaustavljanje toka gasa prema motoru. Opremljeni su sigurnosnim uređajima, i to: o osiguranjem od predpritiska (sprečavaju stvaranje pritiska većeg od 300 bar u rezervoaru gasa), o osiguranjem u vezi temperature (propušta gas iz rezervoara u okolinu u slučaju kada u okolini rezervoara temperatura poraste iznad propisanih vrednosti), 98
o osiguranjem u vezi isticanja (prilikom loma cevi ograničava protok gasa iz rezervoara gasa na 10% od maksimalno mogućeg). Ukoliko su ventili rezervoara gasa smešteni u prostoru za vozača i putnike, moraju biti zaštićeni posebnom zaštitom (C). Priključak za punjenje rezervoara (E) gasom opremljen nepovratnim ventilom (smešten je u motornom prostoru ili u prostoru levka za benzin). Ukoliko je priključak za punjenje rezervoara gasom smešten u motornom prostoru, on se najčešće izvodi zajedno u sklopu sa višesmernim ventilom (D). Tokom punjenja rezervoara gasom, on usmerava tok gasa prema rezervoaru, a blokira tok gasa prema regulatoru pritiska. Kada se ne obavlja punjenje rezervoara gasom, višesmerni ventil usmerava tok gasa prema regulatoru pritiska, a blokira tok gasa prema priključku za punjenje rezervoara gasom. Regulator pritiska (F) obavlja prilagođavanje pritiska gasa iz rezervoara na pritisak gasa potreban za pravilan rad motora. Kod vozila opremljenih karburatorom ugrađuje se mešač u kojem strujanje usisanog vazduha podpritiskom izvlači gas iz regulatora pritiska. U mešaču se stvara smeša vazduha i gasa potrebna za rad motora.
Precizna kontrola odnosa goriva i vazduha u radnoj smeši i trenutka njenog paljenja nužna je za smanjenje emisije štetnih gasova vozila na KPG uz istovremeno održavanje dobrih voznih svojstava (karakteristika vozila) i potrošnje goriva. Sve navedeno zahteva uređaj za kontrolu rada motora koji je sposoban da reaguje na nagle promene brzine i opterećenja povezane sa tipičnim situacijama rada motornog vozila. Zavisno od vremena nastanka, pa i složenosti uređaja dovoda goriva, kod gasnih motora se danas nailazi na četiri generacije: a) KPG motori I generacije sa kompletno mehaničkim uređajem dovoda goriva (vozila sa karburatorom bez katalitičkog konvertora izduvnih gasova), b) KPG motori II generacije sa osnovnim mehaničkim uređajem dovoda goriva sa elektronskom povratnom kontrolom ili elektronskim kontrolisanim uređajem dovoda goriva bez povratne kontrole (veze) koji zadovoljavaju Euro 1 i Euro 2 norme dopuštenih emisija štetnih gasova (karburator koji radi u zatvorenoj petlji i motori sa ubrizgavanjem goriva u jednoj tački – “single port injection engines”), c) KPG motori III generacije sa višetačkastim (“multipoint”) ubrizgavanjem i elektronskom povratnom kontrolom (višetačkasti sistem ubrizgavanja gasa koji radi u zatvorenoj petlji sa grupnim ili kontinualnim ubrizgavanjem) koji zadovoljavaju Euro 2 i Euro 3 norme i d) KPG motori IV generacije koje čine motori III generacije sa OBD uređajem (motori sa sekvencijalnim višetačkastim sistemom ubrizgavanja gasa koji rade u zatvorenoj petlji i sa siromašnom smešom goriva u odnosu na vazduh) koji zadovoljavaju Euro 3 i Euro 4 norme. 7.4.1.2.4. Vozila na KPG sa dizel motorom Kao što je pomenuto, KPG se doskora kao gorivo koristio isključivo kod benzinskih motora. Pre nekoliko godina rešen je problem prilagođavanja velikog broja komecijalnih vozila koja imaju pogonske agregate sa dizel motorima za korišćenje KPG-a. Dolazak do tih rešenja 99
posebno je zanimljiv evropskom tržištu, gde je praktično nemoguće pronaći bilo koje veće komercijalno vozilo sa oto motorom SUS kao pogonskim motorom. Upotreba prirodnog gasa za pogon motornih vozila (autobusa i kamiona) koja izvorno koriste Dieselov ciklus pregrađivanjem njihovih motora moguća je na dva načina: Prvi način je upotreba smeše prirodnog gasa i dizel goriva dodavanjem uređaja za snabdevanje motora gasom, a bez bitnih izmena na samom motoru. Drugi način je pretvaranje dizel motora u motor koji radi na principu Otto ciklusa. Originalno fabrički proizvedeni kamioni i autobusi na KPG u pravilu koriste gasne motore sa Otto ciklusom ili napredne verzije sistema KPG – dizel gorivo (koji u poslednje vreme pokazuju bitan razvoj na polju efikasnosti primene). Tokom procesa odlučivanja o prepravkama na KPG pogonskom motoru SUS za pokretanje autobusa potrebno je uzeti u obzir sledeće: Masa cilindričnih rezervoara za KPG iznosi i do 17% ukupnog opterećenja autobusa. Ukoliko masa autobusa na taj način postane prevelika, može posledično smanjiti broj raspoloživih stajaćih mesta za putnike. Stepen korisnosti goriva autobusa na KPG (to jest onih koji koriste Otto ciklus) niži je (10 do 15%) nego u slučaju autobusa sa dizel motorom. Ako vozilo ima znatno višu potrošnju prirodnog gasa (25 do 40%), vozači moraju biti osposobljeni za vožnju autobusa na KPG radi promene njihovih navika vožnje koje su stekli vožnjom na autobusima koji koriste dizel gorivo. Radionice za održavanje prilagođene su održavanju dizel vozila. Sa obzirom na to da je prirodni gas lakši od vazduha, nužna je odgovarajuća ventilacija u gornjem delu radionice kao i (u nekim slučajevima) upotreba rasvete izvedene u sigurnosnoj, takozvanoj protiveksplozionoj varijanti.
Slika 7.12: Prikazi ugradnje uređaja za korišćenje KPG-a kod autobusa Primeri dva takva rešenja pregrađivanja autobusa za rad na KPG prikazani su na Slici 7.12. 7.4.1.2.5. Upotreba smeše KPG–a i dizel goriva Motori koji koriste dvojno gorivo (“Dual Fuel engines”) Glavni je problem to što KPG zbog velikog oktanskog broja ima vrlo mali cetanski broj, to jest nedovoljnu sklonost samozapaljenju. Realizovana je ideja da se kod dizel pogonskih motora 100
KPG ubrizgava u struju usisavanog vazduha u usisni kolektor, a često i direktno u cilindar tokom takta kompresije, da bi se tako ostvarila smeša KPG-a i vazduha u cilindru dizel motora. Nakon komprimovanja i zagrejavanja ostvarene smeše vazduha i KPG-a, u trenutku kada bi kod benzinskog motora električna iskra svećice zapalila smešu, u cilindar se ubrizgava određena količina dizel goriva (takozvano “pilot paljenje”) koje se – zbog svoje sklonosti samozapaljenju – u komprimovanom i dovoljno zagrejanom radnom medijumu (smeša vazduha i KPG-a) upali i deluje kao inicijacija zapaljenja ostatka usisane smeše. Ti motori se često nazivaju i dvogorivni motori, jer koriste i KPG i dizel gorivo. U navedenom slučaju trošilo bi se istovremeno i KPG i dizel gorivo – najčešće u odnosu 70:30. Odnos utroška KPG-a i dizel goriva može varirati, sa obzirom na performanse i tehničke karakteristike konkretnog pogonskog motora SUS, od 0% pa sve do 80% KPG-a. Kod manjeg opterećenja motora obično je više dizel goriva, a u slučaju većeg opterećenja koristi se veći udeo KPG-a. Dvogorivni motori istovremeno su i bivalentni prerađeni dizel motori i njihova prednost može se ogledati i u činjenici da nisu potpuno zavisni od KPG goriva. Naime, ako vozilo iz bilo kog razloga ostane slučajno bez KPG-a, može normalno funkcionisati samo na dizel gorivo. Ugradnja dvojnog sistema omogućava brzu i ekonomski prihvatljivu pregradnju klasičnih dizel motora na sstem koji koristi KPG. Kako su vazduh i prirodni gas prethodno pomešani u cilindru, motori koji koriste dvojno gorivo imaju mnoge zajedničke karakteristike sa klasičnim oto motorima (sa električnim paljenjem). Istovremeno, kako se oslanjaju na paljenje smeše pomoću realizovane dovoljno visoke temperature na kraju takta kompresije, imaju i mnoge zajedničke karakteristike sa dizel motorima. Osim toga, imaju i svoja posebna svojstva, odnosno vlastite prednosti i nedostatke. Među prednostima, na prvom je mestu činjenica da takvi motori mogu raditi upotrebom smeše KPG – dizel gorivo, ali i dalje (ako se za to ukaže potreba) u režimu običnog dizel motora. Druga im je prednost jednostavnost (a samim tim i niska cena adaptacije) pregrađivanja dizel motora na upotrebu smeše KPG-a i dizel goriva. U odnosu na poteškoće kod pregrađivanja dizel motora na rad u Otto ciklusu, većinu dizel motora je moguće pregraditi na rad sa dvojnim gorivom bez komplikovanih zahvata prilagođavanja kompresionog prostora. Radne karakteristike i emisije štetnih gasova motora koji koriste dvojno gorivo variraju zavisno od operativnih (radnih) uslova i sofisticiranosti (složenosti) sistema za kontrolu. Takvi motori najbolje rade (daju najbolje rezultate) u režimu srednjeg do visokog opterećenja kada imaju jednak ili čak viši stepen korisnosti goriva u odnosu na upotrebu isključivo dizel goriva u istom režimu rada. Radom u režimu sa siromašnom smešom mogu ostvariti niske emisije štetnih gasova, pre svega azotovih oksida (NOx) i čvrstih čestica, u odnosu na rad sa čistim dizel gorivom. Upotreba smeše KPG-a i dizel goriva, uz korišćenje neophodnog vazduha, omogućava bitno smanjenje emisije većine štetnih gasova, a posebno čvrstih čestica i azotovih oksida do 15%. Nakon obavljenih ispitivanja na nekoliko izvedenih projekata utvrđeno je da prosečno smanjenje emisije štetnih gasova u odnosu na dizel gorivo može iznositi i do 65%. Sa druge strane, postoje i pregrađeni motori na dvojno gorivo koji imaju viši nivo emisije ugljen monoksida i nesagorelih ugljovodonika, a pokazuju i gubitak efikasnosti (niži stepen korisnosti goriva) u režimu niskog opterećenja. Međutim, savremeni tehnološki razvoj kod 101
dizel motora većih radnih zapremina pregrađenih i prilagođenih za rad na dvojno gorivo u kombinaciji sa novom generacijom elektronskih sistema nadzora količine goriva i kontrolnim sistemima omogućuje prevazilaženje problema koji su povezani sa stepenom korisnosti goriva i sa emisijom štetnih gasova u režimu rada sa niskim opterećenjem. Kompanija “Cummings–Westport” je pre nekoliko godina razvila dizel motore sa prednabijanjem koji za pogon koriste KPG i bitno snižavaju emisiju azotovih oksida i čvrstih čestica. U njihovom konceptu motora SUS sa visokopritisnim direktnim ubrizgavanjem i pilot paljenjem: KPG se ubrizgava pod visokim pritiskom na kraju takta kompresije, a mala količina dizel goriva kao pilot paljenje neposredno pre ubrizgavanja KPG-a. Detaljne karakteristike motora pritom nisu narušene, odnosno snaga i moment motora kao i efikasnost, odnosno stepen korisnosti goriva ostaju nepromenjeni. Radi se i dalje o dizel ciklusu i svim njegovim prednostima, neosetljivom na nivo samozapaljenja goriva i neosetljivom na sastav KPG-a, što je posebno važno. Taj koncept omogućuje udeo KPG-a od 95%, nezavisno od režima rada motora i vožnje automobila i od sastava korišćenog gasa. Komplet za pregrađivanje vozila na dvojni sistem KPG – dizel gorivo (Dual Fuel) može se ugraditi u svako vozilo pokretano dizel motorom. Namenjen je pre svega težim komercijalnim vozilima koja se koriste unutar gradskog područja ili na kraćim međugradskim relacijama. Prednost tog sistema je mogućnost vožnje i u originalnom režimu (100% dizel gorivo) ako se za to ukaže potreba. Rezultati sprovedenih ispitivanja pokazali su zadržavanje originalne dugotrajne pouzdanosti dizel motora njihovim pregrađivanjem na smešu KPG-a i dizel goriva. I kod rada sa smešom, ostvareni radni pritisci unutar motora jednaki su kao i kod rada sa 100% dizel gorivom. Pogonske karakteristike motora ne menjaju se bitno, što je prikazano dijagramom na Slici 7.13 za slučaj pregrađivanja FIAT IVECO dizel četvorotaktnog motora 8280.02 sa direktnim ubrizgavanjem, V8 rasporedom cilindara, stepenom kompresije 16,2. Kao što je već prethodno naznačeno, taj uređaj je jednostavniji i jeftiniji od alternativnog rešenja (pregrađivanje dizel motora u gasni motor koji 100% koristi KPG i Otto ciklus), ali ima i određene nedostatke. Pre svega, udeo KPG-a u smeši zavisi od režima vožnje, pa je kod vožnje u režimu gradske vožnje (sa čestim polascima i zaustavljanjima) udeo dizel goriva visok, a udeo KPG-a neznatan. U slučaju vožnje u režimu otvorenog puta, efekat je suprotan – udeo KPG-a u smeši je visok, a dizel goriva neznatan. Kada motor vozila radi u praznom hodu, koristi samo dizel gorivo. Sa pokretanjem vozila i porastom brzine raste i udeo KPG-a u smeši do oko 80%. Najveći mogući odnos smeše KPG-a i dizel goriva varira od proizvođača do proizvođača. Kompanija “Cummings–Westport” tvrdi da njihov uređaj omogućuje udeo KPG-a od 95%, nezavisno od režima rada motora. Prema podacima kompanije ETRA najviši udeo KPG-a u smeši iznosi do 75%, dok kompanija NGV Motori navodi najviši udeo prirodnog gasa u smeši od 60%.
102
Smeša KPG + dizel gorivo Dizel gorivo
Broj rotacija
Slika 7.13:. Poređenje efektivne snage i momenta kod rada sa dizel gorivom i sa smešom KPG-a i dizel goriva Sa druge strane, prednosti takvih rešenja su zadržavanje istih karakteristika (efektivna snaga i efektivni moment) kao kod originalnog dizel motora, a zadržana je i mogućnost rada na 100% dizel gorivo. U praksi može biti vrlo zanimljiva i pogodnost da se komplet za pregrađivanje može prema potrebi demontirati iz jednog vozila i ugraditi u drugo. Vrlo bitna prednost je to što su troškovi tog rešenja pregrađivanja na KPG niži nego u slučaju pregrađivanja dizel motora u 100% KPG motor koji radi primenom Otto ciklusa. 7.4.1.2.6. Pregrađivanje dizel motora u oto motore na KPG (Otto ciklus) Drugo rešenje je da se pri konverziji uređaja za napajanje za KPG upotrebu kod dizel motora ugradi i uređaj za električno paljenje smeše, uređaj kakav imaju klasični oto motori SUS. Tada je u pitanju namenska, monogorivna i monovalentna transformacija običnog dizel motora koji koristi sistem prinudnog paljenja – uglavnom kamioni i autobusi. Namenski motor pokreće jedino KPG, a njegova prednost je to što je ˝najpovoljniji˝ za delovanje na prirodni gas, što mu osigurava najveću efikasnost, znači i najjeftiniji prevoz, ali i povoljne rezultate emisija kao i najmanje agresivno delovanje na okolinu. Kao što je navedeno, takva varijanta je bitno skuplja u odnosu na upotrebu smeše KPG–dizel gorivo, ali omogućava upotrebu 100% KPG-a nezavisno od režima vožnje. Troškovi pregrađivanja su veći jer je potrebna bitna rekonstrukcija kompresionog prostora (prostora sagorevanja) motora SUS, što celi zahvat može učiniti upitno isplativim. Isplativost pregrađivanja zavisi od tipa i broja vozila predviđenih za pregrađivanje. Zbog potrebe izrade prototipa na kom će biti razvijeno tipsko rešenje za preostala vozila, uslov za ostvarivanje ekonomičnosti je pregrađivanje većeg broja vozila istog modela. Ne postoje normirani kompleti za pregrađivanje prikladni za sve vrste motora (nasuprot kompletima za pregrađivanje benzinskih motora zasnovanih na Otto ciklusu), svaki 103
pojedinačni model/tip dizel motora potrebno je tretirati kao novi projekat i izraditi zasebnu tehničku studiju sa ciljem utvrđivanja odgovarajuće kombinacije pojedinih komponenata kompleta za pregrađivanje i potrebne strukturne modifikacije motora. Program pregrađivanja se, u pravilu, sprovodi u sledećim koracima: izrada prototipa, uspostavljanje odgovarajućeg kompleta za pregrađivanje i njegovo ugrađivanje, ugrađivanje rezervoara za vozilo i instalacije za snabdevanje gasom u vozilo. Nakon što korisnik utvrdi koja je vrsta motora odabrana za pregrađivanje, kompanija koja vrši posao pregrađivanja može izraditi procenu troškova obrade odabranog motora prototipa i izrade tehničke studije za izbor odgovarajućeg kompleta za pregrađivanje. Troškovi uključuju i: nacrte i tehničke informacije za dalje modifikacije motora, identifikaciju optimalnog kompleta za pregrađivanje redosledom uočenih tehničkih posebnosti i zahteva u vezi sa emisijom štetnih gasova, ispitivanje modifikovanog motora (karakteristike, temperature, pritisci), proveru čvrstoće, izdržljivosti, pouzdanosti, proveru emisije izduvnih gasova, obuku stručnih radnika za pregrađivanje motora i ugradnju kompleta.
7.4.2. Mogućnosti transporta KPG-a Na Slici 7.14. prikazan je takozvani “plavi koridor”, evropska mreža najprometnijih puteva koja je pokrivena pumpnim stanicama na kojima se može dobiti KPG. Poznato je da je 2010. godine preko 7 miliona vozila u svetu koristilo KPG kao pogonsko gorivo, što je iznosilo oko 6% svih vozila. Među njima vrlo važan udeo čine autobusi i druga komercijalna vozila u velikim gradovima. Sa porastom svetske potražnje prirodnog gasa javlja se potreba razvoja postojećih načina transporta gasa i njegovog efikasnog približavanja korisnicima. Pritom posebnu ulogu ima i razvoj novih tehnologija koje će omogućiti efikasan i ekonomski prihvatljiv transport gasa – kako na male, tako i na veće udaljenosti. Pri povezivanju izvora tog sve prihvatljivijeg energenta i tržišta, prirodni gas se u svetu transportuje uz upotrebu dve već dobro uhodane tehnologije: oko 70% cevovodom i oko 30% kao utečnjeni prirodni gas (TPG-LNG). Cevovodi koji prolaze kopnom, kada je to moguće, predstavljaju najpovoljniju mogućnost. Međutim, podmorski cevovodi imaju ograničenja sa obzirom na udaljenost i vrstu terena. Druga varijanta uslovljena je izgradnjom postrojenja za TPG-LNG, kako za proces utečnjavanja na izvoru, tako i za proces ponovne gasifikacije na odredištu. Pre svega, investiranje u takva postrojenja finansijski je zahtevna, a celokupni proces je složen jer je povezan sa gubitkom energije – što znači skup. On se primenjuje za prevoz na velike pomorske udaljenosti i za velike količine gasa. Drugim rečima, namenjen je velikim tržištima (što Srbija zajedno sa svim okolnim zemljama za sada nije). 104
Slika 7.14: Prikaz putnih pravaca kojima se kreće brojna flota komercijalnih KPG vozila Pomorski prevoz TPG-a je alternativa koja je poslednjih godina često predlagana, ali nema uočljivog napretka – i to zbog dva razloga: investicije širom sveta usmerene su prvenstveno na TPG-LNG i projekti KPG brodova zasnivaju se na konceptu koji zadire u područje TPG-LNG-a, što se nije pokazalo dobrim pristupom. KPG mora imati bitnu ulogu kod prevoza na kraće udaljenosti i na manjim pomorskim tržištima koja nisu povezana sa velikim cevovodima ili TPG-LNG terminalima. Čak i kod većih udaljenosti (preko 1000 milja), KPG je još uvek atraktivniji, ukoliko podmorski cevovod nije moguć. Za manje količine (do 2 milijarde m3/godišnje) KPG je optimalno rešenje za dovođenje tog energenta na tržišta poput našeg. Komprimovanje prirodnog gasa je tehnologija koja je dokazana u mnogim primenama, uključujući transport brodovima, kamionima, železnicom i teretnjacima. Nova generacija KPG brodova prilagođena je transportu velikih količina gasa. To je oko jedne četvrtine količine nosača TPG-a iste veličine, ali uz daleko niže troškove po jedinici gasa nego za TPG, za manje udaljenosti do 4000 km. KPG predstavlja ekonomski atraktivan način isporuke komercijalnih količina prirodnog gasa korisnicima unutar manjih udaljenosti.
7.4.3. Stanice za punjenje KPG-om Stanice za punjenje KPG-om predstavljaju kolektivni pojam za kompletnu instalaciju potrebnu za dopunjavanje goriva u vozila koja koriste komprimovani prirodni gas. Sastavljena je od izvora gasa, kompresora gasa, skladišnih cilindara, površine prioriteta i uređaja za distribuciju. KPG stanice postoje u mnogo raznih oblika i veličina, ali sve sadrže navedene osnovne komponente. 105
Stanice za punjenje mogu se razvrstati u dve glavne grupe: stanice za vremensko punjenje (to jest sporo punjenje) i stanice za brzo punjenje. 7.4.3.1. Stanice za sporo punjenje Stanice za sporo punjenje koriste kompresor za direktno punjenje vozila tokom određenog vremenskog perioda, obično dok je vozilo parkirano noću. Zemlje kod kojih je KPG ušao u masovnu upotrebu (Italija, Argentina, SAD) kao pogonsko gorivo i za privatne automobile, nude domaćinstvima – koja u svakodnevnom životu koriste prirodni gas za dobijanje tople vode, kuvanje, grejanje – male kućne uređaje sa tihim kompresorima male snage za laganu popunu KPG rezervoara automobila iz gradske gasne instalacije. Jednostavnost takvih uređaja izuzetna je prednost, jer mala investicija daje tim rešenjima osnovni preduslov za masovnu upotrebu. Šema i izgled jedne takve “kućne” punionice prikazani su na Slici 7.15.
garaža
kuća
kompresor Priključak na gasovodnu mrežu
Merač utrošenog gasa
Priključak na vozilo
Slika 7.15: Šema kućne punionice KPG-a 7.4.3.2. Stanice za brzo punjenje Takve stanice za popunu KPG automobila se češće izvode. Koriste suprotnu koncepciju onoj koja je objašnjena u prethodnom poglavlju (skladište komprimovanog prirodnog gasa malog kapaciteta i kompresori većeg kapaciteta). Ovde se primenjuje koncept skladišta KPG-a velikog kapaciteta i kompresora manjeg kapaciteta. Koriste se za dopunu svih vrsta putnih motornih vozila u javnom transportu. U svetu se uglavnom postavljaju na prilazima klasičnih pumpi za konvencionalna tečna goriva i TNG. Te stanice gas distribuišu iz skladišnih rezervoara u kojima se gas čuva pod visokim pritiskom (250 bar). Gasni kompresori neprekidno održavaju neophodno visok pritisak periodičnim uključivanjem i isključivanjem kada je potrebno nadomestiti gas koji se ispusti pri svakom dopunjavanju vozila. Takva postavka idealna je za pumpne stanice na kojima je potrebno obaviti brzo punjenje, jer vozila moraju otići sa te lokacije uz što kraće zadržavanje. Kada je potrebno napuniti veći broj automobila, pune se direktno iz KPG skladišta (vreme od nekoliko minuta po vozilu). Dogodi li se, zbog velikog broja potrošača u kratkom roku, da skladište bude naglo ispražnjeno, potrebni ostatak može se dopuniti direktno putem kompresora. U vremenu u kom se ne koriste za punjenje potrošača, kompresori se koriste za punjenje skladišta. Za generalno punjenje takvih velikih skladišta (uz pretpostavku potpuno praznog skladišta, to jest bez KPG-a) obično je potrebno, zavisno od broja kompresora, nekoliko sati. 106
I u tom slučaju se za koncept skladišta vrlo često koristi kontejnerska varijanta. Zbog upotrebe skladišta koje omogućava veliki kapacitet punjenja, može biti predviđeno više dispensera za brzo punjenje. Stoga je punjenje na taj način slično punjenju vozila na klasičnoj stanici za punjenje motornih vozila klasičnim tečnim gorivom na koju vozila dolaze jedno po jedno do dispensera za punjenje. Istovremeno punjenje većeg broja motornih vozila nije moguće, ali su zato znatno manji potrebni zahtevi za prostorom. Primer jedne takve brze punionice prikazan je na Slici 7.16. Radi se o kontejnerskoj stanici minimalnih dimenzija sa minimalnim potrebnim zonama sigurnosti podesnoj za instalisanje u urbanim sredinama u kojima je ušteda prostora imperativ zbog verovatno visokih cena zemljišta. Sastoji se od jednog kompresorskog modula sa dva kompresora (ukupnog kapaciteta 626 m3/h) koji se pokreću elektromotorima snage 2 x 75 kW i sa ulaznim pritskom od 4,5 bar. Uz kompresorski modul dolazi i KPG skladište sa osnovom koju čini rezervoar koji se sastoji od više desetina boca od 80 l. Jedan rezervoar može uskladištiti radnu količinu od oko 275 m3 prirodnog gasa komprimovanog na 250 bar (najviši pritisak rezervoara na punionici mora biti viši od radnog pritiska rezervoara u vozilu koji iznosi oko 200 bar).
Slika 7.16: Brza punionica za autobuse 7.4.3.3. Kontejnerske stanice za KPG dopunu Prevoz KPG-a kontejnerima koristi se pomorskim, rečnim, železničkim i putnim saobraćajem. Kontejneri za prevoz KPG-a po gabaritima se ne razlikuju od klasičnih kontejnera koji se koriste za sve ostale robe u brodskom prevozu. Postoje i drugačije varijante rezervoara, ali sama izvedba (veličina i konfiguracija) prilagođava se nameni, slike 7.17. i 7.18.
107
Slika 7.17: Kontejner sa bocama (cilindrima) od kompozitnih materijala
Slika 7.18: Kontejnersko skladište komprimovanog prirodnog gasa 7.4.3.4. Razne posude visokog pritiska i rezervoari kao stanice za KPG dopunu Posude visokog pritiska i rezervoari mogu biti stabilni i pokretni. Prvi služe za skladištenje KPG-a i na priručnim punionicama, a drugi kao rezervoari na motornim vozilima ili za prevoz između gasovoda i neke priručne punionice (kao element virtualnog gasovoda).
Slika 7.19: Sferni KPG rezervoar
Slika 7.20: Rezervoari u punionici za KPG vozila
108
Svi rezervoari su takvih mehaničkih karakteristika da sa lakoćom podnose pritiske od 250 do 300 bar. Veliki iskorak u putnom, železničkom, rečnom i pomorskom transportu omogućila je nova tehnologija proizvodnje plastičnih rezervoara visokog pritiska, jer je njihova masa, u odnosu na čelične rezervoare visokog pritiska, i do 75% manja. Neki od tih veštačkih materijala mogu izdržati i veće pritiske od čeličnih. Nekoliko primera savremenih varijanti KPG rezervoara prikazano je na Slici 7.19 i Slici 7.20.
7.4.4. Sigurnost korišćenja KPG-a KPG je kao pogonsko gorivo uvek u gasovitom stanju. Kada se kaže uvek, misli se na sve faze, od: prvog komprimovanja na nalazištu prirodnog gasa, njegovog transporta od nalazišta do odredišta u blizini krajnjeg korisnika, do predaje korisniku i skladištenja u rezervoar goriva KPG automobila čiji će se motor SUS napajati tim gorivom i pokretati konkretno motorno vozilo. Uprkos predrasudama sa neosnovanim strahom od blizine gasa pod visokim pritiskom i njegovog čuvanja u rezervoarima, može se ipak zaključiti da je KPG u motornom vozilu kao pogonsko gorivo sigurnije od konvencionalnih tečnih goriva iz više razloga: U slučaju curenja goriva, gas će se brzo razići u okolinu naviše, dok se tečnosti zadržavaju na tlu, stvarajući pritom potencijalnu vrlo ozbiljnu opasnost od požara. KPG ima mnogo višu temperaturu paljenja od tečnih goriva (580°C naspram 220°C kod benzina), pa je zato mnogo manji broj potencijalnih izvora paljenja u slučaju curenja tog goriva. KPG ima uzak opseg eksplozivnosti, reaguje samo kada je koncentracija u vazduhu isključivo između 5 i 15%. KPG nije toksičan ni korozivno agresivan i neće zagaditi podzemne vode. Sagorevanjem prirodnog gasa ne nastaju velike količine aldehida i drugih toksina u vazduhu, što je mana benzina ili nekih drugih alternativnih goriva. Skladišne posude (rezervoari) i u vozilima i na stanicama za dopunjavanje KPG-a izrađene su od veoma čvrstog materijala i zaštićene su sigurnosnim ventilima i drugim sigurnosnim uređajima. Prolaze veliki broj strogih testova koji su definisani nizom vrlo strogih normi i propisa (otpornost na vatru, udarce, mehanička oštećenja itd.). Proces dopunjavanja KPG na distributivnoj pumpi takođe je veoma siguran jer je celi sistem hermetički zatvoren, čime se sprečava bilo kakvo curenje ili gubitak tog pogonskog goriva. Godišnja proizvodnja gasa u Srbiji iznosi oko 500 miliona kubnih metara. To ne podmiruje potrebe pa se gas uvozi iz Rusije.
109
VIII Sagorevanje goriva u motoru SUS U poglavljima 3.2.1. (Sagorevanje ugljenika) i 3.2.2. (Sagorevanje vodonika) opisano je sagorevanje dva najčešća hemijska elementa od koji se sastoji većina konvencionalnih goriva koja se koriste za pogon motora SUS. Pritom je objašnjen i mehanizam pretvaranja hemijske energije u toplotnu kao i njeno delimično prevođenje u mehanički rad koji daje motor SUS. Velikim delom transformisana hemijska energija goriva odlazi neiskorišćena iz motora SUS u obliku toplote izduvnim gasovima u okolinu ili se gubi preko nužnog hlađenja pregrejanih delova motora kao i trenja i zračenja. Približne vrednosti energetskih tokova kod oto i dizel motora moguće je prikazati Sankyjevim dijagramom, Slika 8.1. DIZEL MOTOR
BENZINSKI MOTOR
Toplota izduvnih gasova
Toplota izduvnih gasova
Hlađenje
Hlađenje
Trenje i zračenje
Trenje i zračenje
Iskoristivi rad na zamajcu motora
Slika 8.1: Sankyjev dijagram bilansa energije
8.1. POREMEĆAJI U RADU MOTORA SUS ZBOG GORIVA Detonacija je poseban način sagorevanja goriva u motoru. U oto i dizel motorima manifestuje se posebnim zvukom, šumom (bukom), a zavisi osim od vrste motora i od njegove konstrukcije, pogonskih uslova i vrste goriva. Uzroci pojave detonacije kod oto i dizel motora pokazuju izrazite suprotnosti, pa će se zato posebno opisati – sa isključivim osvrtom na uticaj goriva.
8.1.1. Detonacije u oto motoru Sagorevanje smeše događa se u radu četvorotaktnih motora SUS na kraju drugog i tokom trećeg takta. Pri tome front plamena ispunjava prostor sagorevanja pa se goriva smeša širi i dodatno kompresuje neizgoreni deo smeše ispred fronta plamena, Slika 8.2. Usled zagrevanja od plamena u neposrednoj blizini, temperatura i pritisak ostatka nezapaljene smeše vrlo brzo rastu.
110
Front plamena
Svećica
Sagorela smeša
Nesagorela smeša
Slika 8.2: Jednostavan prikaz sagorevanja smeše u cilindru oto motora U ostatku smeše, ispred fronta plamena, se u nekim slučajevima mogu samostalno stvarati nova jezgra paljenja. Ona uzrokuju dodatno zapaljenje ostatka smeše koja tada sagoreva vrlo brzo, u vrlo kratkom vremenu – detonaciono, Slika 8.3. SAGOREVANJE
Slika 8.3: Prikaz naglog porasta pritiska pri pojavi detonacije kod oto motora Do detonacije ne dolazi ako nisu dostignute kritične vrednosti pritiska i temperature za stvaranje jezgara paljenja u smeši vazduha i goriva ispred fronta plamena. Uticaj hemijskih procesa kod sagorevanja ima određenu važnost za pojavu detonacija. Detonacija nastupa kada molekuli goriva ne sagorevaju jedan za drugim, već više molekula sagoreva istovremeno u odvojenim parcijalnim reakcijama. Pritom nastaju međuprodukti koji cepaju nesagoreli deo, čime ubrzavaju i olakšavaju sagorevanje, jer dolazi do lančane reakcije. Napredovanjem reakcije raste i temperatura, a time i brzina sagorevanja, dolazi do naglog porasta pritiska što ubrzo dovodi do pojave detonacije. Zbog inercije pokretnih delova, motor SUS ne može preuzeti transformisanu hemijsku energiju pri pojavi detonacije u raspoloživom kratkom vremenu, pa dolazi do: opadanja snage motora,
111
pregrejavanja svih delova motora koji formiraju prostor sagorevanja smeše (cilindri, glave, klipovi, ventili), njihovog oštećenja i do niza drugih mogućih problema, poput povećane potrošnje ulja. U drastičnim slučajevima može doći i do bitnih oštećenja i kompletnog prestanka rada motora SUS. Osim detonacija, kao jedna od mogućih nepravilnosti rada oto motora može se pojaviti samopaljenje goriva. Iako su te pojave po svojim spoljašnjim manifestacijama dosta slične, treba ih razlikovati. Detonacija nastupa redovno posle početka, odnosno tokom sagorevanja prouzrokovanog električnom varnicom svećica. Samopaljenje može nastupiti i pre paljenja svećicom usled pregrejavanja nekih delova u prostoru sagorevanja (na primer, vreli delovi na izduvnom ventilu ili svećici). Samopaljenje se može dogoditi i kod motora SUS koji koriste goriva sa vrlo visokim oktanskim brojem (koja su vrlo otporna na detonacije), dok detonacija ne. U slučaju pojave zvukova pri radu motora tipičnih za detonacije, primenom goriva sa većim oktanskim brojem – što će eliminisati pojavu detonacije – može se odrediti koja je pojava u pitanju.
8.1.2. Detonacija i hemijski sastav benzina Za pojavu detonacije u nekom motoru SUS koji je određenih konstrukcionih karakteristika i koji se koristi na nekom uobičajenom eksploatacionom režimu rada, odlučujući su vrsta i hemijski sastav goriva. U oto motorima pojava detonacije pri sagorevanju biće češći pratilac pri upotrebi benzina sa nižim oktanskim brojem, petroleja ili gasnog ulja (dizel gorivo), a bez česte pojave detonacije sagorevaće benzini sa višim oktanskim brojem, benzen i alkohol. Kada se govori isključivo o ugljovodonicima koji ulaze u sastav benzina, poznato je da najmanju otpornost na pojavu detonacije imaju normalni nerazgranati parafini (zasićeni ugljovodonici). Redosled sklonosti pojavi detonacije je sledeći:
nerazgranati parafini (kao najskloniji), pa razgranati parafini, nerazgranati olefini, razgranati olefini, nafteni, i na kraju aromati (kao najotporniji na pojavu detonacije).
Ukoliko ugljovodonici imaju više ugljenikovih atoma (što su duži), to im je otpornost na pojavu detonacije slabija. U skladu sa tim principom, lako je zaključiti da su gasovi koji se koriste za motorni pogon, zbog malog broja ugljenikovih atoma, bez izuzetaka otporniji na pojavu detonacije od svih motornih benzina.
8.1.3. Legiranje benzina Zahtevana otpornost goriva na detonaciju tokom prošlih vremena stalno se povećavala, tako da su dobijeni benzini uobičajenog sastava sami po sebi sve teže udovoljavali aktuelnim 112
zahtevima savremenih benzinskih motora. Rešenja su nalažena u različitim dodacima benzinu koji su ga ”legirali” i povećavali mu otpornost na detonacije. Svojevremeno su najpoznatija sredstva bila olovni tetraetil, motorni benzen i alkoholi, a zatim su u upotrebu ušli i aromatski ugljovodonici, izoparafini, etri itd. Motorni benzen odlikuje visoka otpornost na detonaciju, dobra isparljivost i visok specifični sadržaj energije. Svakako je najveći problem činjenica da je dokazani uzročnik leukemije. Alkoholi imaju gotovo dvostruko veću otpornost na detonaciju od benzena, vrlo čisto sagorevaju, ali imaju i relativno nizak specifični sadržaj energije, pa je to jedan od glavnih razloga zašto se ne primenjuju kod avionskih oto motora. Aromatski ugljovodonici, kao i izoparafini, vrlo efikasno povećavaju otpornost na detonaciju. Savremene tehnologije dobijanja potrebnih komponenata (krekovanjem, hidriranjem i odabranim sintezama) omogućile su proizvodnju aromata u dovoljno velikim količinama za nesmetanu masovnu upotrebu.
8.1.4. Dodaci benzinu Dodaci (aditivi) benzinu su sve komponente benzina koje nemaju bitnog uticaja na promenu njegovog hemijskog sastava jer se dodaju u neznatnim količinama, a ispunjavaju osnovnu svrhu – poboljšavaju neka njegova bitna svojstva. Tako, na primer, “antidetonacioni” aditivi povećavaju njegovu otpornost na pojavu detonacije. Radi se uglavnom o metalnim jedinjenjima. Najpoznatiji je olovni tetraetil Pb(C2H5)4, mada je svojevremeno u upotrebi bio dosta prisutan i metalni karbonil – Fe(CO)5. Olovni tetraetil je bezbojna uljasta tečnost sa tačkom ključanja na oko 200°C i vrlo niskom tačkom mržnjenja (na -156°C), a benzinima se dodavao u vrlo malim količinama. U ukupnoj masi u sebi sadrži oko 64% olova. Dodavanje većih količina delovalo je korozivno na sve komponente uređaja za napajanje gorivom, a na svećicama i izduvnim ventilima vrlo su se brzo stvarale naslage olovnog taloga (što je dovodilo do ubrzanog propadanja – sagorevanja tih delova). Poseban je problem što je olovni tetraetil izuzetno otrovna materija koja i prodorom kroz kožu, ali i udisanjem para može biti smrtonosna. Zbog toga se zadnjih desetak godina u normalnoj komercijalnoj masovnoj upotrebi u pogonu automobila koriste isključivo “bezolovni benzini”. Danas se koristi samo za dizanje otpornosti na pojavu detonacije u proizvodnji avionskih benzina.
8.1.5. Detonacije u dizel motoru Na kvalitetno sagorevanje u dizel motorima posebno značajan uticaj ima parametar zakašnjenja paljenja, prikazan na Slici 8.4., intervalom između tačaka A i C. Tokom kašnjenja paljenja dolazi do delimičnog sagorevanja koje uglavnom ne dovodi odmah do porasta pritiska jer se u samom početku razvijena toplota troši i na zagrevanje, isparavanje susednih kapljica. Nakon toga dolazi do postojanog ubrzavanja procesa paljenja, tako da se sve veći deo hemijske energije goriva transformiše u toplotu koja ima za posledicu sve veći porast temperature. Što je temperatura viša, naknadno ubrizgano gorivo ima sve manje zakašnjenje, tako da se pri kraju ubrizgano gorivo praktično pali bez zakašnjenja. 113
Zakašnjenje paljenja definisano je kao vreme između trenutaka početka ubrizgavanja goriva (tačka A) i njegovog paljenja, odnosno početka efektivnog oslobađanja toplote (tačka C), što na krivoj promene pritiska odgovara intervalu između tačaka A’ i C’.
Pritisak u cilindru
Pritisak u cilindru bez paljenja goriva
Vreme
Slika 8.4: Vremenski tok promene pritiska u cilindru dizel motora tokom takta kompresije sa prikazom zakašnjenja paljenja Paljenje nastupa na kraju zakašnjenja paljenja, istovremeno na više mesta u mlazu goriva (jezgra zapaljenja) i brzo se širi po čitavom mlazu goriva. Tokom zakašnjenja paljenja u prostoru sagorevanja nalazi se određena količina nezapaljenog goriva čije kapljice isparavaju pod uticajem vrućeg vazduha, Slika 8.5. Vruć vazduh
Jezgro ubrizganog goriva krupnije kapljice
Smeša para goriva i vazduha delimično zapaljena
Slika 8.5: Sagorevanje smeše u cilindru dizel motora Međutim, ako se u dizel motoru koristi gorivo slabije sklonosti paljenju, može se dogoditi preveliko (veće od 0,002 sekunde) zakašnjenje paljenja. Tada se u prostoru sagorevanja može stvoriti količina pripremljenog, a nezapaljenog goriva, pa konačno započeto i zakasnelo paljenje uzrokuje detonaciono sagorevanje smeše i vrlo naglo – udarno – povećanje pritiska, Slika 8.6. Ovo detoniranje u dizel motoru je praćeno karakterističnom i prepoznatljivom bukom. 114
Procesi za vreme kašnjenja zapaljenja su fizičke i hemijske prirode, a vremenski se preklapaju.
Sa detonacijom
Početak ubrizgavanja
SAGOREVANJE
Bez detonacije Zakašnjenje paljenja
Količina ubrizganog goriva
Vreme ubrizgavanja
Slika 8.6: Prikaz zakašnjenja paljenja i naglog porasta pritiska pri pojavi detonacije kod dizel motora Fizička priroda zakašnjenja paljenja uključuje procese raspršavanja ubrizganog goriva, njegovog grejanja, isparavanja i daljeg zagrevanja para goriva usled mešanja sa vrućim vazduhom. Taj složeni proces zavisi od fizičkih svojstava goriva. Na skraćenje fizičkog dela zakašnjenja paljenja (i sprečavanje pojave detonacije) može se uticati načinom i efikasnošću raspršivanja koje zavisi od svojstava delova i parametara ubrizgavanja kao i od fizičkih svojstava goriva (na primer viskoznost). Pritom je važno dobro raspršivanje goriva u što manje kapljice (dobra mikrosmeša) i dobra raspodela goriva u prostoru sagorevanja (dobra makrosmeša) i zato se tome posvećuje posebna pažnja. To se u praksi postiže različitim oblicima prostora sagorevanja (za realizaciju poželjnog mešanja goriva i vrućeg vazduha) i često višim pritiskom ubrizgavanja goriva. Hemijsko zakašnjenje paljenja je osnovno svojstvo goriva, uslovljeno hemijskim sastavom, i obuhvata vreme potrebno da se završe sve poznate predplamene hemijske reakcije. Hemijska priroda zakašnjenja paljenja ogleda se u hemijskim procesima para goriva koji se odvijaju tokom početka sagorevanja i početne transformacije u toplotu, pri čemu se konačno postiže temperatura zapaljenja celog radnog medijuma. Dužina zakašnjenja paljenja pritom hemijski zavisi najviše od građe molekula goriva. U tom procesu dolazi do cepanja molekula usled delovanja toplote. Kod viših pritisaka i toplijeg motora cepanje se odvija brže, pa je onda i zakašnjenje paljenja kraće. Slično benzinima i dizel gorivo se sastoji od vrlo šarolike smeše različitih ugljovodonika. Vodonikom bogatiji parafini lakše se raspadaju, lakše reaguju od ostalih ugljovodonika, što znači da će imati manje zakašnjenje paljenja. U početnoj fazi sagorevanja olefini i nafteni imaju nešto veće zakašnjenje, a kod aromata se nailazi na najveće zakašnjenje paljenja i najveću sklonost pojavi detonacije kod dizel motora. 115
Veličina uticaja
Načelni redosled uticaja pojedinačnih ugljovodoničnih komponenata u dizel gorivu na zakašnjenje paljenja (ZP), što znači i na sklonost pojavi detonacije u dizel motoru, prikazan je na Slici 8.7.
Vreme (ZP)
Slika 8.7: Prikaz uticaja ugljovodičnih komponenata dizel goriva na zakašnjenje paljenja Iz navedenog je bitno zaključiti da se rizik od pojave detonacije kod dizel motora smanjuje ili potpuno suzbija efikasnim smanjenjem zakašnjenja paljenja.
8.2. ISPITIVANJE OKTANSKOG I CETANSKOG BROJA GORIVA 8.2.1. Oktanski broj goriva Oktanski broj goriva jedan je od njegovih osnovnih pokazatelja, mera i oznaka za njegovu sposobnost da sprečava pojavu detonacije zbog samozapaljenja još neizgorelog goriva ispred fronta plamena. Pripada tehnološkim svojstvima, jer su za njegovo tačno određivanje potrebna ispitivanja na posebnim, za tu svrhu projektovanim, konstruisanim i proizvedenim motorima. U okviru jedne benzinske frakcije (od 30 do 200°C) nalazi se veliko mnoštvo od nekoliko stotina ugljovodonika različite molekulske građe sa sasvim različitim otpornostima prema “nenormalnom” sagorevanju, detonaciji. Međutim, ne samo zbog i danas još uvek upitne isplativosti te tehnološke ekskluzivnosti, nego mnogo pre zbog tehničke nemogućnosti proračuna, pokušalo se i uspelo definisati sklonost benzina detonaciji pomoću nekoliko jedinjenja, markantnih predstavnika same smeše. Ta su jedinjenja morala zadovoljavati sledeće uslove: morali su biti komponente smeše – benzina, morali su imati međusobno bitno različita svojstva otpornosti prema detonciji, morali su da poseduju različita fizička svojstva (naročito tačku ključanja), tako da su mogli biti izdvojeni kao čista jedinjenja i morali su biti dostupni u većim količinama. Već 1927. godine Edgar. D. Graham predlaže (na osnovu radova Sir Harryja Ricarda) primenu referentnog goriva kao smeše dva karakteristična jedinjenja, i to:
116
normalnog heptana (n-heptan), ravnolančanog parafinskog ugljovodonika sa 7 ugljenikovih atoma u molekulu C7H16, kao gorivo izrazito sklono detonaciji koje ima oktanski broj OB = 0 i izooktana (i-oktan), razgranatog parafinskog ugljovodonika sa 8 ugljenikovih atoma u molekulu C8H18, kao gorivo izrazito otporno na detonacije, kojem je dodeljen oktanski broj OB = 100. Smeša tih ugljovodonika ima oktanski broj između 0 i 100, a odgovara zapreminskom procentu izooktana u njoj. Od tada različite smeše ova dva jedinjenja – normalnog heptana i izooktana – služe kao referentno gorivo u određivanju oktanskog broja nekog posmatranog goriva na ispitnom motoru. Ispitivanja otpornosti na detonaciju izvode se u posebnim motorima koji imaju jedan cilindar, hlade se posredno (vodom) i posebne su konstrukcije tako da imaju mogućnost promene stepena kompresije između 4 i 11 promenom položaja cilindra u odnosu na fiksni položaj klipne grupe, klipnjače i kolenastog vratila, kako se vidi na Slici 8.8.
Pomak cilindra za promenu stepena kompresije Pužno kolo Puž
Navoj
Najviši položaj cilindra Najniži stepen kompresije
Najniži položaj cilindra Najviši stepen kompresije
Slika 8.8: Motor za ispitivanje oktanskog broja Tokom ispitivanja može se, osim položaja cilindra i stepena kompresije, menjati i temperatura usisavanog vazduha ili smeše goriva i vazduha uz pomoć posebnih električnih grejača kao i ugao predpaljenja. Tokom rada motora takođe se može jednostavno menjati i pogonsko gorivo (ispitivano ili referentno). Intenzitet detonacije meri se posebnim uređajem priključenim na cilindar motora. To su takozvani CFR motori (engl. Cooperative Fuel Research Committe) nastali u SAD-u, prikazan na Slici 8.9., ili BASF motori (nem. Badische Anilin- und Sodafabrik) nastali u Nemačkoj. Uz ova dva principijelno slična laboratorijska ispitna motora nastale su i dve metode za ispitivanje oktanskog broja: istraživačka metoda (Research Method) i motorna metoda (Motor Method).
117
Slika 8.9: Prvi CFR motor za ispitivanje oktanskog broja benzina iz 1929. godine U skladu sa navedenim metodama postoje i dva parametra koja opisuju otpornost goriva na pojavu detonacije, dva oktanska broja: istraživački oktanski broj IOB (engl. Research Octane Number RON) i motorni oktanski broj MOB (engl. Motor Octane Number MON). Otpornost na detonaciju smeše izražava se zapreminskim procentom oktana u smeši, što predstavlja oktanski broj. Gorivo koje u ispitnom motoru ima isto svojstvo, sa obzirom na trenutak pojave detonacije, kao i određena smeša izooktana i n-heptana – ima isti oktanski broj. Oktanski broj može biti i veći od 100. Pritom se ispitivanje obavlja novim referentnim gorivom koje se dobija dodatkom tetraetil-olova izooktanu. 8.2.1.1. Istraživački oktanski broj goriva U ispitivanju istraživačkog oktanskog broja IOB u skladu sa normom ASTM D 2699, CFR motor radi naizmenično sa ispitivanim i sa referentnim gorivom. Tokom ispitivanja goriva kojem treba odrediti oktanski broj povećava se kompresioni odnos sve do pojave detonacije. Posle toga se CFR motor pogoni uz isti kompresioni odnos sa različitim referentnim gorivima, različitim smešama n-heptana i izooktana, tražeći onu smešu koja će se najsličnije ponašati, odnosno pronalazi se najmanja vrednost količine izooktana referentnog goriva pri pojavi detonacije. Ta granična vrednost, odnosno zapreminski procenat izooktana u tom referentnom gorivu koje se ponaša kao i ispitivano, predstavlja istraživački oktanski broj IOB ispitivanog goriva. Na javnim pumpama za snabdevanje gorivom u Republici Srbiji trgovačka oznaka benzina sadrži istraživački oktanski broj – na primer BMB 98. Hemijskom analizom dobijene vrste i udela ugljovodonika u ispitivanom gorivu kao i odgovarajućim proračunom doskora se nije mogao odrediti tačan oktanski broj goriva. Svako gorivo, bez obzira na poznate komponente, moralo se ispitati u CFR motorima da bi se odredio oktanski broj zadovoljavajuće tačnosti. 118
Određivanje oktanskih vrednosti goriva na CFR motorima sa varijabilnim kompresionim odnosima složeno je i skupo. Zbog toga su tražene razne druge analitičke metode i postupci po kojima bi se mogla, sa više ili manje tačnosti, odrediti oktanska vrednost pojedinih motornih benzina. Danas postoje takve tehnološke mogućnosti koje uz odgovarajuću informacionu podršku mogu na osnovu preciznog poznavanja sastava benzina, odnosno na osnovu podataka o udelu svake komponente konkretnog benzina, proračunom doći do vrednosti njegovog oktanskog broja. Sa aspekta tehničkih mogućnosti celog postupka saznavanja oktanskog broja benzina, doskora je bilo nezamislivo definisati otpornost na detonaciju čitave tako složene smeše na osnovu poznatih svojstava komponenata. Nedavno je razvijen i objavljen teoretski model koji pokazuje zavisnost antidetonacionih svojstava motornih benzina od hemijskog sastava komponenata tog benzina. Ispitan je veliki broj poznatih hemijski različitih komponenata benzina, odnosno njihova antidetonaciona svojstva. Jednom od poznatih metoda spektrofotometrije dobijeni su spektri svih tih komponenata prema njihovoj veličini i strukturi koji su svrstani u 28 hemijski sličnih grupa. Ispitano je više od 2500 signala ugljenika, odnosno njegovih jedinjenja svrstanih u strukturne grupe sa vodonikom, u prstenovima, aromatima, alifatskim lancima i olefinima. Odnos strukture pojedinih komponenata i oktanske vrednosti upoređivan je uz nezaobilaznu pomoć kompjutera. Dobijeni rezultati su pokazali da se primenjena metoda spektrofotometrije može koristiti za relativno tačno određivanje oktanske vrednosti motornih benzina. 8.2.1.2. Motorni oktanski broj goriva Sa obzirom na to da je sklonost detonaciji zavisna i od pogonskih uslova i konstrukcije motora, postoji i tzv. motorni oktanski broj MOB, u skladu sa normom ASTM D 2700. Uslovi za ispitivanje motornog oktanskog broja su strožiji jer je uključeno predgrejavanje smeše benzina i vazduha na usisu na 150°C. Sa obzirom na to da su zbog uključenog predgrejavanja uslovi ispitivanja kod motorne metode teži od uslova ispitivanja istraživačke metode, za svaki ispitivani benzin motorni oktanski broj MOB je u pravilu niži od istraživačkog oktanskog broja IOB za približno 10 jedinica (vrednosti razlika kreću se između 1 i 12 za današnja motorna goriva). Razlika oktanskih brojeva dobijenih prema istraživačkoj, odnosno motornoj metodi naziva se osetljivost goriva. 8.2.1.3. Putnički oktanski broj goriva Konstrukcija laboratorijskog CFR (ili BASF) ispitnog motora za merenje oktanskog broja bitno je drugačija od konstrukcije i bitnih svojstava svakog automobilskog motora. Da bi se upotpunile spoznaje o otpornosti goriva prema netipičnom sagorevanju u uslovima putničkog prometa, uveden je i tehnološki parametar goriva – putnički oktanski broj POB (engl. Road Octane Number – RdON). Njime se pokušava iskazati otpornost goriva prema detonaciji u uslovima rada automobilskog višecilindarskog motora u realnim eksploatacionim uslovima putnog prometa (uvek se odnosi samo na ispitivani tip automobila, odnosno na njegov motor). Meri se na 119
određenoj vrsti automobilskog motora pri vožnji na putu i važi samo za ispitivani tip automobilskog motora, pa nema svojstvo sveobuhvatne važnosti. Postoje dva postupka za određivanje putničkog oktanskog broja POB: 1. modifikovana Uniontown metoda (Modified Uniontown Procedure) i 2. modifikovana metoda granične linije (Modified Borderline Knock Procedure). Prema prvoj metodi oktanski broj iskazuje se u zavisnosti od ugla predpaljenja, a prema drugoj u zavisnosti od brzine obrtanja motora. Modifikovana Uniontown metoda lakše je sprovodljiva i uopšteno se smatra prihvaćenijom normom za ispitivanje putničkog oktanskog broja. Prema toj metodi automobil se ubrzava sa približno 25 km/h na oko 90 km/h uz najveću moguću dobavu goriva, odnosno uz potpuno otvoren leptirasti ventil (full throttle accelerations). Ispitivanja se obavljaju sa smešama nekoliko referentnih goriva čiji se oktanski brojevi razlikuju za približno tri jedinice. Pritom se ručno menja ugao predpaljenja sve dok se ne pojavi detonacija tokom ubrzavanja automobila. Nakon sprovedenog ispitivanja pravi se dijagram u kom se dobijene vrednosti graničnog ugla predpaljenja pojedinih referentnih smeša nanose na apscisu, a oktanske vrednosti na ordinatu. Na taj način dobija se kriva potrebna za određivanje putničkog oktanskog broja. Zatim se ponovi isti postupak, ali sa gorivom čiji putnički oktanski broj POB treba da se odredi. Pritom se prati ugao predpaljenja pri kom će se pojaviti detonacije u motoru. Vrednost očitanog ugla predpaljenja pri kom dolazi do prve pojave detonacije za ispitivano gorivo i ispitivani tip automobila unosi se u prethodno dobijeni dijagram (za referentno gorivo) i očitani oktanski broj predstavlja vrednost putničkog oktanskog broja POB. 8.2.1.4. AKI (Anti-Knock Index) U nekim zemljama Severne Amerike koristi se AKI (engl. Anti-Knock Index) koji predstavlja prosečnu vrednost istraživačkog oktanskog broja IOB i motornog oktanskog broja MOB. AKI
IOB MOB 2
(Eq. 8.1)
Uveden je 70-ih godina prošlog veka u Kanadi i SAD-u i iskazuje se na njihovim pumpama za snabdevanje gorivom. Predstavlja izvesnu aproksimaciju putničkog oktanskog broja POB.
8.2.2. Cetanski broj goriva Osnovni zahtev za gorivo dizel motora je da se nakon ubrizgavanja mlaza goriva u dovoljno vreli vazduh mora upaliti lako i sa što manjim zakašnjenjem. Dizel gorivo mora biti sklono zapaljenju. Ta se sklonost iskazuje cetanskim brojem. Što je gorivo sklonije zapaljenju, imaće veći cetanski broj. Ispitivanja cetanskog broja obavljaju se na CFR motorima koji se izrađuju u skladu sa normom ASTM D909 (DIN EN 25165) ili na BASF motorima po normiranoj metodi (DIN 51773). Ispitivanje se obavlja tako da se motor podesi na rad sa konstantnim zakašnjenjem paljenja od 20 °KV2 i sa početkom sagorevanja tačno u GMT3. 2
KV – Kolenasto vratilo.
120
Kod CFR motora, Slika 8.10., to se postiže promenom kompresionog odnosa, slično ispitivanju oktanskog broja, sa tim što se kod ovog ispitivanja menja od 7 do 30. Veća sklonost samozapaljenju iskazaće se smanjivanjem kompresionog odnosa. Kod BASF motora promenom prigušivanja usisa, odnosno pritvaranjem ventila, smanjiće se usisana količina vazduha, a time i pritisak i temperatura kompresije u cilindru. Gorivo sklonije zapaljenju, zapaliće se ranije u cilindru BASF motora.
Slika 8.10: CFR motor za ispitivanje cetanskog broja goriva Ispitivanjem istog goriva u oba motora pokazalo se da su rezultati ispitivanja cetanskog broja u motoru BASF u proseku veći za 1,5 od cetanskog broja izmerenog u CFR motoru. Zato se pri poređenju dobijenih rezultata mora napraviti korekcija za taj iznos. Gorivo za dizel motore putničkih vozila mora prema normi DIN EN 590 imati cetanski broj od najmanje 51. U praksi se koriste goriva čije se stvarne vrednosti kreću uglavnom između 52 i 56. Tokom ispitivanja cetanskog broja zakašnjenje paljenja meri se posebnim uređajima za merenje mehaničkih veličina električnim putem. Meri se vreme između trenutaka koji označavaju početak ubrizgavanja dizel goriva i početak njegovog paljenja (početak naglog porasta pritiska). Motor se pušta u rad naizmenično sa referentnim gorivom i sa gorivom koje se ispituje. Kao referentno gorivo služi odabrana smeša dva etalonska goriva. Kao etaloni služe posebna homogena goriva koja nisu podložna promenama sastava i sklonosti zapaljenju: zasićeni cetan C16H34 (heksadekan – parafin) – čiji je cetanski broj CBR = 100, kao gorivo vrlo sklono paljenju i koje obiluje velikim brojem slobodnih atoma vodonika, Slika 8.11.
3
GMT – Gornja mtrva tačka
121
Slika 8.11: Molekul normalnog heksadekana – cetana Nasuprot cetanu, kao gorivo izrazito nesklono paljenju koristi se: prstenasti -metilnaftalen C11H10 (nezasićeni aromat) – čiji je cetanski broj CBR = 0, Slika 8.12.
Slika 8.12: Molekul -metilnaftalena Cetanski broj predstavlja zapreminski procenat cetana u smeši cetana i -metilnaftalena čije se ponašanje u ispitnom motoru najbolje podudara sa ponašanjem ispitivanog dizel goriva. Od 1962. godine referentno gorivo sa cetanskim brojem CBR = 0 (-metilnaftalen C11H10) zamenjeno je izocetanom, Slika 8.13.. Do te promene došlo je zbog cene i hemijske nestabilnosti -metilnaftalena, ali i lošijeg ponašanja u CFR motorima u odnosu na izocetan. Vrednost cetanskog broja izocetana merena u odnosu na dotadašnje etalone iznosi 15 (CBR = 15).
Slika 8.13: Molekul izocetana
122
8.2.3. Odnos oktanskog i cetanskog broja Svako komercijalno motorno gorivo, kao smeša velikog broja različitih ugljovodonika i drugih komponenata, ima neki oktanski IOB i neki cetanski broj CBR. Goriva sa visokim cetanskim brojem imaju nizak oktanski broj i lako detoniraju u oto motoru – i obrnuto. To je u skladu sa zahtevima o samozapaljivosti goriva koji su u dizel motoru (gorivo se mora lako samo upaliti u vrućem vazduhu u cilindru) potpuno suprotni onima u oto motoru (gorivo se ne sme upaliti samo od sebe u vrućem vazduhu, nego treba da se upali električnom varnicom). Sa obzirom da ta dva izuzetno važna parametra stoje u obrnuto proporcionalnom odnosu, iskustvo je pokazalo da se njihov odnos može izračunati približno prema sledećim obrascima: IOB = 120 – 2 · CBR
(Eq. 8.2)
CBR = 60 – 0,5 · IOB
(Eq. 8.3)
8.3. POKRETANJE MOTORA SUS U HLADNIM USLOVIMA Najtežim uslovima za stvaranje smeše goriva i vazduha se smatraju oni koji se nalaze kod nezagrejanog motora i hladnog vazduha – zimi. Za isparavanje goriva u smeši sa vazduhom potrebna je određena toplotna energija, kako je pokazano u Tabeli 8.1. Tabela 8.1: Toplota isparavanja i pad temperature smeše goriva i vazduha usled isparavanja Pad temperature smeše Gorivo Toplota isparavanja, kJ/kg goriva i vazduha n-heksan 364 21,0°C n-heptan 310 18,0°C n-oktan 297 16,2°C n-dekan 251 11,2°C motorni benzen 398 26,0°C etanol 921 82,7°C metanol 1189 140,0°C
8.3.1. Pokretanje oto motora u hladnim uslovima Stvaranje svake smeše vazduha i goriva prati pad njene temperature. Ako se taj pad ne može nadoknaditi tokom dovoda preko karburatora i usisne grane, javljaju se poteškoće u početku rada oto motora. Deo čestica goriva koji je naišao na hladne zidove usisne grane i cilindra se kondenzuje. Time se menja sastav smeše. Ako dođe do osiromašenja ispod donje granice paljenja, izostaje početak rada. Jedna od mogućih pomoći je upotreba spreja koji sadrži lako isparljive sastojke benzina čiji se sadržaj nanosi u ulazni deo prečistača vazduha – neposredno pre prvog pokušaja pokretanja motora. Za hladni start bitno je prvih 10% destilacije nafte. O tome proizvođači i distributeri benzina vode brigu, pa gorivo uglavnom nije “krivo” za poteškoće kod starta u
123
zimskim uslovima. Uzroke treba tražiti pre u trenutno poremećenim zahtevanim eksploatacionim parametrima bitnih komponenata motora:
uređaja za paljenje (razmak elektroda svećice, ispravnost električne instalacije), uređaja za napajanje (podešenost karburatora, dobava goriva), zaptivanje delova klipne grupe, razvodnog mehanizma (podešenost zazora ventila, itd.).
Deo kondenzovanog goriva koje se zadržava na zidovima cilindra može isprati uljni film. Pokretanje motora sa tako nepodmazanim zisovima vitalnih delova, prema nekim obavljenim ispitivanjima, dovodi do trošenja njihovih radnih površina koje odgovara i višesatnom radu motora. Ispiranje uljnog filma kondenzovanim gorivom može kao posledicu imati i određeno razređivanje ulja u karteru motora. Prilikom pokretanja hladnog oto motora sa karburatorom može pomoći pokretanje motora sa kraćim prekidima. Time se osigurava nešto više raspoloživog vremena za isparavanje goriva u usisnoj grani i cilindru motora.
8.3.2. Pokretanje dizel motora u hladnim uslovima Uspešno pokretanje hladnog dizel motora uglavnom zavisi od sklonosti goriva zapaljenju. Ako se pritom realizuje dovoljno visok stepen kompresije usisanog vazduha i odgovarajuće temperature, sklonost goriva zapaljenju kod pokretanja prestaje da bude presudna. Dizel motor, za razliku od oto motora, treba kod starta duže pokretati, jer time dolazi do upornijeg zagrevanja zidova cilindra i celog prostora sagorevanja, pa se prvo paljenje lakše realizuje. Prekidi pri startu nisu preporučljivi, jer omogućuju hlađenje zidova. U slučaju određenog goriva i na nekoj brzini obrtanja pokretanja motora, paljenje nastupa uvek kod određene temperature na kraju takta kompresije, nezavisno od spoljašnje temperature, odnosno od temperature usisanog vazduha. To samo znači da će – zavisno od spoljašnje temperature vazduha – motor trebati duže ili kraće pokretati, dok se dovoljno dugim pokretanjem ne ostvari dovoljno visoka temperatura na kraju kompresije, odnosno dovoljno visoka temperatura vazduha u trenutku ubrizgavanja goriva. Sa obzirom da u zimskim uslovima proizvođači (distributeri) goriva vode brigu o toj činjenici, eventualne poteškoće kod starta mnogo su češće posledica tehničkog stanja konkretnog dizel motora (nepodešen ugao ubrizgavanja goriva, smanjeno zaptivanje klipova u cilindrima, podešenost zazora ventila i slično).
8.4. POVEZANOST RAZVOJA MOTORA SUS I RAZVOJA KVALITETA GORIVA Svojstva goriva i njihovog kvaliteta imali su dominantnu ulogu u razvoju motora SUS. U suštini, motori SUS sa prinudnim paljenjem ili paljenjem sabijanjem smeše goriva i vazduha bili su zamišljeni i konstruisani tako da koriste određenu vrstu goriva. Time je bio definisan i termodinamički ciklus pretvaranja energije, ali i efektivni parametri i ostala radna svojstva pogonskog motora SUS i automobila. Sa druge strane, rafinerije i preduzeća za distribuciju i prodaju goriva našle su u sektoru transporta, industriji, kao i u segmentu primene motora i vozila za vanputne delatnosti široko i vrlo isplativo tržište za prodaju svojih proizvoda – 124
goriva. To je posledično zahtevalo vrlo tesnu, redovnu i efikasnu saradnju između istraživača, laboratorija, ekonomista i drugih subjekata iz obilja industrijskih grana – automobilske i naftne. Veliki broj vrlo različitih činilaca uticao je na tehnički razvoj, proizvodnju, upotrebu i primenu motora SUS i transportnih vozila, a time i na kvalitet motornih goriva. Od svih njih, tri činioca mogu se smatrati najvažnijima, a to su: čovek sa svojim aktivnostima, željama i zahtevima, društvena zajednica i zaštita okoline sa odredbama, normama i zakonskom regulativom, kao i goriva sa neprekidnim usavršavanjem širokog spektra fizičko-hemijskih svojstava i podizanjem kvaliteta prerade, sa mogućnošću korišćenja velikih količina po pristupačnoj ceni pogodnoj za masovno korišćenje prevoza. Na Slici 8.14. prikazan je trend povećanja specifične (litarske) snage motora za lične automobile tokom 20. i početkom 21. veka. To je svakako posledica izuzetnog porasta efektivnog stapena korisnog delovanja, smanjenja mase i uočljivog tehničkog napretka putem drugih karakteristika motora, što potvrđuje poređenje prosečnih vrednosti u Tabeli 8.2. nekih navedenih energetskih parametara motora SUS na početku i kraju 20. veka. kW/L
Specifična (litarska) snaga
Prosečna vrednost snage novih motora
Godina
Slika 8.14: Trend povećanja specifične snage benzinskih motora SUS Tabela 8.2: Poređenje prosečnih vrednosti nekoliko karakteristika benzinskih motora SUS za lična vozila Motori SUS Karakteristika motora početak 20. veka početak 21. veka specifična snaga (kW/l) 2 47 specifična masa (kg/kW) 5 1 stepen korisnosti (%) 20 35 brzina obrtaja (o/min) 700 5500 broj cilindara 1 do 3 1 do 8
Sadašnja konvencionalna motorna goriva pojavljuju se u širokom spektru, bilo kao: 125
benzini, dizel goriva, ili “alternativna” goriva kao:
prirodni (KPG) ili naftni gas (TNG), odnosno metanol, etanol ili razna biogoriva.
Da bi se pravilno ocenili zahtevi koji se postavljaju kao kvalitet goriva koja se koriste u savremenim motorima vozila, ukazuje se na najvažnije karakteristike koje određuju sadašnji i verovatan budući razvoj goriva, ali i automobila:
zakoni, propisi i norme koje se odnose na emisije i ekonomičnost potrošnje goriva, uslovi koji važe na tržištu – naročito troškovi proizvodnje i cena finalnog proizvoda, poboljšanje svih svojstava i karakteristika motora, emisija CO2 uključujući razvoj motora sa ”nultom” emisijom, propisi koji se odnose na isparavanje goriva, emisija buke motornih vozila, problemi povezani sa recikliranjem motornih vozila, odnosno goriva i maziva.
8.5. UVOĐENJE NOVIH GORIVA U EU Za prvi budući nivo dopuštene štetne emisije izduvnih gasova, goriva se u Evropskoj uniji počinju uvoditi čim određeni aktuelni nivo stupi na snagu. Udeo goriva sledećeg nivoa postupno se povećava tako da – u trenutku stupanja na snagu novog nivoa – tržište bude u potpunosti snabdeveno zahtevanim novopropisanim gorivima. To je potrebno zbog toga što proizvođači na tržištu nude vozila budućeg dopuštenog emisionog nivoa izduvnih gasova znatno pre nego što to postane obvezujuće kako bi se ispitala pouzdanost novih tehničkih rešenja. Države Evropske unije u tom periodu prodaju novih vozila (koja su nežnija prema okolini) stimuliraju različitim fiskalnim olakšicama vlasnicima. Olakšice se dobijaju ili pri kupovini ili pri registraciji novog automobila. Princip uvođenja novih goriva u Evropskoj uniji grafički je prikazan na Slici 8.15. 150 mg/kg Benzin 350 mg/kg Dizel
50 mg/kg Benzin Dizel 2000
Propis:
10 mg/kg Benzin Dizel 2005
Vozila Euro 3
2009
Vozila Euro 4
Slika 8.15: Prikaz istovremenog uvođenja uz trenutno propisano gorivo i goriva sledećeg emisionog nivoa izduvnih gasova
126
127
IX Postupanje sa gorivima Svetlost, toplota i kiseonik utiču na određene promene svih proizvoda iz nafte tokom vremena. Pod njihovim delovanjem pospešuju se promene koje se popularno zajednički nazivaju procesom “starenja goriva”. Ako se duže vreme – više dana ili nedelja – izlažu svetlosti, na svim derivatima nafte moguće je uočiti početak procesa starenja: poprimaju žutu boju ili im se već postojeća žuta boja intenzifikuje – dobija tamniji ton. Na težim frakcijama i tamnijim produktima promene u boji teže se uočavaju. Neuporedivo važniji uticaj od svetla je uticaj kiseonika. Benzinu i petroleju se pod uticajem kiseonika ne menja samo boja, već i hemijski sastav, a onda i niz fizičkih i hemijskih svojstava, pa i očekivani kvalitet. Navedeni procesi intenzivnije se odvijaju na višim temperaturama, odnosno ako se sve to događa u toplijem okruženju, odnosno sredini.
9.1. USKLADIŠTENJE Goriva za oto motore mogu kod uskladištenja pretrpeti veće promene, što može dovesti do neželjenih efekata. Posebno može doći do smanjenja oktanskog broja i do većeg izlučivanja smola. Produkti oksidacije – smole – mogu biti uzrok formiranja različitog taloga u motorima. To može nepovoljno uticati na rad motora i emisiju izduvnih gasova. Naročito su na formiranje taloga osetljivi savremeni motori SUS u kojima posebni elektronski uređaji (tzv. motor management) upravljaju celokupnim radom motora. Zbog efikasnog upravljanja odnosom goriva i vazduha savremeni motori SUS imaju bitno manju štetnu emisiju izduvnih gasova. Količina smole određuje se nakon što je uzorak goriva bio određeno vreme pod pritiskom izložen delovanju kiseonika pri konstantnoj temperaturi. Dopuštene količine normiraju se, a definisane granice podložne su periodičnim promenama (koje redovno donose zajednički svi zainteresovani – proizvođači automobila, proizvođači i distributeri goriva kao i stručni ljudi određenih državnih institucija). U ekstremnim slučajevima nerastvorljive smole mogu se nataložiti u obliku mulja na dno rezervoara goriva. Goriva koja su pretrpela mnoge oksidacione procese, tzv. kisela goriva, sadrže razne nepoželjne materije koje mogu agresivno delovati na pojedine delove i njihove materijale u uređaju za napajanje gorivom. U drastičnim slučajevima može doći i do takvih oštećenja osetljivijih delova da je moguća i pojava curenja goriva – sa svim opasnostima koje se mogu pritom pojaviti. Stabilnost goriva zavisi najviše od vrste ugljovodonika od kojih se konkretno gorivo sastoji. Promene će biti izraženije kod goriva koja sadrže više nezasićenih jedinjenja (olefine), kao na primer kada se dužem čuvanju izlože benzini dobijeni krekovanjem. Poznato je da su olefinska jedinjenja osetljivija na oksidaciju od aromata i parafina, jer su sklonija formiranju visokomolekulskih smola koje štetno utiču na sastav goriva. Navedeni procesi su znatno izraženiji u sredinama sa višom temperaturom okoline. Postojanje sumpornih, azotovih i kiseonikovih jedinjenja takođe doprinosi intenzivnijoj oksidaciji goriva. Pojedini metali, a naročito bakar, mogu katalitički pospešivati oksidacione
128
procese. Navedeni neželjeni procesi mogu se usporiti, pa i potpuno sprečiti primenom odgovarajućih aditiva. Kod dizel goriva promene izazvane starenjem su bez praktične važnosti.
9.2. OTPORNOST GORIVA NA NISKE TEMPERATURE 9.2.1. Goriva za oto motore Benzini, kao i alkoholi, su potpuno neosetljivi na veće hlađenje usled niskih spoljašnjih temperatura naših prostora. Ako ta goriva sadrže u sebi rastvorenu vodu mogu nastupiti smetnje kod niskih spoljašnjih temperatura – otežavanje protoka u dovodnim cevovodima. Sa obzirom na to da benzin rastvara vodu samo u tragovima, to ne stvara česte praktične probleme. Alkoholi, kao i smeše alkohola i benzina, rastvaraju vodu u znatno većim razmerama. Kod većih koncentracija nastaje zamućenje i vrlo su mogući problemi kod nižih temperatura. Motorni benzen kod -15°C stvara kristale koji se tope tek na +4°C. Budući da se motorni benzen koristi samo pomešan sa benzinom, navedeni nedostatak nema praktičnog značaja. Rastvorljivost vode u benzenu približno je 10 puta veća od benzina, pa ta činjenica upućuje na određeni oprez radi sprečavanja mogućih poteškoća.
9.2.2. Goriva za dizel motore Kako bi se osiguralo neprekidno i ujednačeno napajanje dizel motora gorivom, naročito zimi pri niskim temperaturama, dva bitna i najčešće korišćena parametra su:
temperatura zamućenja (engl. cloud point) i temperatura stinjavanja (engl. pour point)
i trebaju da budu što je moguće niži. Temperatura zamućenja definisana je, u skladu sa normom ASTM D2500, kao najviša temperatura pri kojoj dolazi do zamućenja goriva zbog izdvajanja kristala parafina i vode. Daljim sniženjem temperature dolazi do formiranja kristalne mreže parafina zbog čega gorivo gubi fluidnost. Najniža temperatura pri kojoj je još uočeno kretanje uzorka goriva u normiranoj epruveti pod uglom od 45 º naziva se temperaturom stinjavanja ili stiništem. Temperatura zamućenja i stinište zavise od strukture molekula goriva, to jest od hemijskog sastava. Razlika između temperature zamućenja i stinjavanja za dizel goriva se kreće između 2°C i 20°C. Dizel goriva mogu postati vrlo viskozna na nižim temperaturama. Pritom dolazi i do značajnog povećavanja svih otpora strujanju i kroz cevovode i sve prečistače, pa dolazi i do bitnog povećanja potrebne snage za pogon svih crpki koje osiguravaju protok goriva u celom uređaju za napajanje. Zato se “dobrim” dizel gorivom smatra ono koje ima male promene u viskoznosti i visoku moć filtracije pri niskim temperaturama. Parafini normalne strukture (n-parafini) imaju relativno visoke temperature stinjavanja, a sa porastom molekulske mase, temperatura stinjavanja raste. Izoparafini iste molekulske mase u odnosu na parafine normalne strukture imaju niže temperature stinjavanja. Olefini imaju 129
niže temperatura stinjavanja od normalnih parafina sa istim brojem ugljenikovih atoma, a nafteni i aromati imaju niže temperature stinjavanja od parafinskih ugljovodonika.
9.2.3. Poboljšanje niskotemperaturnih svojstava dizel goriva Poteškoće pri niskim temperaturama zavise od termodinamičkih, fizičko-hemijskih i konstrukcionih uslova rada konkretnog dizel motora. Kod niskih temperatura spoljašnjeg vazduha temperatura pri kraju takta kompresije u trenutku ubrizgavanja goriva može biti ispod temperature njegovog samozapaljenja. Tome može vrlo bitno pridoneti i eventualno postojanje lakoisparljivih komponenata koje prilikom ubrizgavanja isparavaju, na to troše unutrašnju energiju komprimovanog vazduha i tako mu dodatno snižavaju temperaturu pri kraju takta kompresije. Teškoće u napajanju gorivom uzrokuje i delimična kristalizacija goriva na kritičnim mestima uređaja za napajanje i kod samo 3% kristalisanog goriva. Stinjavanje, odnosno kristalizacija goriva u rezervoaru događa se kod znatno niže temperature od tačke zamućenja. Opasnost začepljenja na kritičnim mestima uređaja za napajanje gorivom utoliko je veća što je više takvih kritičnih mesta: prečistača goriva i drugih suženih mesta koja su izložena neposrednijem uticaju spoljašnje niske temperature. Većinu navedenih problema moguće je rešiti na dva načina: poboljšavanjem svojstava goriva na niskim temperaturama, ili ugradnjom uređaja za zagrevanje goriva. Poboljšanje niskotemperaturnih svojstava dizel goriva može se ostvariti: proizvodnjom goriva sa manje parafinskih komponenata, ekstrakcijom parafina iz goriva, dodavanjem lakših frakcija u dizel gorivo (teški benzin ili motorni petrolej – dodavanje se obavlja samo u malim količinama, do 30%, za početak rada motora, do prvih pola sata, a nikada u rezervoar ili skladište – čime bi se mogla narušiti druga, za normalan rad dizel motora, bitna svojstva), dodavanjem aditiva za pospešivanje fluidnosti (”Flow improver” omogućuje rad i kod vrlo niskih temperatura, a da se ostala bitna svojstva goriva ne narušavaju. Aditivi su najčešće polimeri koji sprečavaju stvaranje većih kristala parafina menjajući im oblik, veličinu i stepen aglomeracije.) Najpopularniji način rešavanja problema rada u uslovima niskih spoljašnjih temperatura je ugradnja opreme za zagrevanje uređaja za napajanje gorivom. Savremeni uređaji sastoje se od nekoliko sigurnih i pouzdanih električnih grejača goriva u rezervoaru i nekoliko drugih kritičnih mesta poput prečistača goriva.
130
X Maziva Maziva su materije, uglavnom ulja i masti, ali i svako drugo sredstvo koja se (slučajno ili namerno) nalaze između površina koje se dodiruju i u međusobnom su relativnom kretanju tako da imaju za posledicu smanjivanje trenja delova u dodiru. Osim sredstava za podmazivanje, mazivima se ponekad naziva i niz po hemijskom sastavu srodnih proizvoda:
sredstva za prenos snage, sredstva za prenos toplote, izolaciona i dielektrična ulja, rashladne tečnosti itd.
Već u davnim vremenima ljudi su spoznali da se korišćenjem životinjskih masti može smanjiti trenje i trošenje dve površine koje su u međusobnom dodiru i pomaku, Slika 10.1. Shvatili su (na primer) da se podmazivanjem životinjskim mastima njihova kola lakše kreću, da se ne greju i da osovine i delovi točkova duže traju. To je bio početak podmazivanja.
Slika 10.1: Podmazivač sanki pri transportu velike statue u starom Egiptu, oko 2400. godine pre naše ere Kasnije, industrijskom revolucijom, životinjske masti su se sve više koristile za podmazivanje, bez obzira na njihov miris – često i vrlo neprijatan. Prvi inženjeri su na razne načine pokušavali da reše problem podmazivanja pokretnih delova mašina i tada je zapravo počelo inženjerstvo podmazivanja, u međunarodnim stručnim krugovima prihvaćeno pod nazivom lubrication engineering. Stručnjaci na području podmazivanja došli su do brojnih praktičnih saznanja o smanjenju trošenja i uštedi energije za pokretanje pojedinih sklopova, a naučnici istraživači su pokušali da daju naučne i egzaktne odgovore na pitanja kako unaprediti podmazivanje u širem smislu tog područja. Dostupna saznanja istraživača stručnjaci za podmazivanje pokušavaju što pre i kompletno da primene u svakodnevnoj praksi. Ukratko, istorijat primene maziva moguće je prikazati u sledećim crtama: Egipćani su (oko 1400. god. pre naše ere) za podmazivanje osovina kola koristili kao mazivo smešu maslinovog ulja i kreča. 131
Do druge polovine 19. veka za podmazivanje se koristilo maslinovo, repičino i kitovo ulje, kao i loj i svinjska mast. U drugoj polovini 19. veka. započinje primena prvih masti za podmazivanje dobijenih od mineralnih ulja zgušnjavanjem kalcijumovim, kalijumovim i natrijumovim sapunima. Sa razvojem prerade nafte, razvijala se i proizvodnja i primena mineralnih ulja za podmazivanje. U poređenju sa trigliceridnim mastima i uljima, mineralna ulja pokazala su se kao manje sklona kvarenju, tako da su ih postupno istiskivala iz primene. Razvoju mineralnih maziva najviše je pridonosio razvoj aditiva – dodataka mineralnim uljima koji poboljšavaju postojeća maziva svojstva ili se njihovim dodavanjem dobijaju nova svojstva koja su potrebna za podmazivanje. Intenzivan razvoj maziva uz dodavanje raznih aditiva započeo je dvadesetih godina prošlog veka. U drugoj polovini 20. veka dolazi do razvoja sintetičkih maziva. Prvenstveno zbog ekonomskih i tehnoloških razloga, počela su stručna i naučna istraživanja trošenja i podmazivanja u širem smislu tih reči. Počelo se sa istraživanjem metalnih površina koje dolaze u međusoban kontakt i uticaj obrade tih površina na smanjenje trenja i trošenja. Istraživanja su proširena i na plastične deformacije i zamor materijala. Konačno se došlo i do razumevanja i istraživanja elastohidrodinamičkog pojma podmazivanja.
9.1. TRIBOLOGIJA U prvim godinama primene tehnike podmazivanja stručnjaci su, po pravilu, svoja saznanja crpeli iz vlastitih i tuđih iskustava u radu. Danas se problematikom podmazivanja bave visokoobrazovani fizičari, matematičari, mašinski, hemijski, tehnološki i mnogi drugi stručnjaci i naučnici. U njih spadaju i komercijalisti koji u kontaktima sa potrošacima prvi dolaze do važnih podataka o problemima sa kojima se susreću u primeni i korišćenju mazivih ulja i masti. Sve ovi stručnjaci se bave tribologijom i proučavaju tribološke probleme. Reč tribologija potiče od grčke reči tribos (grč. tribos) što znači trenje ili trošenje. “Tribologija je nauka i tehnika o površinama u dodiru i relativnom kretenju i o pratećim aktivnostima.” Ovo je prevod službene definicije prvi put objavljene 1966. godine u izveštaju radne grupe ministarstva prosvete i nauke Ujedinjenog Kraljevstva koju je vodio P. Jost. Jednostavnije bi se moglo reći da je tribologija naučno-stručna disciplina koja se bavi problemima trenja i trošenja. Već danas, a u doglednoj budućnosti svakako još i više, tribologijom će se baviti informatičari, metalurzi, stručnjaci koji se bave nanotehnologijama, monomolekulskim slojevima u proučavanju temeljnog mehanizma graničnih podmazivanja kao i mnogi drugi. Prema navedenom, tribologija je kompleksan pojam koji obuhvata veliki broj područja i istraživačkih interesa koji, po pravilu, imaju vrlo veliki uticaj na nacionalne ekonomije i razvoj čovečanstva. Glavna područja primene tribologije su:
132
mehaničke konstrukcije u kojima se ne može zanemariti delovanje trenja (zupčanici, ležajevi, klizni elementi), materijali (novi materijali, keramika, polimeri, metali, inženjerstvo površina), obrada materijala (sredstva za hlađenje i podmazivanje, alatni materijali, lako obradivi materijali) i podmazivanje (ulja, masti, komponente mazivih materija). Tribološke mere, odnosno postupci i metode koje imaju za cilj postizanje prihvatljivih vrednosti trenja i trošenja u realnim tribosistemima mogu se podeliti na: I Izbor materijala triboelemenata Od odlučujuće je važnosti za ispravno funkcioniranje tribosistema. Za pravilan izbor potrebno je odrediti koji je preovladavajući mehanizam trošenja (abrazija, adhezija, zamor površine ili tribokorozija). Sam izbor materijala sprovodi se na osnovu laboratorijskih i eksploatacionih ispitivanja. II Zaštita površina od trošenja Pod zaštitom površina od trošenja podrazumeva se primena nekog od postupaka oplemenjivanja površina. Posebna naučno-stručna disciplina koja se bavi tim postupcima naziva se inženjerstvo površina (”surface engineering”). Osnova pojma inženjerstvo površina je u tome da se osnovni materijal (supstrat), prethodno odgovarajuće pripremljen (i možda već očvrsnut na površini odgovarajućim postupkom), naknadno obrađuje jednom od površinskih tehnologija, tako da nastaje kombinacija svojstava površinskog sloja i osnovnog materijala kakva se ne može postići upotrebom bilo kojeg jednorodnog materijala. Tako nastaju površinski modifikovani kompozitni materijali. III Uhodavanje To je početna faza rada uređaja u kojoj se dodirne površine međusobno prilagođavaju. Najčešće se potpomaže prilagođenim uslovima rada kao i oplemenjivanjem površina. IV Podmazivanje Podmazivanje se definiše kao postupak kojim se smanjuje trenje i trošenje ili drugi oblici razaranja materijala primenom različitih vrsta maziva. Svrha podmazivanja je da se dodirne površine razdvoje slojem maziva koje se može smicati sa manjim otporom bez izazivanja oštećenja površine. U industrijskoj i drugoj primeni sve više raste potreba za smanjenjem trenja i trošenja iz nekoliko razloga:
produžetak veka trajanja radnih sistema, povećanje efikasnosti radnih sistema, smanjenje troškova održavanja, smanjenje troškova zastoja, poboljšanje pouzdanosti, povećanje sigurnosti, očuvanje izvora materijala, očuvanje energije i smanjenje otpada.
133
Postoji deo tribologije koji se bavi njenim istorijskim aspektom i naziva se arheotribologijom. Njen zadatak je istraživanje triboloških svojstava arheoloških artefakata, uključujući prevlake, klizne površine itd., kao i istraživanje drevnih tehnologija korišćenih za njihovo dobijanje.
10.2. POVRŠINE I NJIHOV DODIR Površine čvrstih materijala koji se koriste za izradu različitih elemenata mašina u geometrijskom smislu redovno su manje ili više neravne ili hrapave. Površinska hrapavost definiše se kao sveukupnost mikrogeometrijskih nepravilnosti na površini predmeta koje su mnogo puta manje od površine celog predmeta, a prouzrokovane su postupkom obrade ili nekim drugim uticajima. Razlikuju se sledeće osnovne vrste odstupanja površine: Makroneravnine su odstupanja od projektovane geometrije i dimenzija proizvoda: o neparalelnost površina, Slika 10.2. o talasasost, Slika 10.3.
Slika 10.2: Makroneravnina površine – neparalelnost
Slika 10.3: Makroneravnina površine – talasasost Mikroneravnine su posledica obradnih procesa: o izbrazdanost, Slika 10.4. o hrapavost, Slika 10.5.
Slika 10.4: Mikroneravnina površine – izbrazdanost
Slika 10.5: Mikroneravnina površine – hrapavost 134
Nanoneravnine geometrijske granice nepravilnosti kristalne strukture.
kristalne
ili
molekularne
strukture,
Sva navedena odstupanja površine zajedno daju rezultantnu površinu, prikazano na Slici 10.6., koja se bitno razlikuje od idealno ravne površine.
Slika 10.6: Rezultantna realna površina
10.2.1. Struktura površine u statičkim i dinamičkim uslovima Osim spoljašnjih, geometrijskih obeležja površine, treba voditi računa i o tome da je struktura površine po dubini slojevita, kako je šematski prikazano na Slici 10.7. Sloj prljavštine Sloj adsorbovanih gasova
Spoljašnji površinski slojevi
Sloj oksida
Unutrašnji površinski slojevi
Plastično deformisani sloj
Osnovni metal
Slika 10.7: Šematski prikaz struktura površine po dubini Čiste površine čvrstih materija, naročito metala, zbog postojanja površinskih molekulskih sila sklone su adsorpciji atoma i molekula iz neposredne okoline. Zbog toga se u kontaktu sa vazduhom prekrivaju slojem adsorbovane vode (atmosferska vlaga) i gasovima. Ti su slojevi vrlo tanki, najčešće monomolekulski, ali su vrlo zaslužni za formiranje oksidnih slojeva. U Zemljinoj atmosferi sve se slobodne površine većine materijala, a naročito metala (sa izuzetkom plemenitih – Au, Pt), vrlo brzo prekrivaju manje ili više tankim slojem oksida koji nastaje pod uticajem kiseonika iz vazduha. Uz to, na površinama dolazi do adsorpcije gasova i vlage iz atmosfere. Prisutnost oksidnog sloja na frikcionim površinama sa tribološkog aspekta je povoljna pojava jer višestruko smanjuje intenzitet trenja čistih površina (prema raznim podacima 5 do 200 puta) i omogućuje formiranje odgovarajućih mazivih slojeva vezanih za površinu. Debljina oksidovanog sloja zavisi od vrste materijala, temperature, vremena izloženosti i poroznosti formiranog sloja.
135
Porozniji slojevi omogućuju prolazak kiseonika u dubinu materijala. Slojevi oksida metala na površini imaju različitu strukturu i tvrdoću, a retko su homogeni. Oni mestimično pucaju pa sadrže pukotine i pore preko kojih oksidacija još dublje napreduje. Pukotine u sloju oksida nastaju naročito u slučaju kada je oksid metala znatno tvrđi od metalne osnove. Važan kontaminant koji učestvuje u formiranju završnog sloja na površinama metala je tzv. ”masni sloj”, adsorbovan iz atmosfere, potekao iz procesa obrade (ulje za hlađenje i podmazivanje alata, sredstva za zaštitu od korozije) ili nastao u kontaktu sa prstima. Međutim, pri trenju čvrstih tela mogu nastati na dodirnim površinama znatne strukturne promene, a zbog povećanih temperatura i različite hemijske reakcije, što bitno utiče na promenu triboloških svojstava površine. Pod uticajem normalnih, a naročito tangencijalnih sila vezanih za relativno kretanje površina, nastaju deformacije koje nisu ograničene samo na područje stvarnog kontakta, već često zadiru do znatne dubine u samu strukturu materijala. Na taj način dolazi do koncentracije slobodnih i dislociranih atoma materijala što pogoduje procesu difuzije. Dakle, pri trenju dolazi do kontinualnog razaranja i formiranja novih slojeva koji onda pod uticajem kiseonika iz vazduha oksiduju.
10.2.2. Trenje Trenje je otpor, to jest sila koja se suprotstavlja međusobnom kretanju ili pokušaju kretanja dva tela čije se površine dodiruju. Deluje paralelno sa dodirnim površinama, a smer joj je suprotan smeru relativnog kretanja. Postoji još više ili manje jednostavnih definicija trenja: Trenje je sila koja deluje tangencijalno na granicu između dva tela kada se pod delovanjem spoljašnje sile jedno telo kreće ili ima tendenciju relativnog kretanja u odnosu na površinu drugog tela. Trenje je sila otpora koje kretanje tela pruža površina po kojoj se telo kreće ili sredstvo kroz koje se kreće. Trenje je otpor kretanju jednog tela prema drugom. U većini slučajeva, u mnogobrojnim i različitim pokretnim elementima mašina, uređaja i postrojenja, trenje je nepoželjna i štetna pojava. Na savladavanje sile trenja kao otpora kretanju bilo koje vrste troši se znatna količina mehaničke energije. Kao posledica trenja na površinama u kontaktu dolazi do trošenja i zagrevanja površina materijala. Utrošena mehanička energija prelazi u nepoželjnu i “izgubljenu” toplotnu energiju. Prema nekim procenama, danas se čitavih 10% potrošnje nafte koristi za savladavanje nepoželjnog trenja.
10.2.3. Vrste trenja Prema agregatnom stanju tela u kontaktu razlikuju se sledeće vrste trenja: trenje između čvrstih površina (često se naziva spoljašnje trenje) i trenje između delova fluida ili između čvrstog tela i fluida (tečno trenje, viskozitet, unutrašnje trenje). Spoljašnje trenje se prema podmazivanju može podeliti na: suvo trenje i 136
trenje uz podmazivanje. Pri suvom trenju glavni uzročnik trenja među površinama u kontaktu je njihova hrapavost koja uvek postoji, a zavisi od njihove obrade. U zavisnosti od prirode kontakta površina u dodiru (nepokretne -1- i pokretne -2-) mogu se razlikovati četiri različita tipa koja su na Slici 10.8. prikazana različitim područjima.
Slika 10.8: Hrapavosti kliznih površina A. Područja otiranja su područja sa višim grebenima o koja se slojevi otiru. U tom se području javljaju elastične i plastične deformacije kao posledica velikih naprezanja zbog vrlo malih dodirnih površina grebena. Nastala sila otpora kretanju u tom području je jednaka zbiru otpora elastičnoj ΣF1 i plastičnoj deformaciju ΣF2. B. Područja brazdanja su područja gde grebeni tvrđeg materijala brazdaju površinu mekšeg materijala. Nastala sila otpora kretanju u tom području je jednaka otporu brazdanja ΣF3. C. Područja adhezionog spajanja uspostavljaju se u frikcionim kontaktima kod kojih je došlo do adhezionog spajanja – hladnog ili toplog – u zavisnosti od nivoa “utrošene” energije. Ako se pritom lokalna temperatura toliko podigne, može doći do topljenja površine i međusobnog lokalnog zavarivanja. Nastavkom kretanja cele površine dolazi do otkidanja spojenih čestica. Nastala sila otpora kretanju u tom području je jednaka otporu kidanja privremeno nastalih adhezionih veza ΣF4. D. Beskontaktna područja su područja u kojima frikcione površine nisu u kontaktu. U tom području nema sila otpora kretanju, ΣFt = 0. Sila trenja klizanja sastoji se od zbira navedenih komponenata koje su i same zbir pojedinačnih komponenata koje deluju na svakom dodiru mikroizbočina: Ft = ΣF1 + ΣF2 + ΣF3 + ΣF4,
(Eq. 10.1)
ΣF1 – otpor elastičnoj deformaciji, ΣF2 – otpor plastičnoj deformaciji, ΣF3 – otpor brazdanju i ΣF4 – otpor kidanju adhezionih veza. Sa obzirom na relativnu brzinu kretanja kontaktnih površina razlikuje se:
137
trenje mirovanja (statičko trenje, trenje pokretanja) – pritom se realizuje najveća sila trenja koja telo zadržava u stanju mirovanja, trenje kretanja (kinetičko, dinamičko trenje) – pritom se realizujr sila koju je potrebno savladati da bi se održalo stanje relativnog kretanja. U pokušaju pomicanja nekog tela, ako je vučna sila F nedovoljno velika za to, telo će mirovati, Slika 10.9. To znači da osim vučne sile F na telo deluje neka druga sila koja je uravnotežuje – sila trenja Ftr. Dok telo miruje, sila trenja jednaka je po iznosu vučnoj sili F.
F Ftr Fn G
– – – –
vučna sila sila trenja normalna sila težina tela
Slika 10.9: Sila trenja Ako se vučna sila F povećava, u jednom trenutku dostignuće vrednost maksimalne sile trenja i premašiti je pa će predmet početi da ubrzava u smeru vučne sile F. Najveća sila trenja koja prisiljava telo da još miruje je sila statičkog trenja. Kad vučna sila F nadmaši silu statičkog trenja, telo počinje kretanje, a sila koju je potrebno savladati da bi se održalo stanje relativnog kretanja zove se sila kinetičkog trenja. Trenje tokom kretanja često je manje od trenja na samom polasku, kao što se vidi na Slici 10.10.
Ftr – Fn – Ftr, gr – Fgr – μs – μk –
sila trenja normalna sila granična sila trenja granična vučna sila statički faktor trenja kinetički faktor trenja
Slika 10.10: Zavisnost sile trenja od vučne sile Prve osnove trenja dao je Ch. A. Coulomb (1736 –1806) još 1781. godine. Pritom je definisano, uz neke kasnije savremene dorade, da za čvrsta tela važi sledeće: 1. 2. 3.
sila trenja nezavisna je od veličine površine kontakta čvrstih tela, sila trenja proporcionalna je normalnoj sili između površina i kinetičko trenje gotovo je nazavisno od klizne brzine. 138
Faktor proporcionalnosti koji povezuje silu trenja i normalnu silu zove se faktor trenja. Često se koristi i naziv faktor trenja, a ponekad i pogrešno samo trenje (izraz trenje podrazumeva isključivo silu). Faktor trenja je, dakle, bezdimenzioni odnos sile trenja između dva tela i normalne sile kojom tela pritiskaju jedno drugo.
Ftr Fn
(Eq. 10.2)
Savremena istraživanja pokazala su da na trenje, osim normalnog opterećenja, bitno utiču i:
hemijski sastav materijala, stanje obrade površina oba tela, sastav okoline brzina relativnog kretanja, način kretanja (pravolinijsko, krivudavo, napred-nazad), vrste kontakta (površinski, koncentrisani), temperature dodira, prethodno klizanje po toj površini itd.
U Tabeli 10.1. prikazani su neki faktori trenja delova čije su kontaktne površine od različitih materijala za slučajeve kliznih spojeva (u mirovanju i kretanju) te kontakta pri kotrljanju. Tabela 10.1: Faktori trenja mirovanja, klizanja i kotrljanja neki čestih parova faktor trenja faktor otpora dodirne površine faktor trenja klizanja mirovanja kotrljanja drvo po drvetu 0,5 0,3 0,05 čelik po čeliku 0,7 0,5 0,003 guma na suvom 0,8 0,6 0,01 asfaltu guma na mokrom 0,3 0,2 0,05 asfaltu guma na ledu 0,02 0,01 čelik na ledu 0,03 0,01 -
Često se pogrešno misli da se vrednost faktora trenja kreće između 0 i 1. Međutim, za automobilske gume koje se koriste u takmičarskim trkama za F-1, zbog primene posebnih materijala (koji se, istina, veoma brzo troše) koji imaju komponente sa izrazitim adhezionim svojstvima – poput lepka, izmerene su vrednosti i iznad 1,3. Takođe je poznato da se u laboratorijskim uslovima u slučaju površina od nekih potpuno čistih metala u vakuumu mogu ostvariti i vrednosti koeficijenata trenja koje su veće i od 5.
10.3. PODMAZIVANJE Podmazivanje je postupak kojim se smanjuje trenje i trošenje materijala primenom različitih vrsta maziva. Svrha podmazivanja je da se sparenim površinama u dodiru spreči direktan kontakt tako da se razdvoje slojem maziva koje se može smicati sa manjim otporom bez 139
izazivanja oštećenja površina i time smanjiti njihovo trošenje. Elementi mašina koje je tokom rada često potrebno podmazivati su:
klizni i kotrljajni ležajevi, zupčanici, klizne staze, vođice, lanci, žičana užad, pomične spojnice i svi drugi elementi kod kojih dolazi do relativnog kretanja.
Ti elementi uključuju oblikovane ili ugrađene površine koje se međusobno kreću klizanjem, kotrljanjem, primicanjem ili odmicanjem kao i kombinacijama pomenutih kretanja. Ukoliko pri međusobnom kretanju površina dođe do njihovog direktnog kontakta, može, zavisno od uslova kontakta, njihovog međusobnog naprezanja ili brzine relativnog kretanja, doći do velikih otpora trenja koji vode razvijanju povišenih temperatura i povećanog trošenja. Bez podmazivanja većina mašinskih elemenata radila bi samo kratko vreme. Najizloženiji su visokoopterećeni delovi i oni sa visokim relativnim brzinama klizanja. Jedan takav primer nesklada opterećenja i podmazivanja, sa posledicom “dramatičnog” oštećenja klipa motora SUS, prikazan je na Slici 10.11.
Slika 10.11: Fotografija oštećenog klipa motora SUS zbog nekvalitetnog podmazivanja Ne postoje idealno glatke površine, već se svaka površina sastoji od velikog broja ispupčenja i udubljenja različitih veličina. Poznato je da su i kod najbolje obrade dodirne površine male, svega 30 do 60%. Povećano trošenje koje već nakon razmerno kratkog vremena nastupa usled nikakvog ili neodgovarajućeg podmazivanja onemogućava duži rad mašine koja će morati da bude zaustavljena i popravljena.
Slika 10.12: Prikaz kontakta bez podmazivanja – suvo trenje 140
Troškovi popravke mašine uz utrošak materijala, delove i potreban rad mogu biti veliki, ali gubici nastali prekidom proizvodnje, pa čak i uticajem na ostale delove proizvodnog lanca, vrlo su često višestruko veći. Uz neodgovarajuće podmazivanje, čak i pre nego što dođe do istrošenja i propadanja pojedinih mašinskih delova, sile trenja mogu između kliznih površina biti tako velike da dolazi do prevelikih gubitaka energije, preteranog zagrevanja delova i preopterećenja pogonskih motora. Usled neodgovarajućeg podmazivanja, rad mašina može postati neravnomeran i bučan.
10.4. VRSTE TRENJA I PODMAZIVANJA Mašinski delovi se podmazuju stvaranjem i održavanjem mazivih slojeva različitim postupcima koji smanjuju ili onemogućavaju direktan međusobni kontakt kliznih površina. Unutrašnje trenje, odnosno napon smicanja mazivih slojeva mora biti što manje kako bi i sile potrebne za pokretanje i rad mašine bile što manje. Sa stanovišta podmazivanja, teži se punim tečnim mazivim slojevima koji osiguravaju potpuno odvajanje opterećenih površina. Trenje je na taj način najmanje, a svodi se samo na savladavanje napona smicanja u sloju tečnog maziva, a većih adhezionih trošenja praktično nema budući da ne dolazi do direktnog međusobnog kontakta opterećenih površina. Razlikuju se sledeći režimi podmazivanja: granično podmazivanje, mešovito podmazivanje, podmazivanje potpunim slojem maziva. Granično podmazivanje je režim podmazivanja koji nastaje između dve čvrste površine između kojih se ne stvara dovoljno debeo mazivi sloj, Slika 10.13. Javlja se kod velikih opterećenja kada debljina filma maziva pada na veličinu dužine lanca molekula. Može nastati kod fino obrađene površine, male debljine uljnog filma, velikih pritisaka i nedovoljno ulja. Opterećenje se prenosi gotovo isključivo preko izbočina, pa i na veličinu faktora trenja odlučujući uticaj ima međudelovanje izbočina, a znatno je manji uticaj reološka svojstva maziva.
Slika 10.13: Prikaz kontakta sa graničnim podmazivanjem – trenjem Mešovito podmazivanje je prelazni oblik od graničnog podmazivanja prema podmazivanju potpunim slojem maziva, Slika 10.14. Događa se uz uslove podmazivanja kod kojih je sloj maziva mestimično razoren. Na tim mestima je prisutan dodir neravnina površina u 141
kontaktu. Kod nedovoljno ulja, slabog dovoda maziva na pojedine delove ležaja ili ulja neodgovarajućeg viskoziteta može se dogoditi da deo neravnina ostaje nepokriven. Debljina filma maziva približno je jednaka lokalnoj hrapavosti Ra. Budući da se opterećenje u režimu mešovitog podmazivanja prenosi delimično preko filma maziva, a delom preko izbočina u dodiru, faktor trenja posledica je i unutrašnjeg trenja u mazivu, ali i međudelovanja izbočina u dodiru.
Slika 10.14: Prikaz kontakta sa mešovitim podmazivanjem – trenjem Podmazivanje potpunim slojem maziva javlja se kad su površine koje se podmazuju potpuno razdvojene kontinualnim slojem maziva, Slika 10.15. Debljina sloja maziva bitno je veća od lokalne hrapavosti Ra. Tribološko ponašanje sistema određeno je reologijom maziva i može se proračunati ili proceniti primenom mehanike fluida. Aktuelni faktor trenja posledica je isključivo unutrašnjeg trenja u mazivu. To je slučaj kojem se teži u praksi.
Uljni film Ulje Slika 10.15: Prikaz kontakta sa podmazivanjem potpunim slojem maziva Razlikuju se sledeći režimi podmazivanja potpunim slojem maziva: hidrodinamičko podmazivanje, elastohidrodinamičko podmazivanje i hidrostatičko podmazivanje. Elementi mehaničkih sistema kod kojih se ostvaruje hidrodinamičko podmazivanje odlikuju se sledećim tribološkim karakteristikama: površine koje se podmazuju razdvojene su kontinualnim slojem maziva dovoljne debljine tako da ne dolazi do njihovog dodira, osim pri pokretanju i zaustavljanju, opterećenje se prenosi sa jedne na drugu površinu preko sloja maziva koji poseduje određenu moć nošenja nastalu kao rezultat relativnog kretanja površina, otpor usled trenja u sistemu je određen veličinom unutrašnjeg trenja u mazivu. Za hidrodinamičko podmazivanje karakteristično je i to da su površine u dodiru konformne. To znači da su prilagođene jedna drugoj tako da se opterećenje prenosi preko relativno velike površine.
142
Kod elastohidrodinamičkog podmazivanja dodir između površina je nekonforman. Kod njih se celokupno opterećenje prenosi preko relativno male površine. Primeri takvih elemenata su zupčanici, kotrljajući ležajevi i bregasti mehanizmi. U teoriji, dodir kod tih elemenata, u neopterećenom stanju, ostvaruje se u tački ili po liniji. Stvarni dodir je po nekoj maloj, ali konačnoj površini. Mala dodirna površina prouzrokuje visoka specifična opterećenja, što izaziva elastične deformacije površinskih slojeva materijala i promenu geometrije površine dodira. Za te uslove važe Hertzovi zakoni na osnovu kojih se određuje pritisak, kao i veličina dodirne površine. Kod hidrostatičkog podmazivanja mazivo se uvodi između površina u relativnom kretanju pod pritiskom, što osigurava opterećenje filmu maziva. Potreban pritisak se osigurava pomoću posebnog uređaja iz nekog spoljašnjeg izvora. Hidrostatičko podmazivanje omogućuje nizak nivo trenja i neznatno trošenje jer su površine u dodiru pri svim uslovima rada, uključujući i mirovanje, potpuno razdvojene. Nedostatak hidrostatičkog podmazivanja je to što je potreban poseban uređaj za osiguravanje pritiska u mazivu i za njegovo dovođenje do konkretnog spoja – ležaja. Hidrostatički način podmazivanja primenjuje se kod kliznih ležajeva za smanjenje trenja pri pokretanju (veliki ležajevi generatora, turbina), za eliminaciju direktnog dodira površina kod kliznih ležajeva sa malim brojem okreta, za smanjenje trenja i trošenja u uslovima klizanja, za eliminaciju gubitaka usled trenja pri ispitivanju ležajeva i za druge tribološke uređaje. Najznačajnija primena hidrostatičkog podmazivanja je kod različitih vrsta skupih kliznih ležajeva. Posle Ch. A. Coulomba koji je još 1781. godine definisao mehaničko trenje, Reynolds je stotinjak godina kasnije (1886. godine) dao osnovu hidrodinamičkog trenja, što je sažeto u izrazu: Ftr
dw A, dy
(Eq. 10.3)
gde je: Ftr – sila trenja (otpor smicanju) u sloju ulja (N), – dinamički viskozitet ulja (Pa·s), dw/dy – gradijent (promena) brzine po sloju ulja (s-1), A – površina ležaja (m2). Na Slici 10.16. prikazan je graf Stribeckove krive koja predstavlja funkcionalnu zavisnost faktora trenja m o brzini gibanja dviju ploha u kontaktu za različite varijante uspostavljenog trenja, odnosno podmazivanja (granično, mješovito hidrodinamičko). Vidljivo je da kod malih brzina klizanja između kontaktnih površina (kod malih brojeva okretaja) nema dovoljno ulja u pojedinim dijelovima ležaja, pa sustav radi u području graničnog podmazivanja i visokog faktora trenja . Sa porastom brzine klizanja (kod većih brojeva okretaja) ulazi se u područje efikasnijeg podmazivanja, pa se kroz područje mešovitog podmazivanja i razumljiv pad faktora trenja dolazi do područja podmazivanja potpunim slojem maziva. Tada može doći i do pojave porasta faktora trenja sa obzirom na to da raste udeo trenja u viskoznim slojevima ulja.
143
Granično podmazivanje
Mešovito podmazivanje
Podmazivanje potpunim slojem maziva
Slika 10.16: Stribeckova kriva
144
XI Mazive materije Pod pojmom maziva podrazumevaju se ulja i masti, ali i svako drugo sredstvo koje se, namerno ili spontano, nalazi između površina u relativnom kretanju. Osnovne mazive materije su sa obzirom na svoje agregatno stanje na normalnoj temperaturi okoline: ulja i masti. Tečna ili konvencionalna maziva generalno se sastoje od baznog ulja, i to najčešće oko 90% i aditiva oko 10%. Osnovno ili bazno ulje je osnovna komponenta koja zajedno sa aditivima služi za proizvodnju različitih maziva. Po poreklu može biti: mineralno, sintetičko ili prirodno (biljno i životinjsko).
11.1. OSNOVNA SVOJSTVA MAZIVIH MATERIJA Osnovna svojstva dobrih mazivih materija trebala bi biti:
dobra moć omašćivanja (kvašenja, ovlaživanja) mazivih površina, velika adhezija i kohezija, neagresivnost prema materijalima površina koje treba podmazivati, dobra fizička i hemijska stabilnost, otpornost na vodu, sposobnost zaptivanja, što manja zavisnost bitnih svojstava od temperature itd.
Slika 11.1: Primeri kontakata tehničke površine i tečnosti različitih međumolekulskih sila Navedena očekivana svojstva dobrih mazivih materija uglavnom zavise od njihove prirode, odnosno od veličine kohezionih i adhezionih sila. Kohezione sile su međumolekulske sile privlačenja u svakom materijalu između istovrsnih molekula. Adhezione sile su međumolekulske sile privlačenja između molekula različitih materijala. Na Slici 11.1. prikazano je nekoliko poznatih materija (voda, živa i mazivo ulje) sa
145
tipično različitim navedenim svojstvima koja se zasnivaju upravo na različitim vrednostima međumolekulskih sila: Svojstva maziva određuju se na osnovu merenja vrednosti koje se mogu podeliti u tri grupe (kao i kod goriva) parametara: fizički, hemijski i eksploatacioni. Sve vrednosti određuju se redovno normiranim postupcima, čime se osigurava mogućnost njihovog poređenja, nezavisno od toga ko ih je, kada i gde u svetu merio. Glavna fizička svojstva mazivih materija su:
gustina, viskozitet, indeks viskoziteta, temperatura stinjavanja, temperatura paljenja, isparljivost, boja, toplotna provodljivost itd.
Osnovna hemijska svojstva mazivih materija su:
oksidaciona stabilnost, termička stabilnost, vodootpornost, neutralizacioni broj, sadržaj pepela, sadržaj koksa, sadržaj vode, saponifikacioni broj, korozivnost itd.
Kad se govori o eksploatacionim svojstvima mazivih materija, misli se uglavnom na:
ukupan bazni broj (TBN), ukupan kiselinski broj (TAN), EP svojstva, otpornost mazivog filma, otpornost na habanje itd.
11.1.1. Viskozitet Viskozitet se smatra najvažnijom pojedinačnim fizičkim svojstvom svih mazivih ulja, pa i motornih. Definiše se kao trenje između slojeva tečnosti. Prema Isaac Newton-u, viskozitet je unutrašnje trenje tečnosti i njen otpor prema tečenju kada se nalazi pod delovanjem sile smicanja.
146
Ovo svojstvo je promenljiva veličina i menja se sa temperaturom i pritiskom. Sa porastom temperature viskozitet opada (ulje je ređe). Sa porastom pritiska raste i viskozitet (ulje je gušće). Zato se pri merenju viskoziteta mora navesti i temperatura i pritisak pri kojima je navedeni podatak dobijen. U praksi se razlikuju dinamički i kinematički viskozitet. 11.1.1.1. Dinamički (apsolutni) viskozitet Dinamički, ili često nazivan apsolutni, viskozitet η jednak je odnosu napona smicanja i brzine smicanja pokretnih ravni u tečnosti v, a ne menja se u slučaju konstantnog pritiska i temperature:
η.
(Eq. 11.1)
v
Taj odnos važi za njutnovske tečnosti, to jest one tečnosti čiji se viskozitet ne menja promenom brzine smicanja. Mineralna i sintetička bazna ulja i ulja koja ne sadrže polimerne uguščivače ponašaju se kao njutnovske tečnosti. Nenjutnovske tečnosti su tečnosti kojima se menja viskozitet promenom brzine smicanja. Maziva koja su koncentrovana polimerima uglavnom pripadaju toj grupi tečnosti. Jedinica za dinamički (apsolutni) viskozitet je paskalsekund (Pa·s), odnosno mPa·s, pri čemu je, naravno: 1 mPa·s = 10-3 Pa s. U Tabeli 11.1. navedene su vrednosti dinamičkog (apsolutnog) viskoziteta vode i nekih ulja na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku. Tabela 11.1: Dinamički (apsolutni) viskozitet Tečnost Voda Motorno ulje SAE 5W Motorno ulje SAE 50 Transmisijsko ulje SAE 90
η 1 mPa s 50 mPa s 400 mPa s 2400 mPa s
11.1.1.2. Kinematički viskozitet Kinematički viskozitet određene tečnosti:
definisan je kao odnos dinamičkog viskoziteta η i gustine ρ
.
(Eq. 11.2)
On predstavlja meru za otpor tečnosti prema tečenju pod uticajem gravitacije. Jedinica za kinematički viskozitet ν je mm2/s. Svojevremeno su u upotrebi u raznim krajevima sveta bili i stepen Englera (ºE), Seybolt universal seconds (SSU), odnosno centistokes (cSt), pri čemu između njih važi odnos: 1 mm2/s = 0,132 ºE = 4,62 SSU = 1 cSt
147
11.1.1.3. Uticaj temperature na viskozitet Bez izuzetaka, viskozitet mazivih ulja opada sa porastom temperature, brzo i po određenoj zakonitosti. Na Slici 11.2. jasno je prikazana razlika u procesu isticanja ulja različitog viskoziteta na -35°C. Može se primetiti 5 različitih ulja. Na levoj strani nalazi se najviskoznije ulje prikazanog niza – mineralno ulje 15W40. Niz se završava sintetičkim uljem “synlube” (desno) sa najmanjim viskozitetom u prikazanoj grupi.
Slika 11.2: Prikaz razlike viskoziteta isticanjem 200 ml raznih ulja posle 2 dana na -35°C Viskozno-temperaturnim ponašanjima posvećena je posebna pažnja, prije svega kod mazivih ulja (naročito motorna ulja i ulja za zupčaste prenosnike) koja svoju funkciju ispunjavaju u vrlo širokom temperaturnom području. Dijagram na Slici 11.3. prikazuje promene dinamičkog viskoziteta sedam ulja različite gradacije (od SAE 10 do SAE 70) sa promenom temperature u intervalu od 10 do 140°C. Da bi se pojednostavilo grafičko određivanje viskoziteta na temperaturama različitim od temperature merenja, zavisnost viskoziteta od temperature prikazuje se generalno u logaritamskoj razmeri, Slika 11.4., čime su temperaturna područja praktične primene konkretnog ulja povezana gotovo linearnom karakteristikom. Linearno prikazivanje promene pouzdano je samo za temperature između 20°C i 100°C. Izračunavanje viskoziteta interpolacijom, pre svega kod nižih temperatura, može dovesti do većih grešaka kod ulja sa aditivima, Slika 11.5.
148
Slika 11.3: Promena dinamičkog viskoziteta ulja sa promenom njegove temperature
Slika 11.4: Viskozno-temperaturni pravci kinematičkog i dinamičkog viskoziteta: 1. parafinsko ulje i 2. naftensko ulje
149
Slika 11.5: Odstupanja viskoziteta parafinskih baznih ulja pri niskim temperaturama: 1 i 2 – ulje sa aditivima, 3 i 4 – ulje bez aditiva
11.1.2. Indeks viskoziteta Velika važnost zavisnosti viskoziteta od temperature mazivih ulja upućivala je stalno na pokušaje pronalaženja odgovarajuće karakteristike koja bi tu zavisnost mogla uspešno da opiše. Dean i Davis su još 1929. godine predložili karakteristiku od posebne važnosti koja je nazvana indeksom viskoziteta. Ndeks viskoziteta predstavlja relativan broj koji pokazuje kako se menja viskozitet nekog ulja sa promenom temperature. Taj sistem za karakterizovanje viskozno-temperaturnih ponašanja mineralnih ulja preuzet je od ASTM-a, više puta je prerađivan i dopunjavan, a danas je u upotrebi u celom svetu. Grafički prikaz značenja indeksa viskoznosti dat je na Slici 11.6.
Slika 11.6: Grafički prikaz izračunavanja indeksa viskoziteta
150
Sistem se zasniva na dva odabrana niza mazivih ulja različitih viskoziteta, sa što je moguće drugačijim viskozno-temperaturnim ponašanjima (jedna serija je iz teksaške, a druga iz pensilvanijske nafte) kojima je određen viskozitet na temperaturama od 100°F (37,8°C) i 210°F (98,9°C). Zbog svoje pretežno naftensko-aromatske structure, sva ulja prve serije pokazuju izrazito veliku zavisnost viskoziteta od temperature. Za njih je usvojen indeks viskoziteta 0 i cela serija označena je kao ”L” serija (nizak indeks viskoziteta). Ulja druge serije pretežno su parafinske strukture i pokazuju manju zavisnost viskoziteta od temperature. Za njih je usvojen indeks viskoziteta 100 i cela serija označena je kao ”H” serija (visok indeks viskoziteta). Indeks viskoziteta izračunava se iz viskoziteta određenih na 40°C i 100°C. Indeks viskoziteta nekog ulja IV’ čija je očekivana vrednost između 0 i 100 izračunava se na osnovi izraza: IV '
L U 100 , LH
(Eq. 11.3)
gde je: L – kinematički viskozitet mineralnog ulja na temperaturi od 40°C koje ima IV = 0, a koje na temperaturi od 100°C ima isti viskozitet kao i mineralno ulje čiji se indeks viskoznosti želi odrediti (osnovna vrednost L), U – izmereni kinematički viskozitet mineralnog ulja na 40°C čiji se indeks viskoziteta želi odrediti, H – kinematički viskozitet mineralnog ulja na temperaturi od 40°C koje ima IV = 100, a koje na temperaturi od 100°C ima isti kinematički viskozitet kao mineralno ulje čiji se indeks viskoziteta želi odrediti (osnovna vrednost H). Mineralna ulja najčešće imaju indeks viskoziteta od 0 do 110, dok indeks viskoziteta sintetičkih ulja i ulja koncentrovanih polimerima često prelazi 120, pa i 200. Indeks viskoziteta ulja IV’’ čija je očekivana vrednost iznad 100 izračunava se na osnovu izraza: IV '
G 1 100 , 0, 0075
(Eq. 11.4)
pri čemu je: log G
log H log U , log Y
(Eq. 11.5)
odnosno Y - izmeren kinematički viskozitet mineralnog ulja na 100°C čiji se indeks viskoziteta želi odrediti. Viši indeks viskoziteta generalno za sva maziva ulja znači:
manje promene viskoziteta sa temperaturom, veći viskozitet kod viših temperatura, manju potrošnju ulja, manje trošenje delova (motora, mašina), kao i 151
manji viskozitet pri niskim temperaturama, a u slučaju motornih ulja još i bolje paljenje i olakšano pokretanje motora SUS. Multigradna motorna ulja sa indeksom viskoziteta iznad 130 mogu se koristiti tokom cele godine nezavisno od trenutne spoljašnje temperature.
11.1.3. Temperatura stinjavanja Temperatura stinjavanja ili stinište je temperatura na kojoj pod određenim uslovima ulje prestaje biti tečnost. Ponekad se koristi i izraz tačka stinjavanja.
11.1.4. Temperatura paljenja Temperatura paljenja ili plamište je temperatura na kojoj se pod određenim uslovima izdvojene pare zagrejanog ulja pomešane sa vazduhom zapale ako se prinesu otvorenom plamenu. Ponekad se koristi i izraz tačka paljenja.
11.1.5. Isparljivost Isparljivost podrazumeva količinu ulja koja ispari u propisanom vremenu na propisanoj temperaturi (na primer, Noack test: 1 sat na 250°C) (engl. volatility). Predstavlja važnu karakteristiku motornih ulja jer se kod ulja koja imaju veliku isparljivost javljaju razni mogući problemi tokom eksploatacije (povećana potrošnja ulja, njegova koncentracija, a uz to i lošije podmazivanje). Povećanjem isparljivosti raste i opasnost od požara.
10.2. MINERALNA ULJA ZA PODMAZIVANJE Mineralna maziva ulja sastoje se od mineralnog baznog ulja i aditiva. Najveći deo (približno 95%) savremenih mazivih ulja su mineralna ulja koja se dobijaju preradom nafte. Tako dominantna zastupljenost maziva na osnovu mineralnih ulja svakako je rezultat:
raspoloživosti, razvoja rafinacionih tehnika njihovog dobijanja, dobrih svojstva i povoljne cene proizvodnje.
Bazna ulja dobijaju se selektivnom rafinacijom teških derivata nafte i uvek su smeša viših ugljovodonika dobijenih preradom nafte. Na osnovu podataka iz elementarne analize velikog broja uzoraka sirove nafte različitog porekla, dobijeni su sledeći prosečni maseni udeli pojedinih elemenata:
152
ugljenika ima 83 do 87%, vodonika ima 11 do 14%, a kiseonika, azota i sumpora nikad preko 5%. U parafinskim naftama preovladavaju parafinski ugljovodonici, naftenski ugljovodonici u naftenskim, a u mešovitim naftama uz obično veće količine parafinskih ugljovodonika sadržane su i znatne količine naftena i aromata. Molekulska struktura ugljovodonika prisutnih u nafti određuje važna hemijska i fizička svojstva mineralnih baznih ulja kao što su: viskozitet i viskozno-temperaturna svojstva, agregatno stanje i područje tečenja, oksidaciona i termička stabilnost. Poželjno je da bazna mineralna ulja imaju takav sastav kojim se mogu postići zadovoljavajuća ciljana svojstva, odnosno da ne sadrže veći udeo aromatskih ugljovodonika (niska vrednost indeksa viskoziteta), a ni linearne (nerazgranate) parafinske ugljovodonike koji lako kristališu i tako povećavaju vrednosti temperature stinjavanja ulja. Prema tome, izoparafini su poželjni sastojci baznih ulja (visoke vrednosti indeksa viskoziteta, dobra niskotemperaturna svojstva, dobra oksidaciona stabilnost).
11.2.1. Osnovni tehnološki postupci za dobijanje mineralnih mazivih ulja Bazna sirova ulja dobijaju se tokom destilacije nafte (i vakuumske), kako se može vidjeti na Slikama 6.18. i 6.19. U principu, bazna ulja se dobijaju sledećim tehnološkim koracima:
destilacija – postiže se odgovarajući viskozitet i plamište, rafinacija – poboljšavaju se oksidaciona i viskozno-temperaturna svojstva, deparafinacija – poboljšavaju se niskotemperaturna svojstva i završna obrada ulja vodonikom – poboljšava se stabilnost (i boja).
11.2.1.1. Destilacija Polazna sirovina za proizvodnju baznih ulja je ostatak atmosferske destilacije nafte, prema Slici 6.19. Osnovni zadatak destilacije je osiguravanje odgovarajućeg viskoziteta, tačke paljenja i drugih svojstava pojedinih frakcija. Viskozitet i niz drugih svojstava kod ulja istog porekla direktno je zavisna od raspona ključanja. Savremena maziva zahtevaju bazna ulja uske raspodele molekulske mase, što se dobija užim destilacionim područjem. 11.2.1.2. Rafinacija Vakuum destilati često sadrže nepoželjna jedinjenja koja posle nekog vremena dovode do porasta viskoziteta, promene boje i formiranja kiselih produkata i taloga. Osim toga, tokom procesa destilacije, zbog lokalnih pregrejavanja, nastaju nepoželjni olefinski ugljovodonici. Odstranjivanjem tih komponenata primenom modernih metoda rafinacije omogućuje se
153
proizvodnja visokovrednih mineralnih baznih ulja, čak i iz sirove nafte nepovoljnog sastava, to jest nafte sa visokim udelom normalnih parafina i aromata. Danas se uglavnom primenjuju sledeći rafinacioni postupci: kisela rafinacija sa sumpornom kiselinom, ekstrakcija selektivnim rastvaračima i duboka hidrorafinacija (ovim postupkom se pri visokim pritiscima odstranjuju jedinjenja sa sumporom, azotom i kiseonikom, i prevode aromatski ugljovodonici u naftenske). 11.2.1.3. Deparafinacija Zadatak ovog procesa je odstranjivanje visokomolekulskih n-parafina i određenih razgranatih i cikličkih parafina. Proces se zasniva na delimičnoj kristalizaciji i zatim odvajanju viših parafina hlađenjem u nekom rastvaraču. U novije vreme se sve više koriste postupci katalitičke deparafinacije. To su postupci selektivnog hidrokrekovanja kojima se parafinski ugljovodonici selektivno (posebno nparafini) hemijski razgrađuju sa ciljem povećanja udela niskomolekulskih parafina (snižavaju temperaturu stinjavanja i povećavaju indeks viskoziteta) i postizanja izomerizacije u razgranate parafine. 11.2.1.4. Završna obrada mineralnih ulja za podmazivanje Nakon sprovedenog postupka rafinacije i deparafinacije u obrađenim uljnim frakcijama još se zadržavaju određene smolaste i obojene materije, kao i ostaci rastvarača. Oni se uklanjaju u procesu završne obrade ulja, najčešće vodonikom. Dorada baznog ulja vodonikom izvodi se najčešće pri pritiscima od 20 do 60 bar, na temperaturama od 260 do 400°C uz primenu posebnih katalizatora. 11.2.1.5. Aditivi Ugljovodonici od kojih se sastoje mineralna maziva ulja ne mogu u potpunosti zadovoljiti sve veće zahteve svojstava koja se očekuju od modernih maziva, tako da su aditivi neizostavne komponente modernih ulja za podmazivanje. To su dodaci baznom ulju kojima se poboljšavaju njihova fizička i hemijska svojstva. Unose nova pozitivna svojstva ili poboljšavaju već postojeće karakteristike mazivih ulja. Savremenim uljima najčešće se dodaju sledeće vrste sredstava: aditivi za poboljšanje indeksa viskoziteta – smanjuju promene viskoziteta u odnosu na promenu temperature, aditivi za sniženje temperature stinjavanja – sprečavaju nastajanje većih kristalnih nakupina parafinskih ugljovodonika, oksidacioni inhibitori – inhibitori korozije i starenja usporavaju i umanjuju procese oksidacije ugljovodonika u mazivim uljima (“antioksidanti”),
154
disperzanti čađi i koksa – u ulju disperguju oksidacione produkte (čađ, koks, smola) i drže ih suspendovanim pa tako sprečavaju njihovo taloženje na nepoželjnim mestima u motoru (slotovi klipnih prstenova, zidovi cilindra itd.), aditivi visokog pritiska – EP (extreme pressure) aditivi – na bazi sumpora (molikot MoS2), fosfora, grafita ili polimernih jedinjenja povećavaju nosivost uljnog filma, aditivi protiv penušanja – sprečavaju pojavu pene u mazivim uljima koja može prouzrokovati prekid podmazivanja, ali i bržu oksidaciju.
11.3. SINTETIČKA ULJA ZA PODMAZIVANJE Sintetička maziva su veštački proizvedene materije kojima se potrebna i željena svojstva za podmazivanje mogu unapred odrediti sastavom sirovina i uslovima sinteze. Sa obzirom na to, obuhvataju nekoliko važnih grupa:
ugljovodonična, estarska, poliglikolna i silikonska maziva.
Za konačno postizanje željenih svojstava sintetičkih maziva generalno se koriste specijalni aditivi. Glavne količine sintetskih maziva se troše za podmazivanje mašina i uređaja kada su radne temperature tolike da je upotreba mineralnih maziva nemoguća. Osnovni nedostatak sintetičkih maziva je njihova cena proizvodnje – često su i nekoliko puta skuplja od mineralnih. Da bi se i za oštre uslove rada (koje ne mogu zadovoljiti obična mineralna ulja) dobila jeftinija maziva, sve se više proizvode smeše sintetičkih i mineralnih maziva – polusintetička maziva.
11.3.1. Ugljovodonična sintetička maziva ulja Ugljovodonična sintetička maziva su najraširenija vrsta. Proizvode se polimerizacijom jednostavnijih ugljovodonika. Najvažnija takva ulja su ona koja se odlikuju visokim indeksom viskoziteta (iznad 135), niskom tačkom tečenja i dovoljno niskim viskozitetom i na temperaturama ispod -30°C. Stabilna su prema oksidaciji i delovanju toplote, a isparljivost im je niža od isparljivosti mineralnih ulja istog viskozteta. Ta ih svojstva čine odličnim sirovinama za proizvodnju motornih ulja koja se mogu koristiti u svim sezonama. Često se koriste u smešama sa estarskim sintetičkim ili mineralnim baznim uljima, pa se dobijaju maziva vrlo povoljnih karakteristika sa odličnim svojstvima na niskim temperaturama koja se upotrebljavaju za proizvodnju motornih, zupčaničkih i hidrauličnih ulja, kao i za dobijanje mazivih masti namenjenih primeni na vrlo niskim temperaturama.
155
11.3.2. Estarska sintetička maziva ulja Estarska sintetička maziva ulja se takođe odlikuju vrlo dobrim svojstvima na niskim temperaturama i niskom isparljivošću. Zbog toga se često koriste u smešama sa mineralnim uljima za motorna i kompresorska (polusintetička) ulja i kao sirovina u proizvodnji mazive masti za primenu na niskim temperaturama. Sintetička neopoliolna estarska ulja imaju neophodnu stabilnost na visokim temperaturama, a indeks viskoziteta im je nešto niži, dok su ostala svojstva slična. Često se koriste u smešama sa drugim sintetičkim, ali i sa mineralnim uljima, pa se dobijaju maziva ulja povoljnih i uravnoteženih svojstava pogodna za primenu u vrlo širokom području temperatura. Danas se često upotrebljavaju u proizvodnji motornih ulja za mlazne motore a takođe i kao komponente sintetičkih i polusintetičkih automobilskih motornih ulja, zupčaničkih i kompresorskih ulja i mazivih masti. Sintetska fosfatna estarska ulja mnogo su otpornija na vatru od mineralnih ulja pa se koriste kao teško zapaljive tečnosti u hidrauličkim sistemima vazduhoplovnih sredstava i u industriji gde postoji određena opasnost od požara. Osim nešto nižeg indeksa viskoziteta, ostala svojstva su im dobra. Imaju nisku temperaturu stinjavanja. Kompatibilna su sa mineralnim uljima, pa se lako mešaju. Često se upotrebljavaju za podmazivanje kompresora koji rade na izuzetno visokim temperaturama pri kojima bi se primenjena mineralna maziva ulja mogla zapaliti ili eksplodirati.
11.3.3. Poliglikolna sintetička maziva ulja Glavna prednost im je da pri isparavanju na visokim temperaturama ne ostavljaju talog, a i zavisnost viskoziteta od temperature im je povoljna. Osnovnim nedostatkom smatra se činjenica da se vrlo loše ili nikako ne mešaju sa mineralnim uljima. Najčešće se koriste u proizvodnji ulja za hidraulične prenose kočnica motornih vozila.
11.3.4. Silikonska sintetička maziva ulja Silikonska sintetička maziva ulja se odlikuju vrlo malom zavisnošću viskoziteta od temperature (indeks viskoziteta iznosi i preko 300). Imaju nisku temperaturu stinjavanja, a na niskim temperaturama mali viskozitet. Hemijski su inertna, nisu otrovna, vatrootporna su i vodoodbojna, a imaju nisku isparljivost. Vrlo su stabilna prema oksidaciji i delovanju toplote i do vrlo visokih temperatura. Osnovni nedostatak im je mali površinski napon. Zbog toga preterano kvase okolinu ležaja, razlivaju se i ne formiraju dobro prijanjajući film maziva. Osim toga, slabo štite klizne površine od trošenja i trenja, a ta se nepovoljna svojstva ne mogu bitno poboljšati ni aditivima.
156
11.4. KLASIFIKACIJA ULJA ZA PODMAZIVANJE Niz svojstava savremenih ulja za podmazivanje je dugačak, što donekle otežava posao sistematizovanja i klasifikacije. Za svaku konkretnu primenu zahtevaju se drugačija svojstva. Kako korisnik ne bi trebao da analizira sva svojstva pojedinačno, norme u kratkoj oznaci obuhvataju mnoga svojstva kao što su mazivost, viskozitet, indeks viskoziteta, otpornost na ekstremne temperature (visoke ili niske), otpornost na vodu i vlagu, otpornost na prašinu kao i niz drugih svojstava. Ispitivanje takvih svojstava, odnosno egzaktno merenje njihovih parametara, može biti poseban problem. U određenoj poslovnoj situaciji bitnim svojstvima maziva treba pridružiti određene brojke koje maziva svrstavaju u posebne grupe i time omogućuju njihovo svrstavanje i klasifikaciju. To grupiranje (klasifikacija) omogućuje ili donekle olakšava pravilnu primenu i upotrebu maziva. Najvažniji i najuticajniji klasifikatori motornih ulja u svetu su: Society of Automotive Engineers (SAE), American Petroleum Institute (API), Association des Constructeurs Européens d’Automobiles ili European Automobile Manufacturers Association (ACEA ili EAMA), Original Equipment Manufacturer (OEM), Japanese Automotive Standards Organization (JASO), National Marine Manufacturers Association (NMMA) – udruženje proizvođača vanbrodskih motora i drugi. Iako se danas teži internacionalizaciji oznaka, međunarodnoj normizaciji, još niz godina će u primeni ostati razne klasifikacije koje su pojedine grupacije stručnjaka prihvatile – nacionalne (kao SAE), vojne (MIL, DEF.STAND) ili fabričke (Caterpillar) i drugo.
11.5. MOTORNA ULJA Motorna ulja su složene smeše jedne ili više uljnih osnova – baznih ulja – i dodataka. Osnovna namena im je podmazivanje kontaktnih površina delova motora SUS u međusobnom kretanju. Bazna ulja su posebno kvalitetna rafinisana ulja mineralnog i sintetičkog porekla. Obično su poznatog hemijskog sastava dosta precizno utvrđenih fizičkih i hemijskih svojstava. Raznovrsnost namene osigurava se primenom vrste baznog ulja i vrlo širokog spektra postojećih aditiva. Koriste se za male brzohodne, ali i za vrlo velike (brodske) motore, kako u tropskim tako i u polarnim uslovima. Savremenim uljima se mogu dodeliti takva svojstva da bez većih problema mogu ispuniti posebnosti u radu različitih motora SUS – tada se govori o višenamenskim motornim uljima. Isto tako, motorna ulja mogu biti i višegradaciona, ako pokrivaju šire područje viskoziteta i ako im se sa promenom temperature viskozitet zadržava u prihvatljivo uskim granicama. Osim što podmazivanjem smanjuju trenje i trošenje na dodirnim površinama svojim posebnim svojstvima, motorna ulja obično i hlade podmazivane delove. U mnogim kliznim sistemima obavljaju dobrodošlo dodatno zaptivanje, kao i određeno čišćenje dodirnih površina, a prigušuju i buku i vibracije. 157
11.5.1. Klasifikacija motornih ulja Motorna ulja biraju se prema preporukama proizvođača motora SUS ili automobila (opreme) u koji je motor SUS ugrađen. Stalni razvoj motora SUS paralelno prate poboljšanja fizičkih, hemijskih, triboloških i drugih radnih svojstava motornih ulja. U stalnoj trci zahteva konstruktora i poboljšanja kvalitetnog nivoa motornih ulja stvoreno je mnogo varijanti, kako sa obzirom na viskozne gradacije, tako i sa obzirom na kvalitet, odnosno radne karakteristike. To je stvaralo određene poteškoće prilikom izbora odgovarajućeg ulja. Taj problem rešen je klasifikacijama motornih ulja i uvođenjem odgovarajućeg identifikujućeg označavanja: za viskozno razlikovanje – SAE gradacija kao i za različite nivoe kvaliteta motornih ulja – API, ACEA, MIL – L i druge. 11.5.1.1. Klasifikacija motornih ulja prema viskozitetu – SAE gradacija Već je navedeno da je viskozitet svojstvo fluida koje opisuje njegovo opiranje tangencijalnim (smicajnim) naprezanjima kao pokazatelj unutrašnjeg trenja fluida. Viskozitet motornih ulja izražava se preko SAE viskozne gradacije. Klasifikaciju ulja po viskozitetu, tzv. “SAE gradaciju”, uvelo je Društvo američkih automobilskih inženjera (Society of Automotive Engineers – kraće SAE). SAE klasifikacija motornih ulja prema viskozitetu predstavlja najrašireniji sistem klasifikacije motornih ulja u automobilskoj industriji i prometu. Viskozna klasifikacija za motorna ulja opisana je i propisana normom SAE J 300 – Dec 99 i u skladu sa ovom normom motorna ulja su svrstana u jedanaest gradacija u dve uspostavljene serije: sa oznakom ”W” i bez te oznake. Prvih šest ulja sa oznakom ”W” predstavljaju monogradna ulja za zimske uslove rada. Zimska motorna ulja (SAE 0W, SAE 5W, SAE 10W, SAE 15W, SAE 20W i SAE 25W) moraju osigurati dovoljno nizak viskozitet na niskim temperaturama da bi se motor dovoljno lako pokrenuo i da ulje krene u cirkulaciju nakon pokretanja motora. Zato se za ta ulja propisuje najveći dinamički viskozitet kod niskih temperatura. Viskozitet se određuje prema proceduri ASTM D 2602. Propisana je i najviša granična temperatura pumpabilnosti, prema ASTM D 3829, koja govori o sposobnosti dobavljanja ulja do uljne pumpe i uspostavljanja odgovarajućeg pritiska motornog ulja u početnoj fazi rada motora, to jest u “hladnom startu” motora pri niskim temperaturama. Ali kad motor postigne normalnu radnu temperaturu mora mu se osigurati dovoljno efikasno podmazivanje što se rešava propisivanjem minimalnog kinematičkog viskoziteta (mm2/s) na 100oC. Ovo merenje je normirano prema ASTM D 445. Ostalih pet ulja bez oznake ”W” predstavljaju monogradna ulja za letnje uslove rada.
158
Letnja motorna ulja (SAE 20, SAE 30, SAE 40, SAE 50 i SAE 60) moraju osigurati dovoljan viskozitet za korišćenje kod visokih spoljašnjih temperatura, pri čemu je propisan najmanji i najveći viskozitet na 100oC, a što se meri prema normi ASTM D 445. Kombinovanjem dve viskozne gradacije, letnje i zimske, dobijaju se multigradna ulja koja zadovoljavaju kako letnje tako i zimske uslove rada. Multigradna motorna ulja (SAE 15W-40, SAE 10W-40, itd.) koriste se tokom cele godine tako da nije potrebna zamena ulja u jesen i proleće. Radi osiguranja tog svojstva, baznim uljima se dodaju polimerni aditivi od kojih je najvažniji modifikator indeksa viskoziteta. Međutim, molekuli polimernih aditiva lome se na visokim radnim temperaturama i visokim opterećenjima, tako da viskozitet tih ulja opada tokom duže upotrebe, što dovodi u pitanje čvrstoću uljnog filma, odnosno mogućnost neželjene pojave trenja i habanja. Iz tog razloga se za motorna ulja koja sadrže polimerne aditive navodi minimalna vrednost dopuštenog viskoziteta tokom upotrebe (posle izlaganja visokim temperaturama i opterećenjima). Padne li ta vrednost ispod preporučene ili dopuštene granice, multigradno ulje treba zameniti. SAE klasifikacijom se letnjim uljima (čija je oznaka bez slova W) propisuje samo određeni kinematički viskozitet na 100°C, a zimskim uljima (koja u svojoj oznaci imaju slovo W) maksimalni dinamički viskozitet pri niskim temperaturama i najveća granična temperatura pumpabilnosti. Postoji mogućnost da neko ulje zadovolji zahteve više od jedne W gradacije. Tada u svojoj oznaci imaju nižu gradaciju. Takođe, isto ulje – sa obzirom na svoj kinematički viskozitet – može zadovoljiti i klasifikacioni parametar letnjeg ulja (bez slova W), npr. SAE 40, pa je takvo ulje multigradno sa oznakom na primer SAE 5W – 40. 11.5.1.2 Klasifikacija motornih ulja prema kvalitetu – API Američki institut za naftu (API) je napravio i prihvaćenom normom propisao klasifikaciju motornih ulja (engl. Engine Service Clasification System) prema kvalitetu, odnosno prema radnim uslovima u upotrebi koje mogu podneti i na očekivani način podmazivati motore SUS. Pritom je napravljena i klasifikacija radnih uslova koji su u rasponu od: najblažih – ulja sa najmanje zaštite od stvaranja taloga, trošenja i korozije, do najoštrijih – ulja za najzahtevnije uslove rada, sa najvećom raspoloživom zaštitom motora. Sa obzirom da oštrina uslova rada zavisi uglavnom od konstrukcije motora SUS, uspostavljena su tri odvojena “servisa”: benzinski motori, dizel motori, dvotaktni motori. Kod benzinskih motora najoštrije uslove predstavljaju uslovi rada za koje je karakteristično sledeće:
kratka vožnja, gradska vožnja (start-stop service), vožnja pri visokim temperaturama, konstantno visoka brzina, tekao i 159
vuča prikolice pri visokim temperaturama. Kod dizel motora najoštrije uslove vožnje predstavljaju uslovi rada za koje je karakteristično sledeće: visoki radni pritisci i “supercharging”, kao i gorivo bogato sumporom. Kod dvotaktnih motora najoštrije uslove vožnje predstavljaju uslovi rada koji su identični najoštrijim uslovima rada za benzinske motore. Bitno je naglasiti da sistem klasifikacije nije konačan, da je otvoren za redovno periodično proširivanje, u skladu sa novim tehnološkim zahtevima sve složenijih motora SUS, ali i sve većim tehnološkim mogućnostima petrohemijske industrije. 11.5.1.3. Ostale klasifikacije motornih ulja Tokom 20. veka mnogi veliki korisnici i potrošači motornih ulja kao i proizvođači automobilskih motora SUS, sa namerom osiguranja kvaliteta za zadovoljavanje vlastitih potreba, definisali su norme proizvođačima ulja u skladu sa vlastitim klasifikacijama. Tako određene norme su njihovi proizvodi morali da zadovolje da bi se uspostavila poslovna sradnja. Dakle, proizvođač motora SUS (ili automobila) propisao bi kakvo ulje je potrebno njegovom proizvodu, proizvođač ulja napravio bi ulje sa traženim svojstvima i poslao bi ga na proveru proizvođaču automobila. Kada bi se proizvođač automobila uverio da dobijeno sredstvo za podmazivanje ima tražena svojstva, kupcima svojih vozila (motora SUS) sugerisao bi upotrebu upravo tog ulja. Tako bi proizvođač vozila dobio željeno sredstvo za podmazivanje, proizvođač sredstva za podmazivanje dobio bi osiguran plasman svog ulja, a kupac vozila imao bi pouzdan automobil koji neće otkazati zbog lošeg podmazivanja. Prve norme koje su jasno definisale zahteve kvaliteta su bile norme vojske SAD-a. Tako je američka vojska za vlastite potrebe napravila svoju klasifikaciju motornih ulja (USA-MIL-L), što je skraćenica od MILitary Lubrication. Klasifikacija je bila napravljena za vojne potrebe, ali je naišla na široku primenu i u komercijalne svrhe. Poreklo je vukla iz preduzeća za proizvodnju traktora Caterpillar Tractor Co. (1938. god.) kao i fabrike General Motors iz istog vremena. Počeci te klasifikacije sežu u godinu 1942. pod brojem US Army Ordonance Specification 2-104 A, kojim su definisana HD (Heavy Duty) ulja za primenu u vojnim postrojenjima. Regulativa je kasnije zamenjena sa 2-104 B, a zatim sa specifikacijom 2-104 B Supplement I. Sledi je 1950. godine MIL-L-2104 specifikacija, 1954. godine MIL-L-2104A specifikacija i konačno 1960. godine poznata MIL-L-2104B specifikacija. MIL-L-2104B specifikaciju 1970. godine zamenjuju dve specifikacije: MIL-L-2104C (za normiranje maziva za vojna borbena vozila) i MIL-L-46152 (za normiranje motornog ulja za benzinski i dizel motor u putničkim vozilima i lakim traktorima). Svaka od tih specifikacija bila je i biće nadograđivana. Primeri normi ulja američke vojske su:
MIL-L-46152 B – ulja za borbena vozila, MIL-L-2104 D – ulja za benzinske i dizel motore putničkih (transportnih) vojnih vozila, MIL-L-9000 G – ulja brodskih propulzionih i pomoćnih dizel motora, MIL-L-21260 C – ulja za konzervaciju motora, kao i za manje opterećene motore,
160
MIL-L-46167 A – ulja za benzinske i dizel motore kod temperatura za arktička područja do -55°C itd. Ove su se norme primenjivale u celom svetu, pa i u Europi. Vrlo brzo je isto napravila i britanska vojska (GB – British Ministry of Defence Specification), pa su dobijene norme DEFSTAN. Primeri normi ulja britanske vojske su: DEF-STAN 91-43/1 – ulja za dizel i benzinske motore, DEF-STAN 91-22/2 – ulja za pomorske dizel motore itd. Po ugledu na navedene primere proizvođača motornih vozila (preduzeća za proizvodnju traktora Caterpillar Tractor Co. i fabrike General Motors) vrlo brzo su usledile norme mnogih drugih proizvođača motornih vozila i komponenata koje su ugrađivane u njihove proizvode kojima su od proizvođača ulja zahtevali određena svojstva i kvalitet. Tako se došlo do industrijskih specifikacija, čijim se ispunjavanjem garantovao očekivano pouzdan rad vlastitih triboloških sistema. Primeri takvih poznatih fabrika motornih vozila i pripadajućih delova su:
FIAT, Ford, MAN, Mercedes Benz, SKF.
11.5.1.4 . Evropske klasifikacije motornih ulja Sa razvojem evropske automobilske industrije uočeno je da američke i druge vanevropske norme ne zadovoljavaju u potpunosti evropske potrebe zbog razlike u evropskim specifičnostima upotrebe automobila. Takvi zahtevi potiču od specifičnosti evropskih konstrukcija (to su obično motori SUS manjih radnih zapremina i sa većim brzinama obrtaja), kao i od posebnosti evropskih uslova prevoza – raznovrsnost klimatskih uslova, lošiji putevi od američkih, ali i bitno različiti eksploatacioni uslovi. Zbog težih uslova rada pojedini evropski zahtevi su i iznad američkih (kao Mercedes-Benz norme za ulja SHPD kvaliteta). Komitet konstruktora vozila evropskog zajedničkog tržišta CCMC (Comité des Constructeurs d’Automobiles du Marché Commun) razvio je kasnih sedamdesetih godina prve specifikacije zasnovane na izabranim CEC (Coordinating European Council for the Development of Performance Tests for Lubricants and Engine Fuels) i ASTM (American Society for Testing and Materials) motornim testovima. Ranih osamdesetih godina CCMC je klasifikovao motorna ulja prema radnim svojstvima: G1, G2, G3 / 1983. – ulja za oto motore, D1, D2, D3, PD1 / 1984. – ulja za dizel motore privrednih i ličnih vozila, G4, G5, D4, D5, PD2 / 1989., uz dopunu 1991. – ulja za benzinske motore, dizel motore privrednih i ličnih vozila. U februaru 1991. formirano je Udruženje evropskih konstruktora vozila ACEA (Association des Constructeurs Européens d’Automobiles) koje je nasledilo prethodni CCMC i preuzelo
161
CCMC-ove specifikacije. Članovi ACEA-e su: BMW, DAF, Fiat/Iveco, Ford, MAN, MercedesBenz, Opel, PSA, Renault, Rover, Saab-Scania, Volkswagen i Volvo. Evropa potom uvodi takozvane CCMC norme, koje pokazuju i određene nedostatke, pa se zamenjuju novim ACEA propisima sa vlastitim parametrima. Ti elementi postaju evropska obaveza od 1997. godine. Važno je istaknuti da, za razliku od prethodnih CCMC specifikacija, ACEA specifikacije predviđaju i sistem za osiguranje kvaliteta i udovoljavanje propisanim kriterijima. Proizvođači motornih ulja moraju dokazati usklađenost radnih karakteristika ulja pouzdanim podacima i kontrolisanim ispitivanjima u ovlašćenim laboratorijima. Svi rezultati motornih ispitivanja koji se koriste kao potpora zahtevu za usklađenost sa ACEA nivoom kvaliteta moraju se utvrditi u skladu sa sistemom osiguranja kvaliteta evropskih motornih ulja EELQMS (European Engine Lubricants Quality Management System). Osim toga, svi proizvođači motornih ulja moraju dokazati usklađenost s ATIEL Code of Practice – što znači poštovanje propisanih normi o stvaranju i ispitivanju motornih ulja. Proizvodni pogoni moraju imati ISO 9002 sertifikat kvaliteta. EELQMS je obvezan za sve proizvođače motornih ulja koji deklarišu da njihova ulja zadovoljavaju ACEA specifikacije. Novi evropski sistem klasifikacije i specifikacija motornih ulja prema radnim svojstvima ulja (ACEA European Oil Sequences) objavljen je u decembru 1995. godine. Sistem definiše minimalne nivoe kvaliteta motornih ulja za servisno punjenje oto motora, lako opterećenih dizel motora i teško opterećenih dizel motora. Označavanje nivoa kvaliteta motornih ulja je sledeće: Svaka klasa označena je slovom (A, B ili E) i podeljena na više kategorija koje su označene brojkom (1, 2, 3..). U dodatku se nalazi dvocifreni broj koji označava godinu uvođenja nivoa kvaliteta. U oznaku može biti uključen i broj izdanja ako su zahtevi ažurirani, ali bez promena u oštrini testova. Kao i prethodno navedeni sistemi klasifikacije i normiranja traženih svojstava motornih ulja i ovaj sistem je otvoren i stalno se nadograđuje u skladu sa razvojem tehnoloških mogućnosti proizvođača ulja i zahtevima proizvođača motora SUS.
11.5.2. Izbor motornog ulja Proizvođači motornih vozila u svojim uputstvima za upotrebu i održavanje automobila obično specifikuju kvalitet i SAE gradaciju ulja koje vlasnik mora koristiti. U garantnom roku to je obveza i vlasnika i ovlaštene servisne radionice u koju će automobil biti dovezen na servisiranje – preventivni zahvat tehničkog održavanja. Neki proizvođači automobila u servisnim knjižicama (ili uputstvima za upotrebu vozila) navode čak i komercijalne nazive preporučenih motornih ulja – što je posledica poslovne saradnje proizvođača automobila i motornih ulja na razvoju novih motornih ulja ili poboljšanja svojstava postojećih. Koje će se motorno ulje koristiti zavisi od tipa automobila, propisanih specifikacija i klasifikacije kvaliteta, normi, gradacije viskoziteta i ostalim zahteva koje je proizvođač motornog vozila propisao, a koji su generalno u skladu sa nekom normom:
SAE, API, ACEA (CCMC), ili svojoj internoj fabričkoj specifikaciji. 162
Osim toga, proizvođači motornih ulja proizvode i tržištu nude sredstva za podmazivanje koja su u skladu sa svim zahtevima kvaliteta, normama, klasifikacijom i specifikacijom. Na pakovanju svojih proizvoda i u svojim katalozima to i deklarišu. Treba imati na umu da je u ovoj branši konkurencija vrlo velika. 11.5.2.1. Izbor ulja benzinskih motora Benzinski motori su namenjeni generalno za pogon ličnih automobila i manjih komercijalnih vozila, što znači da su za njih karakteristični režimi velikih brzina i visokih temperatura. Radi podizanja specifične snage benzinskih motora i smanjenja potrošnje goriva savremena konstrukciona rešenja obično su sa izvedenim visokim stepenom kompresije, što je dovelo do bitno viših radnih pritisaka i radnih temperatura. Za takve motore potencijalna motorna ulja moraju imati: neophodan viskozitet na niskim temperaturama (radi lakog pokretanja), ali i na visokim temperaturama (radi pravilnog podmazivanja u svim radnim uslovima), visoku oksidacionu i termičku stabilnost radi sprečavanja neželjene degradacije pri visokim radnim temperaturama, dovoljno dobro podnošenje visokih opterećenja (pritisaka) radi sprečavanja neželjenog habanja kliznih površina, dobra svojstva čišćenja motora radi sprečavanja većeg taloženja produkata sagorevanja na komponentama motora i u kanalima za podmazivanje. Pravilno odabrano ulje garantuje dugotrajan i pouzdan rad motora, bilo da se radi o mineralnom, polusintetičkom, ili o sintetičkom ulju. Posebna se pažnja mora posvetiti učestalosti izmene ulja u podmazivanom uređaju. Interval izmene ulja kod benzinskih motora zavisi od: kvaliteta ulja, Dobro odabrano i kvalitetno ulje optimalno će podmazivati motor duže vreme. potrošnje ulja, Povećana potrošnja ulja ukazuje na određenu neispravnost motora, ulje se brže degradira i treba ga češće menjati. zaprljanosti ulja, Zavisi od ispravnog rada motora, njegovog održavanja i uslova upotrebe ulja. efikasnosti prečistača ulja, Što je prečistač efikasniji interval izmene ulja može biti duži. radnih uslova, Pod normalnim radnim uslovima podrazumeva se vožnja na otvorenom putu, prigradska vožnja, bez previše gradske vožnje. U tom se slučaju može koristiti produženi interval izmene motornog ulja. Teškim uslovima se smatra upotreba automobila na terenu, van puta, na gradilištima, povremeno preopterećivanje vozila, duža upotreba u gradskim uslovima vožnje sa čestim zaustavljanjima i polascima itd. U tim se slučajevima mora skratiti interval izmene motornog ulja. 163
kvaliteta tehničkog održavanja motora i pravilnosti upotrebe podmazivanog uređaja. Kod automobila sa niskim intenzitetom eksploatacije interval izmene ulja određuje se vremenski, a ne po pređenom putu. 11.5.2.2. Izbor ulja dizel motora Zbog niza svojih svojstava, dizel motori predstavljaju sve zastupljeniji tip motora u Evropi – i ne samo za komercijalna vozila. Kao što je poznato, sporohodni dizel motori se koriste uglavnom kao glavni motori za pogon brodova, srednjehodni za pogon raznih elektroagregata i železničkih lokomotiva, a brzohodni za pogon automobila, kamiona, raznih privrednih vozila i poljoprivredne mehanizacije. Prve dve vrste motora korista ulja koja nisu dovoljno dobra za podmazivanje brzohodnih dizel motora. U grupi brzohodnih dizel motora posebno su, što se podmazivanja tiče, zahtevni dizel motori sa predsabijanjem (“supercharged”). Za takve motore potencijalna motorna ulja moraju imati: neophodnan viskozitet na niskim temperaturama (radi lakog pokretanja) i visokim temperaturama (radi pravilnog podmazivanja u svim radnim uslovima), dobru oksidacionu i termičku stabilnost radi sprečavanja neželjene degradacije pri visokim radnim temperaturama i pritiscima u motoru, dobru baznu rezervu radi neutralizacije kiselih produkata sagorevanja, kao i u uslovima upotrebe goriva sa većim sadržajem sumpora, dobro podnošenje visokih opterećenja (pritisaka) radi sprečavanja neželjenog habanja kliznih površina, kao i dobra svojstva čišćenja motora radi sprečavanja većeg taloženja produkata sagorevanja na komponentama motora i u kanalima za podmazivanje. Ulja za podmazivanje dizel motora biraju se u skladu sa preporukom proizvođača motora (automobila) i takva preporuka obično sadrži: viskoznu gradaciju prema SAE klasifikaciji i servis ulja prema API klasifikaciji. Uz to, u navedenim preporukama proizvođača se može ponekad naići i na dodatne zahteve. Oni se mogu odnositi na ispunjavanje međunarodnih ili nacionalnih normi traženog kvaliteta, pa i normi proizvođača konkretnog motora. Ovlaštenim serviserima se često sugerišu službene odobrene liste komercijalnih motornih ulja, kako u garantnom roku, tako i posle njega. Nisu retki slučajevi da proizvođač motora za svoj isti proizvod koji se koristi u različitim uslovima preporučuje motorna ulja različita po viskozitetu ili po nivou kvaliteta. 11.5.2.3. Izbor ulja dvotaktnih motora U dvotaktnim motorima vrlo često nema posebnog uređaja za podmazivanje tako da se ležajevi kolenastog vratila, klipnjača i klipova u cilindru podmazuju uljem koje se dodaje pogonskom gorivu.
164
Mešavina benzina i ulja za podmazivanje, početne koncentracije 1 do 2%, ulaskom u prostor motora na zagrejanim delovima postupno “gubi” benzinske komponente (niže ugljovodonike) njihovim brzim isparavanjem. Koncentracija uljnih komponenata (viših ugljovodonika) povećava se tako da se podmazivanje potrebnih delova motora praktično obavlja čistim uljem. Pri izboru tih ulja mora se znati da unešeno ulje na kraju ipak potpuno izgori, pa je bitno da pritom ostane što manje taloga na vitalnim komponentama motora (gornja površina klipa, glava motora, zidovi cilindra, svećice). 11.5.2.4. Potrošnja motornog ulja Pod potrošnjom motornog ulja podrazumeva se količina ulja koja se doliva između dve izmene. Obično se meri i izražava kao potrošnja koja je morala biti nadoknađena nadolivanjem ulja tokom 1 000 km pređenog puta. Svaki motor SUS troši ulje. Ako između dve izmjene ulja u fabrički propisanom intervalu količina nepotroše nog ulja ne padne ispod minimalno dopuštenog nivoa, kaže se da motor “ne troši ulje”. Zbog izuzetnog uticaja na trajnost motora, minimalno dopušteni nivo ulja se nadzire. Kod starijih automobila to je bilo prepušteno vozaču i njegovim povremenim proverama (ugrađenim mehaničkim meračem na kom su bile označene vrednosti maksimalnog i minimalnog nivoa ulja), Slika 11.7.
Slika 11.7: Neka česta rešenja mernog dela šipke za proveru nivoa ulja u motoru Uređaji za podmazivanje u savremenim automobilima imaju ugrađene uređaje sa senzorima koji generalno nadziru količinu ulja u motoru, a pre svakog pokretanja motora o tom podatku informišu vozača, Slika 11.8.
Slika 11.8: Prikaz informacije na vozačkoj tabli o ispravnom nivou ulja u motoru savremenog automobila 165
Dođe li tokom vožnje do pada količine ulja u uređaju za podmazivanje ispod nivoa koji garantuje ispravan rad motora, o tome se upozorava vozač određenim signalom (obično i zvučno i svetlosno). Koliko će se u motoru potrošiti ulja za podmazivanje između dve zamene, zavisi od: konstrukcije motora, kvaliteta izrade motora, uslova eksploatacije automobila – motora (odabrani način vožnje, klimatski uslovi, vrsta i stanje puta...) trenutno stanje motora, kvaliteta motornog ulja, intervala izmene ulja.
11.6. ULJA ZA ZUPČASTE PRENOSNIKE MOTORNIH VOZILA Ulja za zupčaste prenosnike motornih vozila, koja se često nazivaju i transmisionim uljima, su složeni rastvori uljnih osnova mineralnog porekla i određenih dodataka – aditiva. Služe za podmazivanje zupčanika i drugih sastavnih delova prenosnika snage, transmisionih sklopova motornih vozila i sličnih mašina. Osnovni im je zadatak zaštita površina od prekomernog trenja i neželjenog trošenja, posebno u uslovima graničnog i mešovitog trenja, redovnih pojava kod frikcionih sklopova prenosnika snage. Postoji čitav niz različitih konstrukcionih varijanti elemenata transmisije. Spojnice mogu biti: mehaničke i hidraulične, dok menjači stepena prenosa pritom mogu biti:
sinhronizovani i nesinhronizovani, kao i ručni ili automatski.
Glavni prenosnici i razvodnici pogona mogu biti sa različitim zupčaničkim varijantama sa: cilindričnim ili koničnim zupčanicima sa o spiralnim i o hipoidnim ozubljenjem ili kao pužni prenos. Menjači, glavni prenosnici pogonskog mosta, diferencijali i bočni prenosnici obično se podmazuju transmisionim uljem. Postoje i menjači koji se mogu podmazivati i motornim uljima. Izbor ulja zavisi od konstrukcionih i radnih uslova. Uslovi rada transmisionih ulja definisani su uslovima rada zupčanika u pogonskim mostovima motornih vozila, a opšti fizički parametri obično se svode na: temperature sredstava za podmazivanje (ulja), 166
temperature uljnog sloja, specifično opterećenje u dodiru prenosnih mašinskih elemenata koji se podmazuju, brzinu klizanja. Temperatura sredstva za podmazivanje zavisi od temperature okoline i ostalih radnih uslova. Pritom se razlikuju: minimalna, maksimalna i radna temperatura. Minimalna temperatura određena je očekivanim ekstremnim temperaturama okoline, maksimalna očekivanim ekstremnim temperaturama okoline i predvidivim radnim opterećenjima, a radna temperatura je ona temperatura kod koje podmazivani delovi rade u stabilizovanim uslovima. Minimalna temperatura u Srbiji ponekad se spušta i ispod -25°C, maksimalna temperatura u nekim radnim situacijama može biti i preko 140°C, dok je radna temperatura ulja u pogonskom mostu obično između 25oC i 40°C. U menjačima stepena prenosa radna temperatura, zbog blizine motora SUS, može biti nešto viša. Temperatura uljnog sloja zavisi od lokalnog opterećenja i brzine klizanja, a u nekim slučajevima se može, na vrlo uskom području, popeti i do 500°C. Specifično opterećenje zavisno je od konstrukcionih svojstava podmazivanih detalja i uslova kontakta koji se podmazuje. Danas se najopterećeniji delovi automobilskih prenosnika snage izrađuju od tako kvalitetnih materijala da uljni film tako opterećenih zubaca zupčanika može biti izložen opterećenju koje u nekim fazama rada dostiže povremena opterećenja u menjačima do 3 GPa, a u pogonskim mostovima sa diferencijalima i do 4 GPa. Ispitivanjima radnih parametara najopterećenijih automobilskih prenosnika snage utvrđeno je da su brzine klizanja između zupčanika u menjaču stepena prenosa do 3 m/s, a u diferencijalima i do 10 m/s. Poređenjem opterećenja i brzine klizanja automobilskih menjača stepena prenosa i pogonskih mostova dolazi se do važnog zaključka – transmisiono ulje koje zadovoljava svoju funkciju u pogonskom mostu sigurno će zadovoljiti i u menjaču. Da bi neko transmisiono ulje kvalitetom zadovoljilo postojeće norme i specifikacije proizvođača automobila, mora ispuniti neke opšte zahteve: 1. Sposobnost podnošenja opterećenja kod svih očekivanih radnih uslova. Uljni sloj mora podjednako dobro da podnosi radno opterećenje u slučaju velikih brzina i prenosa manjih obrtnih momenata (privatni automobili) kao i manjih brzina i prenosa velikih obrtnih momenata (privredna vozila). Pritom se neophodna pažnja obraća na vrstu primenjenog zupčaničkog prenosa. Poznato je da opterećenja posebno rastu kod hipoidnih zupčanika, pa se ulja za podmazivanje takvih prenosnika snage često nazivaju hipoidnim uljima. 2. Svojstvo sa posebno izraženom sposobnošću sprečavanja habanja i ”zaribavanja”. Uljni sloj mora podjednako dobro u svim uslovima podmazivati frikcione površine smanjujući trenje, sprečavajući habanje i nastanak pojave oštećenja bokova zubaca zupčanika u svim uslovima različitih tipova podmazivanja (graničnog, mešovitog i potpunog). 167
3. Svojstvo stabilnosti. Sva bitna svojstva primenjenog konkretnog ulja moraju tokom upotrebe ostati nepromenjena. 4. Sposobnost zaštite od korozije i rđanja. Ulje mora biti neagresivno i mora štititi zupčanike, ležajeve i kućišta od korozije i rđanja izazvanog kontaktom sa vazduhom i vlagom zbog nepotpunog zaptivanja. Postiže se dodavanjem aditiva, inhibitora korozije kao i pravilnim izborom odgovarajućeg ulja i njegovom pravovremenom zamenom. 5. Bez štetnog delovanja na zaptivke. Ulje mora biti neagresivno prema materijalima od kojih su izrađene zaptivke. 6. Sposobnost prigušenja buke i vibracija. Dodavanjem posebnih aditiva osigurava se smanjenje buke, vibracija i ublažava se delovanje udarnih opterećenja. 7. Svojstvo nepenušanja. Ulja ne smiju da pene jer pojava penušanja smanjuje kvalitet podmazivanja. Osigurava se posebnim aditivima – depresantima pene. 8. Svojstvo hlađenja i čišćenja. Od ulja se zahteva sposobnost odvođenja toplote kao i odstranjivanje produkata trošenja i starenja. Slično motornim uljima, najstarije podele transmisionih ulja obavili su Američko društvo automobilskih inženjera SAE i Američki naftni institut API. Klasifikacija ulja za zupčaste prenosnike po viskozitetu sistema, tzv. SAE klasifikacija, predstavlja najrašireniji sistem klasifikacije transmisionih ulja u automobilskoj industriji i saobraćaju. Klasifikacija transmisionih ulja prema njihovom viskozitetu definisana je normom SAE J 306, 1998. Slično klasifikaciji motornih i kod transmisionih ulja uspostavljene su dve serije viskoznih klasifikacija: sa oznakom ”W” i bez te oznake. Ulja sa oznakom ”W” predstavljaju monogradna transmisiona ulja za zimske uslove rada. Zimska transmisiona ulja (SAE 70W, SAE 80W i SAE 85W) moraju osigurati dovoljno nizak viskozitet na niskim temperaturama da se na početku prenosa snage kroz određeni sklop transmisije ne troši previše snage na savladavanje unutrašnjih gubitaka zbog previskoznog ulja. Zato se tim uljima propisuje najveći dinamički viskozitet kod niskih temperatura. Ovo merenje normirano je prema ASTM D 2983. Ali, kada prenosnik snage dođe na normalnu radnu temperaturu, i dolazi do pada viskoziteta zbog zagevanja, mora mu se osigurati dovoljno efikasno podmazivanje, što se rešava propisivanjem minimalnog kinematičkog viskoziteta (mm2/s) na 100oC.
168
Ulja bez oznake ”W” predstavljaju monogradna transmisiona ulja za letnje uslove rada. Letnja transmisiona ulja (SAE 90, SAE 140 i SAE 250) moraju osigurati dovoljan viskozitet za korišćenje pri visokim spoljašnjim temperaturama. Propisana je najmanja i najveća vrednost viskoziteta na 100oC, a koja se meri u skladu sa uslovima propisanim normom ASTM D 445. Kombinovanjem dve viskozne gradacije, letnje i zimske, dobijaju se multigradna transmisiona ulja koja zadovoljavaju kako letnje tako i zimske uslove rada. Multigradna transmisiona ulja koriste se tokom cele godine, tako da nije potrebna zamena ulja u jesen ili u proleće. Radi osiguranja tog svojstva, baznim uljima se dodaju polimerni aditivi od kojih je najvažniji modifikator indeksa viskoziteta. Koliko god klasifikacija motornih i transmisionih ulja izgledala slično, neophodno je napomenuti da ne postoji direktan odnos između SAE klasifikacije za motorna i transmisiona ulja. Transmisiona ulja i ulja za motore koja imaju isti deklarisani viskozitet, imaju različitu SAE gradaciju, što se vidi iz njihovih SAE klasifikacija. Ponovo je bitno je da ni ovaj sistem klasifikacije nije konačan, da je otvoren za često periodično proširivanje u skladu sa novim tehnološkim zahtevima sve izloženijih zupčaničkih prenosnika, ali i sve većim tehnološkim mogućnostima petrohemijske industrije.
11.7. INDUSTRIJSKA ULJA Mašinska tehnika se, u najširem značenju te reči, sastoji od velikog broja različitih sklopova sa pokretnim delovima koji su u stalnom međusobnom dodiru. Tehničko-tehnološki razvoj u tom području vodi ka stalnom usložnjavanju i povećanju kompaktnosti industrijske opreme. Radni uslovi su sve oštriji, rastu opterećenja i temperature, a istovremeno se zahtevaju sve duži međuremontni resursi bez prekida i zastoja u radu. U kontaktnim mestima međusobno pokretnih delova javljaju se sve veći otpori koji dovode do habanja, trošenja, pa i oštećenja dodirnih površina, a u težim slučajevima i do havarije sklopova i otkazivanja rada cele mašine, uređaja. Industrijska maziva koja se pritom koriste sastavni su deo svakog mašinskog sklopa. Važnost maziva ogleda se u činjenici da je ono, uz dva čvrsta elementa u dodiru, treći element svih tribomehaničkih sistema koji se dele na: tribomehaničke sisteme u kojima se ostvaruju procesi obrade (rezanje, deformacije), tribomehaničke sisteme u kojima se vode elementi transportinih sistema (vođice), tribomehaničke sisteme u kojima se prenosi snaga i kretanje (zupčanički prenosi, lančani prenosnici, hidraulički prenosnici). Savremenim postupcima u proizvodnji, odnosno u tehnologiji mazivih sredstava (na bazi mineralnih ulja, sintetičkih sredstava i mazivih masti) dobijena su kvalitetna maziva koja u potpunosti mogu zadovoljiti sve, pa i najteže radne uslove savremene industrijske tehnike. Na tržištu postoji veliki broj različitih vrsta industrijskih ulja. Njihova zastupljenost nije ravnomerna i vrlo je zavisna od razvijenosti i strukture prvrede. Prema podacima o zastupljenosti pojedinih vrsta industrijskih ulja na evropskom tržištu, najviše se troše hidraulična ulja koja čine oko polovine svih ostalih industrijskih ulja. Klasifikacija industrijskih ulja prema području primene data je međunarodnom klasifikacijom u normi ISO 6743/99, kako se vidi u Tabeli 11.2.
169
Tabela 11: Klasifikacija industrijskih ulja prema području primene ISO oznaka Vrsta maziva prema području primene ISO L-A ulja za protočno podmazivanje ISO L-S ulja za premazivanje kalupa ISO L-C ulja za zupčaste prenosnike ISO L-D ulja za kompresore ISO L-E ulja za motore SUS ISO L-F ulja za cirkulacione sisteme ISO L-G ulja za klizne staze ISO L-H ulja za hidraulične sisteme ISO L-N ulja za električne instalacije ISO L-M ulja i tečnosti za obradu metala ISO L-P ulja za pneumatske alate ISO L-Q ulja za prenos toplote ISO L-R ulja i sredstva za zaštitu od korozije ISO L-T ulja za turbine ISO L-U ulja za termičku obradu metala ISO L-Y ulja za ostale primene ISO L-Z cilindarska ulja za parne mašine
Osim klasifikovanja ulja prema području primene, industrijska ulja su klasifikovana i prema viskozitetu, prema ISO 3448 (Tabela 11.3). Industrijska ulja podeljena su u 18 gradacija – ISO stepena viskoznosti (ISO VG – ISO Viscosity Grade), kako se vidi u Tabeli 11.3., i to: od 1,98 mm2/s
do 1650 mm2/s,
od kojih je svaka definisana posebnim brojem. Taj broj, odnosno stepen viskoziteta, približno odgovara prosečnoj vrednosti viskoziteta dotične gradacije. Ta se klasifikacija ne koristi za ulja sa posebnom namenom kod kojih viskozitet nije dominantno svojstvo (na primer ulja za rezne alate). Kvalitet maziva određuje se zahtevima mnogih nacionalnih i međunarodnih normi (ISO, DIN, API, AFNOR, GOST) i zahtevima proizvođača opreme (Vickers, AGMA, US Steel, Poclain itd.), a opisana je velikim brojem različitih fizičko-hemijskih, triboloških i funkcionalnih parametara. Razvoj visokokvalitetnog maziva zahteva složena, dugotrajna istraživanja, kao i ispitivanja tokom njihove primene – u neposrednoj upotrebi. U katalozima se daju samo tipični, opšti tehnički podaci o pojedinim mazivima, sa opštim uputstvima za njihovu upotrebu. Tabela 11.3: Klasifikacija industrijskih ulja prema viskozitetu Kinematički viskozitet na 40°C (mm2/s) ISO stepen Najmanje Najviše Srednja vrednost viskoziteta 2 1,98 2,42 2,2 3 2,88 3,52 3,2 5 4,14 5,06 4,6 7 6,12 7,48 6,8 170
10 15 22 32 46 68 100 150 220 320 460 680 1000 1500
9 13,5 19,8 28,8 41,4 61,2 90 135 198 288 414 612 900 1350
11 16,5 2,42 3,52 5,06 7,48 110 165 242 352 506 748 1100 1650
10 15 22 32 46 68 100 150 220 320 460 680 1000 1500
11.8. MAZIVE MASTI Mazive masti su polučvrsta ili čvrsta maziva koja se dobijaju dispergovanjem pogodnog uguščivača u bazno ulje (mineralno ili sintetičko). Savremene mazive masti se danas proizvode tako da uopšteno imaju visok kvalitet koji uključuje veliku stabilnost – zbog očekivanih dugih intervala zamene i dodavanja. Od kvalitetne mazive masti očekuje se da pri upotrebi: podmazuje ležaj, stvori postojan mazivi sloj i tako dugoročno smanji trenje i habanje (trošenje) podmazivanih delova, osigura efikasnu zaštitu od korozije i osigura očekivano zaptivanje. Mazive masti primenjuju se zato što mogu zadržati svoju poziciju unutar mašinskog dela tako da mogu obavljati funkciju zaptivanja kako bi se sprečio gubitak maziva ili prodor nečistoća, odnosno u sledećim slučajevima: kada nije moguće protočno (cirkulaciono) podmazivanje uljima, kada treba sprečiti prodor prašine i vode u sistem podmazivanja (kao kod automobila), kod velikih specifičnih opterećenja i malih brojeva obrtaja podmazivanih delova (mašine sa čestim zastojima), kod očekivanih povišenih radnih temperatura – iznad 90°C (363 K) ili kada postoji mogućnost isticanja ulja iz sistema podmazivanja. U obavljanju kompleksne funkcije podmazivanja, njihovim nedostatkom se može smatrati: nemogućnost ispunjavanja funkcije hlađenja zbog svoje nepokretljivosti i nemogućnost uklanjanja dospelih čestica nečistoće ili nastalih čestica habanja iz zone podmazivanja. Kao uguščivači primenjuju se: neki sapuni različitih metala, sintetski uguščivači ili 171
razne neorganske supstance. Jednaka se pažnja zahteva kod osnovnog (početnog) punjenja ležaja mašću, kao i pri ponovnom podmazivanju ležaja. Količina ugrađene mazive masti treba da bude dobro procenjena jer prepunjeni ležaj (ili kućište) može dovesti do pregrevanja kod viših brzina, zatim do penušanja maziva koje konačno može i da iscuri. Prema mogućnostima primene, masti se mogu podeliti na: višenamenske, normalne ležajne i specijalne mazive. Više radne temperature svakako skraćuju vek trajanja masti. Radna temperatura i viskozitet ulja od kojih su načinjene mazive masti su od presudne važnosti za njihovu pravilnu primenu. Prema prikladnosti za rad na određenoj temperature, mazive masti mogu se podeliti na: niskotemperaturne (-60°C do 120°C), normalne (-25°C do 120°C) i visokotemperaturne (-25°C do 250°C i više). Prema vrsti baznog ulja, mazive masti mogu se podeliti na: mineralne mazive masti, sintetičke mazive masti i biorazgradive (biološki brzo razgradive mazive masti koje zbog delovanja prirodnih mikroorganizama u kontaktu sa okolinom uzrokuju minimum štetnog delovanja). Uguščivači se dodaju u granicama od 5 do 15%, a njihov udeo utiče na konzistenciju masti. Vrlo se često dodaje neki iz širokog spektra aditiva, aktivnih supstanci sa ciljem poboljšanja posebnih svojstava, pa i neka čvrsta maziva, kao grafit ili molibdensulfid. Prema vrsti uguščivača, mazive masti mogu se podeliti na: sapunske mazive masti i nesapunske mazive masti. Od svih danas proizvedenih mazivih masti 95% je na bazi mineralnih ulja i sa sapunskim uguščivačem. Ostalih 5% su sintetičke masti ili sa nekim nesapunskim uguščivačem. Sapunske mazive masti dele se na:
kalcijumske, litijumske, aluminijumske, natrijumske, barijumske i kompleksne.
Kalcijumske mazive masti su homogene disperzije kalcijumskih sapuna viših masnih kiselina u mineralnom ulju odgovarajućeg viskoziteta. Vrlo često sadrže i aditive za poboljšanje prijanjanja za metalne površine. Uglavnom se koriste za podmazivanje kliznih ležajeva, a odlikuje ih visoka otpornost na vodu. Dobro podnose temperature između -20°C i 65°C, a kratkotrajno i do 80°C. Kalcijumska mast sa dodatkom grafita za poboljšanje svojstava 172
podmazivanja se u praksi često naziva “grafitnom mašću”. Zadnjih godina kalcijumske masti se sve manje proizvode i koriste jer su ih u primeni potisnule litijumske. Litijumske mazive masti su homogene disperzije litijumskih sapuna viših masnih kiselina u selektivno rafinisanom mineralnom ulju odgovarajućeg viskoziteta. Uglavnom se primenjuju i koriste četiri vrste litijumskih mazivih masti:
višenamenske litijumske mazive masti, litijumske mazive masti za visoke pritiske, litijumske mazive masti sa dodatkom molibdensulfida i specijalne litijumske mazive masti.
Danas se najviše proizvode i primenjuju višenamenske litijumske meke masti (NLGI 2, prema Tabeli 11.3.) koje se primenjuju za podmazivanje delova na temperaturama od -25°C do +120°C. Statistički podaci pokazuju da njima pripada oko 50% svetske proizvodnje svih mazivih masti. Mazive masti mogu se podeliti i prema nameni na masti za:
klizne ležajeve, kotrljajne ležajeve, glavčina točka, homokinetičke zglobove i za zupčaste prenosnike.
Postoji i podela prema industrijskoj grani u kojoj se koriste, i to na masti:
za automobilsku industriju, za železnicu, za građevinsku i rudarsku mehanizaciju, za prehrambenu industriju, za valjaonice, za vazduhoplovstvo itd.
U zavisnosti od sposobnosti podnošenja opterećenja, mazive masti se mogu podeliti na: normalne mazive masti i masti za ekstremne pritiske.
11.8.1. NLGI klasifikacija masti prema konzistenciji Najčešće korišćena klasifikacija konzistencije mazivih masti je ustanovljena u Nacionalnom institutu za mazive masti (National Lubricating Grease Institute) u SAD-u. NLGI klasifikacija se zasniva samo na tvrdoći ili mekoći, odnosno konzistenciji masti. Nijedno drugo svojstvo mazive masti nije uzeto u obzir. Pojednostavljeno rečeno, konzistencija predstavlja tvrdoću masti. Meri se penetracijom normiranog konusa, odnosno dubinom njegovog prodora pod delovanjem propisanog opterećenja u pripremljeni uzorak masti pri 25°C. Izražava se u desetim delovima milimetra penetracije. Uzorak se priprema u posebnoj posudi, najčešće gnječenjem. Normirani uređaj za ispitivanje penetracije masti prikazan je na Slici 11.9.
173
Slika 11.9: Uređaj za ispitivanje konzistencije masti Klasifikacija definiše, kako je prikazano u Tabeli 11.4., osam područja konzistencije masti sa oznakama gradacije od 000 do 6, u zavisnosti od veličine penetracije normiranog konusa.
174
Konzistencija vrlo tečna tečna polutečna vrlo meka
Tabela 11.4: NLGI klasifikacija masti Penetracija NLGI gradacija normiranog konusa (0,1 mm) 000 445 do 475 00 400 do 430 0 355 do 385 1 310 do 340
meka
2
265 do 295
polutvrda
3
220 do 250
tvrda
4
175 do 205
vrlo tvrda
5
130 do 160
izuzetno tvrda
6
85 do 115
Namena zatvoreni zupčanici i centralni sistemi podmazivanja centralni sistemi podmazivanja i kotrljajni i klizni ležajevi kotrljajni i klizni ležajevi kotrljajni i klizni ležajevi i vodene crpke klizne vođice za porinuće brodova i sporohodni klizni ležajevi
11.8.2. Upotreba mazivih masti Proizvođači motornih vozila propisuju tokom garantnog roka kao obavezu svojim postprodajnim službama i najčešće preporučuju, posle garantnog roka, vlasnicima svojih proizvoda primenu mazivih masti NLGI 2, i to litijumske, tzv. univerzalne mazive masti sa dodatkom molibdensulfida. Za neke specifičnije radne uslove sugeriše se upotreba određenih specijalnih litijumskih masti. Tehnološkim napretkom u većini industrijskih grana, posebno u automobilskoj industriji, razvijene su specijalne mazive masti za “long life” – doživotno podmazivanje. To znači da se neki ležaj fabrički napuni mašću što mu omogućuje potpuno podmazivanje tokom njegovog celokupnog radnog veka. Proizvođači savremenih automobila ugrađuju mazive masti koje traju dok traje podmazivani sklop, a često i dok traje i motorno vozilo, tako da tokom eksploatacije nema potrebe za naknadnim podmazivanjima pri redovnom servisiranju. Izuzetna širina radnih uslova u kojima funkcionišu mašinski elementi, sklopovi i uređaji koje treba podmazivati, kao i raznovrsnost realizovanih konstrukcionih rešenja, uticali su na proizvodnju veoma velikog broja različitih specijalnih mazivih masti. Njihova primena je specifična, precizno određena i zavisi od radnih uslova u kojima konkretan ležaj ostvaruje svoj zadatak, dakle od: brzine obrtaja, odnosno od relativne brzine pokretnih detalja u dodiru, veličine ležaja, konstrukcije izrade, pristupačnosti za naknadne radove održavanja, 175
prirode opterećenja (promenjivost, vibracije, udari), radne temperature i agresivnosti okruženja (vlaga, voda, razne hemikalije, prašina). Pri naknadnom podmazivanju treba voditi računa o mešanju mazivih masti. Da bi se naknadno podmazao ležaj u kom su zatečeni ostaci prethodnih podmazivanja, treba znati da se smeju mešati isključivo masti iste osnove baznog ulja i uguščivača. Nije preporučljivo, a može biti i štetno mešati različite masti, na primer kalcijumsku i litijumsku mast. Intervale zamene mazive masti preporučuje svaki dobar proizvođač ležaja, sklopa, uređaja ili opreme, i ove intervale treba poštovati.
176
XII Postupanje sa mazivima Postupanje sa mazivima moguće je posmatrati u tri prirodne faze njihove primene: pre, tokom i posle njihove upotrebe. Postupanje sa mazivima pre upotrebe obuhvata transport i njihovo skladištenje, ali ponekad i eventualno neka ispitivanja u cilju dijagnostifikovanja stanja maziva radi njegove provere. Tokom upotrebe uglavnom se proverava stanje sredstava za podmazivanje. Nakon upotrebe najvažnijim se smatraju aktivnosti koje se odnose na odlaganje korišćenog maziva kao i moguću regeneraciju.
12.1. TRANSPORT I SKLADIŠTENJE MAZIVA Tokom transporta i skladištenja maziva trebaju da budu ispunjena najmanje dva osnovna zahteva: osiguranje uslova koji omogućuju održavanje nepromenjenog kvaliteta maziva, kao i osiguranje svih zahteva zaštite okoline. Velike količine mazivih ulja se skladište u rezervoarima od čeličnog lima uz koje moraju biti bazeni sposobni za prihvat čitavog sadržaja rezervoara u slučaju njegove havarije radi sprečavanje prodora ulja u okolinu. Za transportovanje većih količina mazivih ulja unutar skladišta i na mestima upotrebe služe cevovodi sa zupčastim ili navojnim pumpama. Ako je potrebno transportovati viskoznija ulja, instalacija se generalno oprema i uređajima za zagrevanje (najčešće na 60°C, ponekad i na 100°C), čime se ceo postupak transporta može bitno olakšati. Na veće udaljenosti veće količine mazivih ulja se transportuju železničkim i automobilskim cisternama, a preko mora tankerima. Manje količine mazivih ulja i mazive masti transportuju se u normiranim bačvama (200 l) ili u posudama različitih zapremina. Bačve sa mazivima ne smeju biti izložene mogućnosti prodora vode u unutrašnjost. Taj neželjeni proces može biti posledica tzv. “disanja” zbog temperaturnih promena okoline. Zato se na otvorenom prostoru bačve ne smeju slagati uspravljeno. Položeni položaj bačvi osigurava da sadržaj bačve prekrije ulazni otvor. Natkrivena skladišta znatno olakšavaju očuvanje željenog kvaliteta i manju izloženost uskladištenog maziva delovanju sunca i svih atmosferskih pojava. Mineralna maziva nisu toksična, ali mogu delovati nadražujuće na ljudsku kožu, sluznicu i posebno oči. Pri upotrebi maziva i srodnih proizvoda korisnik se mora pridržavati sledećih higijenskih zaštitnih mera da bi se izbegla opasnost po zdravlje: izbegavati direktan dodir sa mazivima, naročito kože i očiju, obavezno koristiti zaštitne rukavice i zaštitno odelo, koristiti zaštitne naočare ili štitnike za oči, ako postoji opasnost od prskanja, 177
nositi sredstva zaštite disajnih puteva, ako je to propisano, ne nositi odeću natopljenu uljem, ne stavljati zauljeni alat ili krpe u džepove, naročito ne u džepove pantalona, ne koristiti prljave krpe za brisanje ulja sa kože, jer metalne čestice na krpama mogu ozlediti kožu, pa to može dovesti do infekcije, sa mašine ukloniti metalne čestice i brusni mulj, redovno prati ruke sapunom ili neškodljivim sredstvima za skidanje maziva sa kože pre jela, pre i posle korišćenja WC-a, posle rada, a posle pranja kožu namazati zaštitnom hranjivom kremom, ne sme se koristiti rastvarač (petrolej, benzin, razređivač, itd.) za pranje ruku, treba preduzeti mere da koncentracija uljne magle u vazduhu ne pređe 5 mg/m3.
Neki aditivi i sintetička maziva mogu biti, već prema svom hemijskom sastavu, više ili manje štetna po zdravlje. Njihovo razlivanje može štetno delovati na zemljište i podzemne vode. Kada dospeju do vode, delom se zadržavaju na njoj kao lakši površinski sloj, a manjim delom se rastvaraju. U prisustvu kiseonika neki mikroorganizmi mogu delovati razgrađujuće na mineralna maziva, ali taj proces je kod kvalitetnih maziva neprihvatljivo spor. U nekim situacijama treba voditi brigu i o opasnosti od požara. Maziva koji imaju tačku paljenja do 100°C smatraju se zapaljivim tečnostima i moraju se skladištiti u skladu sa zakonskim propisima. U slučaju požara, prikladna sredstva za gašenje su pena, suvi prah i CO2 koji se koristi za gašenje samo u zatvorenim prostorima. Ne sme se koristiti vodeni mlaz jer se njime požar može proširiti. Manji požari mogu se gasiti peskom ili zemljom ako nema drugog prikladnog sredstva. U prostoru skladišta nije dopušten rad sa otvorenim plamenom i moraju biti istaknuta upozorenja u vezi s opasnosti od požara.
12.2. DIJAGNOSTIKA STANJA MAZIVA Kontaminacijom se naziva proces prodora onih materija u mazivo koje ga mogu degradirati, odnosno narušiti njegova očekivana svojstva. Postoje brojne mogućnosti tokom čuvanja ulja pre ili tokom upotrebe za njegovu kontaminaciju, a time i za narušavanje njegovih očekivanih svojstava. Kontaminacija i degradacija ulja ne mogu se potpuno sprečiti, ali se mogu znatno usporiti, što je veoma važno i za ulje i za mašinu koja se podmazuje. Brzina i stepen degradacije ulja proporcionalni su brzini i stepenu kontaminacije. Zbog toga je važno sprečiti brzu kontaminaciju (onečišćenje) ulja pre i tokom njegove upotrebe. Spektar onečišćenja ulja dosta je širok. Svaki zagađivač utiče na sebi svojstven destruktivan način na ulje umanjujući mu fizičko-hemijska i radna svojstva. Konačna posledica tog neželjenog procesa je skraćenje veka trajanja ulja, a zatim i podmazivanog sklopa, uređaja, mašine.
12.2.1. Kontaminacija maziva pre upotrebe Na putu od proizvođača do korisnika ulja postoji niz mogućnosti za njegovo onečišćenje i degradaciju, nekada i do stepena neupotrebljivosti. U istim železničkim i autocisternama se 178
prevoze i goriva i maziva. Često se događa da se prethodno transportovana roba ne istovari u potpunosti, pa će njome biti kontaminirana sledeća. Nije redak slučaj da u cisterni zaostane i izvesna količina vode posle pranja koja vrlo destruktivno utiče na ulje. Mogući zagađivači mogu dakle biti:
benzin, dizel gorivo, neka druga ulja, prašina, voda ili druge atmosterske materije.
Preventivne mere su stručna i redovna kontrola čistoće cisterne pre utovara i obavezna kontrola kvaliteta ulja pre istovara, što se odnosi, pre svega, na najjednostavnije provere svojstava kao što su:
izgled, boja, miris, gustina, sadržaj vode, tačka paljenja i viskozitet.
Prilikom pretakanja ulja iz cisterne u skladište kupca, postoji mogućnost za kontaminaciju ulja eventualno nečistom opremom za pretakanje. Tokom skladištenja, ako je prečistač na ventilu rezervoara oštećen, kroz njega može ući prašina, pesak ili slični abrazivni materijali. Zbog toga se prečistač mora često proveravati i po potrebi menjati. U skladišnim rezervoarima, u njihovom nepopunjenom prostoru, uvek je u vazduhu prisutna i vlaga. Sa padom temperature vlaga se kondenzuje, sliva se niz zidove i sakuplja se na dnu rezervoara. U kontaktu sa uljem kondenzovana voda može lako i brzo da degradira ulje i da ga učini neupotrebljivim i pre upotrebe. Preventivnu meru predstavlja ugradnja grejača i održavanje temperature ulja na oko 40°C. Na toj temperaturi vlaga se ne kondenzuje. Međutim, i uz takav uređaj, količinu vode u rezervoarima treba redovno kontrolisati i po potrebi drenirati rezervoare. Prilikom istakanja ulja iz bačava u kante ili druge posude, koje su ponekad sumnjive čistoće, može doći do kontaminacije različitim sredstvima. Takve posude (kao primitivan način raznošenja ulja po radionici ili pogonima) treba zameniti savremenim uređajima ili obavezno proveravati njihovu čistoću.
12.2.2. Kontaminacija maziva tokom upotrebe Tokom upotrebe menjaju se tribološka svojstva svih elemenata tribomehaničkog sistema. Čvrsti elementi trpe fizičke, a mazivo i fizičke i hemijske promene. Brzina degradacionog procesa i promena na svim elementima podmazivanog uređaja (mašine) zavisi od ukupnih uslova pod kojima se odvijaju tribološki procesi u tribomehaničkom sistemu. Budući da su 179
trenje i habanje dva glavna tribološka procesa svih elemenata tribomehaničkog uređaja (i maziva) uslovljena istim okolnostima, postoji i može se utvrditi funkcionalna povezanost između njih i uslova rada. To je činjenica na kojoj se zasniva dijagnostifikovanje stanja maziva tokom uptorebe. Habanje čvrstih elemenata podmazivane mašine je spor proces i nije ga jednostavno pratiti jer nije jednostavno često zaustavljati mašinu i rastavljati je samo radi merenja i provere pohabanosti. U mašinstvu je poznata metoda dijagnostike pohabanosti zupčaničkih prenosnika snage bez njihovog rasklapanja i provera stanja delova upravo putem utvrđivanja stanja ulja kojim se podmazuju ispitivani mehanički uređaji. Ispitivanje promena ulja mnogo je jednostavnije. Potrebno je samo pronaći korelaciju između promena pojedinih parametara elemenata tribološkog sistema, dakle mehaničkih komponenata i stanja ulja. Do takvih se zakonitosti o povezanosti i zavisnosti relevantnih parametara može doći posmatranjem (eksperimentisanjem) određenog karakterističnog uređaja. Tokom upotrebe ulja menjaju se hemijski sastav i svojstva baznog ulja, hemijski sastav i svojstva aditiva, a to znači i hemijski sastav mazivog ulja u celini, kao posledica kontaminacije i degradacije. Za proveru promene svojstava sredstva za podmazivanje neophodno je imati primereno opremljenu laboratoriju i kompetentne izvršioce tog stručnog posla. Najvažniji zagađivači ulja su:
degradacione materije baznog ulja, degradacione materije aditiva, čestice metala koje nastaju zbog procesa habanja podmazivanog uređaja, čvrste čestice koje u ulje dospevaju iz okoline, voda i posebno kod motora SUS – produkti sagorevanja goriva.
Vrsta, svojstva i poreklo zagađivača mogu ukazati na prirodu i stepen promena delova, mašin ili uređaja koji se podmazuju: Na primer, sitni opiljci metala ukazuju na njihovo habanje, dok zrnca različite veličine ukazuju na proces zamora materijala.
12.2.3. Utvrđivanje stepena degradacije maziva Za utvrđivanje stepena degradacije maziva koriste se različite dijagnostičke metode. Najpouzdanije rezultate daju metode koje se zasnivaju na laboratorijskim analizama maziva. Postoje i (manje pouzdane) metode koje se mogu izvoditi van laboratorija. Promene stanja maziva tokom upotrebe mogu se ustanoviti različitim ispitivanjima, kao što su:
provera razređenja ulja gorivom, ispitivanje količine taloga u ulju, ispitivanje hemijskih promena u mazivu koje su nastale zbog oksidacije ili korozije, ispitivanje stepena istrošenosti različitih metalnih delova itd.
U dijagnozi degadacije ulja za podmazivanje tokom njegove upotrebe postoji niz metoda za proveru trenutnih svojstava, karakteristika i fizičko-hemijskih parametara. Laboratorijskim analizama može se utvrditi stepen degradacije maziva i na osnovu toga doneti odluka da li je 180
mazivo pogodno za dalju upotrebu ili se mora menjati. Neke metode su normirane, često zahtevaju i propisanu opremu, Slika 12.1, u normiranom postupku do nivoa procedure. Dopuštena odstupanja fizičko-hemijskih karakteristika maziva u upotrebi često se prikazuju u posebnim tabelama koje su prilagođene svrsi, određenim uslovima ili mogućnostima konkretne laboratorije. U slučaju da bar i jedno od normiranih i proveravanih svojstava pređe dopuštene okvire, mazivo se mora zameniti.
Slika 11.1: Izgled jednog uređaja za analizu stepena degradacije ulja Provera nekih svojstava vrlo je jednostavna pa ih je moguće obaviti i van laboratorija. Na primer, takva svojstva su izgled ili miris ulja. Ne postoji propisana metoda za definisanje izgleda korišćenog ulja, ali se dosta zna o tipičnom i netipičnom izgledu. Izgled može ukazivati da je potrebno napraviti neke analize – odrediti sadržaj vode, mehaničkih nečistoća itd. Boja ulja bele kafe prilično pouzdano ukazuje na prisutnost većih količina vode, dok jako tamna boja ukazuje na termooksidacionu degradaciju ulja ili prisutnost čađi. Isto tako, ne postoji normirana metoda za određivanje mirisa. Međutim, ako se oseća jak miris goriva u ulju, zna se da treba kontrolisati uređaj za napajanje, kompresiju, sagorevanje itd. Ako je ulje bilo izloženo visokim radnim temperaturama, pa se dogodila termooksidaciona degradacija, ”težak” miris će ukazati na to. Gustina ulja raste tokom korišćenja. Gustina (kg/m3) je parametar koji se meri na 15oC metodom koja je propisana normom ASTM D 1298, ISO 3675. Rezultat te analize sam za sebe ne daje posebne mogućnosti za procenu stanja – upotrebljivost ulja. Dopuštena promena gustoće je 10%. Porast tačke paljenja ukazuje na proces starenja ili isparavanja lako isparljivih komponenti iz motornog ulja u upotrebi. Tačka paljenja je parametar čije je merenje propisano metodom definisanom normama ASTM D 92, ISO 2512 i DIN 51376. Tom analizom utvrđuje se prisutnost goriva u ulju i može se povezati sa lošim radom uređaja za napajanje gorivom u motoru SUS. Snižavanje tačke paljenja ukazuje na prodor goriva u ulje. Dopušteni pad tačke paljenja je 25%, ali ne bi trebalo tolerisati pad ispod 150oC. Sniženje viskoziteta može biti posledica mešanja sa uljem nižeg viskoziteta ili posledica prisustva goriva. Porast viskoziteta može biti posledica kontaminacije vodom, produktima habanja, prisutnosti čađi, produkata oksidacije, mešanja sa uljem višeg viskoziteta ili kao rezultat isparavanja lakših frakcija. Kinematički viskozitet (mm2/s) se proverava metodom
181
koja je propisana normom u ASTM D 445. Tom normom toleriše se porast viskoziteta za motorna ulja do 30% ili pad do 25%. Analiza indeksa viskoziteta, koji je normiran kroz ASTM D 2270, ISO 2909, može biti važan jedino ako se radi o nepoznatom uzorku korišćenog ulja u nekoj mašini da bi se izvršila identifikacija u smislu provere – da li je ono monogradaciono ili multigradaciono. Količina taloga (%) povećava viskoitet ulja i smanjuje mu disperzionu i deterdžentsku efikasnost, može izazvati začepljenje prečistača ulja i otežava protok, a može remetiti normalan rad klipnih prstena kod motora SUS. Merenje je propisano normom ASTM D 2273, a dopuštena granica taloga za motorna ulja je 1%. Emisionom spektrofotometrijskom analizom određuje se sadržaj različitih metala u mazivu. Čestice metala su abrazivne, a ponašaju se i kao katalizatori oksidacije ulja. U motornim uljima poreklo pronađenih sastojaka može biti:
iz aditiva, od habanja, iz goriva, iz vazduha ili iz tečnosti za hlađenje.
Metali iz aditiva mogu biti cink, kalcijum, barijum ili magnezijum i ukazuju na poodmakao proces potrošnje aditiva. Metali koji potiču od habanja su gvožđe, olovo, bakar, hrom, aluminijum, mangan, srebro, kalaj i ukazuju na povećano habanje delova podmazivane mašine koji su od tih metala izrađeni. Elementi koji potiču iz rashladne tečnosti su natrijum i bor, a povećan sadržaj ukazuje na prodor rashladne tečnosti u sistem podmazivanja. Povećan sadržaj silicijuma ili kalcijuma, koji potiču iz vazduha i okoline (prašina), ukazuje na verovatnu neispravnost prečistača za vazduh. Dopuštene količine elemenata najčešćih metala u korišćenom motornom ulju sa najverovatnijim izvorom prikazane su u Tabeli 12.1. Količine čestica u ulju mogu se odrediti laserskom ili optičkom metodom. Laserska metoda daje količinu, veličinu i distribuciju čestica, dok optička metoda daje i identifikaciju. Često se koristi kombinacija obe metode. Rezultati određivanja količine pojedinih čestica najčešće se izražavaju po međunarodnim normama definisanim vrednostima na ISO skali čistoće, pri čemu se daje broj čestica različite veličine (od 5, 15 i 25 μm) po jednom ml analiziranog ulja. Norma ISO 4406 specifikuje 2 ili 3 opsega veličine čestica, a postoje i drugi načini ispitivanja. Ispitivanje se najčešće koristi za proveru degradacije hidrauličnih ulja, a može se primeniti i za bilo koji drugi fluid gde se zahteva efikasan uređaj za prečišćavanje koji se mora nadgledati. Motori SUS generalno imaju prečistače ulja. Njihovi uređaji za podmazivanje tako su projektovani da dobro podnose visoke nivoe čestica (čađi), pa na motornim uljima nije potrebno raditi takve testove. Degradacija ulja tokom eksploatacije ne može se sprečiti, ali se može usporiti redovnim održavanjem i propisnom upotrebom motora. Period upotrebe ulja u motoru SUS zavisi od kvaliteta ulja, kvaliteta goriva, uslova rada, okoline, starosti i ispravnosti uređaja koji se podmazuje, kao i od mnogih drugih činioca. Brzo zagađenje, a samim tim i brza degradacija ulja, ukazuju na neispravnosti u motoru, odnosno podmazivanom uređaju. Redovnim održavanjem (što se odnosi na ispravnost i čistoću motora, radne temperature, dovod, paljenje i sagorevanje goriva) može se osigurati duži radni vek i ulju i motoru.
182
Tabela 12.1: Dopuštene količine elemenata metala u korišćenom motornom ulju mg/kg Elementi Poreklo (ppm) cilindri, klipovi, ležajevi, zupčanici, podizači ventila, bregasto vratilo, Fe 100 kolenasto vratilo Al 20 klipovi, Al-Sn ležajevi, turbokompresor Ag 2-3 posrebreni delovi, ležajevi, male osovine hromirani delovi, klipovi, cilindri, podizači ventila, izduvni ventili, Cr 30 klipnjača Cu-Pb ležajevi, čahure, hladnjak ulja, bregasto vratilo, razvodni Cu 40 mehanizam (ventili sa sistemom za otvaranje i zatvaranje), brizgaljka Pb 50 Cu-Pb ležajevi, benzin, aditivi Sn 25 delovi od bronze, ležajevi, klipovi B 20 antifriz Na 20 antifriz Ca 50 iz atmosfere Si 40 prašina iz atmosfere Zn,Mg,Mo iz aditiva Čistoću motora osiguravaju prečistači za ulje, vazduh i gorivo i to je “prva linija odbrane”. Prečistače treba redovno kontrolisati i po potrebi zamenjivati. Ako motorno vozilo duže vreme radi u prašnjavom okruženju, prečistač za vazduh treba češće čistiti ili menjati. Period zamene u tom slučaju se određuje na osnovu broja radnih sati, a ne prema pređenim kilometrima. Prečistači za gorivo štite motor od vode koja se eventualno kondenzovala u rezervoaru i od drugih nečistoća koje su dospele u gorivo prilikom transporta, manipulisanja ili skladištenja. Radna temperatura motora mora se redovno nadgledati. Cilj je održavanje rada motora na optimalnoj radnoj temperaturi: Ako je temperatura motora preniska, smanjena je efikasnost sagorevanja. Neizgorelo gorivo razređuje motorno ulje što pogoršava podmazivanje, a kondenzovana para i čađ, zbog pothlađenog motora, stvaraju velike količine hladnog taloga i kiselina. Ako motor radi na previsokoj temperaturi, pregrejava se ulje. To dovodi do intenzivne termooksidacione razgradnje i zgušnjavanja ulja, što znači i do stvaranja toplog taloga i lakova, drugog, ali podjednako opasnog tipa zagađivača. Zbog toga treba proveravati funkcionalnost termostata, ispravnost hladnjaka, svih vodova i priključaka kao i kvalitet rashladne tečnosti. Ako vozilo ima poseban hladnjak za ulje, treba ga redovno čistiti da bi se osigurala dobra razmena toplote. Za osiguranje što bolje efikasnosti sagorevanja goriva, uređaji za napajanje i paljenje moraju biti u besprekornom stanju. Ispravnost tog uređaja, uz to što pridonosi boljem iskorišćenju goriva, utiče na duži radni vek ulja.
183
12.3. ODLAGANJE I REGENERACIJA UPOTREBLJENIH MAZIVA Danas je u mnogim zemljama zabranjeno bilo kakvo rasipanje iskorišćenih maziva u okolnu i propisano je njihovo sakupljanje. Svakako, kao i za sav ostali otpad, poželjno je recikliranje uz regeneraciju. Sakupljanje otpadnih ulja je vitalan deo ukupnog procesa upravljanja otpadom. Široka upotreba ulja za podmazivanje daje disperziju otpadnih ulja na velikom prostoru, što stvara probleme sa njegovim sakupljanjem, kako tehničke tako i finansijske. Količina otpadnog ulja je povezana sa potrošnjom maziva. Međutim, iskustva pokazuju da se i do 50% ulja za podmazivanje izgubi tokom upotrebe sagorevanjem, isparavanjem, odnošenjem i zaostajanjem u rezervoarima, kontejnerima, ambalaži i sl. To znači da je realno moguće sakupiti 50% do 60% od potrošnje maziva. Prosečan stepen sakupljanja u okviru EU-15 za 2000. godinu bio je 72%. Prema novijim izveštajima Evropske unije, prosečan stepen sakupljanja otpadnih ulja u 2003. godini iznosio je 83%. Od te količine, 44% je regenerisano/rerafinisano, dok je 46% tretirano sagorevanjem. Očigledno, da je oko 10 % sakupljanog otpadnog ulja ilegalno tretirano ili odlagano. Da bi se pospešila količina sakupljenog otpadnog ulja za podmazivanje, neke zemlje propisuju minimalnu količinu koju treba sakupiti kod pojedinih familija ulja, ali i u zavisnosti od primene. Veoma često se zahteva i odvojeno sakupljanje po familijama maziva, što stvara niz tehničkih i finansijskih problema, bez obzira ko snosi troškove sakupljanja.
12.3.1 Postupci recikliranja otpadnih ulja za podmazivanje Konvertovanje otpadnih ulja za podmazivanje u komercijalno upotrebljive proizvode ostvaruje se danas mnogobrojnim procesima, od kojih su najznačajniji prikazani u Tabeli 12.2. Regeneracija se zasniva na činjenici da se mineralna ulja za podmazivanje nikada ne degradiraju potpuno. Zbog toga se korišćena ulja, koja nisu jako kontaminirana i hemijski degradirana, mogu prečišćavanjem osposobiti za ponovnu upotrebu. Prečišćavanje mogu realizovati sami korisnici ulja ili se taj posao prepušta specijalizovanim organizacijama. Ovaj postupak se preporučuje svuda gde za to postoji tehničko i ekonomsko opravdanje. Postupak rerafinacija zahteva relativno složenu tehnologiju da bi se dobila kvalitetna bazna ulja. Rerafinacija se posebno stimuliše kod otpadnih motornih ulja, jer su ona dominantna po količini sakupljenih otpadnih ulja i takvog nivoa degradacije da se drugi postupak ne može koristiti u cilju ponovnog dobijanja maziva. Veliki deo sakupljenih otpadnih ulja se danas sagoreva radi dobijanja toplotne energije. Pri tome postoje različite mogućnosti korišćenja otpadnih ulja kao goriva. Jedna od novijih je termički kreking pomoću koga se kao glavni proizvod dobija dizel gorivo. Otpadna ulja kao goriva mogu da se koriste za pogon većih brodskih motora, u toplanama, cementarama i asfaltnim bazama. Za te namene se otpadna ulja moraju reprocesirati radi uklanjanja vode, drugih isparljivih i čvrstih materija, ali i izvršiti provera prisustva toksičnih komponenti. Kod otpadnih ulja koja sadrže kancerogene i toksične komponente vrši se sagorevanje u specijalnih postrojenjima za tu namenu, ili se vrši odlaganje u strogo kontrolisanim uslovima. 184
Tabela 12.2: Postupci recikliranja otpadnog ulja za podmazivanje Vrsta otpadnog ulja Postupak Proizvodi Hidraulička ulja, reduktorska Prečišćavanje radi ponovne Industrijska ulja malo ulja, prava ulja za obradu; upotrebe kao maziva – kontaminirana Ulja za kalupe, maziva za regeneracija protočno podmazivanje Motorna i druga ulja Rerafinacija Bazna ulja Gasno ulje (dizel gorivo, lako Sve vrste otpadnog ulja Termički kreking ulje za loženje) Mešovit otpad Gasifikacija Sintetički gas Goriva za brodske motore; Oštrije reprocesiranje goriva za toplane Sve vrste otpadnih ulja, Goriva za cementare, posebno jako Srednje reprocesiranje asfaltne baze, velike brodske kontaminiranih i motore degradiranih Direktno sagorevanje u postrojenjima za spaljivanje otpadnih ulja
185
Literatura
186
Nomenklatura Fgr –
granična vučna sila
FN –
normalna sila
Ftr, gr
–granična sila trenja
Ftr –
sila trenja
Hd –
donja toplotna vrednost ili donja toplotna moć je toplota koja se razvija pri sagorevanju 1 kg nekog goriva, a produkti sagorevanja se hlade samo do temperature iznad rosišta vodene pare
Hg –
gornja toplotna vrednost je topota koja se razvija pri sagorevanju 1 kg nekog goriva, a produkti sagorevanja hlade se do temperature koju su imali gorivo i vazduh pre sagorevanja, pri čemu se sva vodena para kondenzovala
Hgs –
toplotna vrednost gorive smeše
Η
–
dinamički viskozitet ulja
λ
–
višak vazduga pri sagorevanju goriva
μ
–
faktor trenja
μk –
kinetički faktor trenja
μs –
statički faktor trenja
ν
–
kinematičk viskozitet
ρ
–
gustina
p V n R T ...
187
Skraćenice API – Američki institut za naftu (American Petroleum Institute) AB 100 LL – oznaka avionskog benzina za klipne motore ACEA – udruženje evropskih konstruktora automobila (Association des Constructeurs Européens d’Automobiles) AEGPL – Evropska agencija za utečnjeni naftni gas AKI – parametar svojstva goriva (Anti-Knock Index), prosečna vrednost istraživačkog oktanskog broja IOB i motornog oktanskog broja MOB ASTM – Američko društvo za ispitivanje i materijale (American Society for Testing and Materials) motornim testovima BMB – bezolovni motorni benzin BS – britanske norme (British Standard) CBR – cetanski broj, zapreminski procenat cetana u referentnom gorivu čije se ponašanje u ispitnom motoru najbolje podudara sa ponašanjem ispitivanog dizel goriva CCMC – Komitet konstruktora vozila evropskog zajedničkog tržišta (Comité des Constructeurs d’Automobiles du Marché Commun) CEC – Evropsko veće za usklađivanje razvoja ispitivanja goriva i maziva (Coordinating European Council for the Development of Performance Tests for Lubricants and Engine Fuels) CEN – evropski odbor za normiranje (European Committee for Standardization) CFR motori – motori za ispitivanje goriva (Cooperative Fuel Research Committe) POB – putnički oktanski broj DIN – nemačke norme (Deutsche Industrie Normen) DMT – donja mrtva tačka D1 – lako gasno ulje, lako dizel gorivo D2 – srednje gasno ulje, srednje dizel gorivo D3 – teško gasno ulje, teško dizel gorivo EAMA – udruženje evropskih proizvođača automobila (European Automobile Manufacturers Association) EELQMS – sistem upravljanja kvalitetom motornih maziva (European Engine Lubricants Quality Management System) EPA – agencija za zaštitu okoline u SAD-u (Environmental Protection Agency) EU – Evropska unija GMT – gornja mrtva tačka GOST – ruske norme (gosudarstvennyy standart) IOB – istraživački oktanski broj, zapreminski procenat izooktana u referentnom gorivu 188
ISO – međunarodna organizacija za normiranje (International Organization for Standardization) ISO VG – ISO stepeni viskoziteta (ISO Viscosity Grade) ISRM – makedonske norme (Institut za standardizacija na Republika Makedonija) IV – indeks viskoziteta ulja JUS – norme bivše Jugoslavije (Jugoslovenski standard) JET A-1 – oznaka goriva za mlazne motore vazduhoplova KV – kolenasto vratilo KPG – kompresovani prirodni gas (Compressed Natural Gas) UPG – utečnjeni prirodni gas (Liquefied Natural Gas) LPG – utečnjeni naftni gas, “auto gas” (Liquefied Petroleum Gas) ME – metil estar MERU – metil estar repičinog ulja MOB – motorni oktanski broj MON – motorni oktanski broj (Motor Octane Number) NATO – Organizacija Severnoatlantskog ugovora ili Severnoatlantski savez (North Atlantic Treaty Organization), međunarodna organizacija vojno-političke prirode, osnovana 1949. godine potpisivanjem Severnoatlantskog ugovora između 12 država tadašnjeg zapadnog bloka NLGI – nacionalni institut za mazive masti u SAD-u (National Lubricating Grease Institute) NMMA – američko udruženje proizvođača vanbrodskih motora (National Marine Manufacturers Association) OIE – obnovljivi izvori energije su izvori energije koji su sačuvani u prirodi i prirodno se obnavljaju u intervalima koji su merljivi u ljudskom shvatanu vremena OPEC – interesna zadruga zemalja, najvećih izvoznika nafte (Organization of the Petroleum Exporting Countries) PM – čvrste čestice u produktima sagoravanja, u izduvnim gasovima (particulate matter) RdON – putnički oktanski broj (Road Octane Number) RME – metil estar repičinog ulja (Rapeseed Methil Ester) RON – istraživački oktanski broj (Research Octane Number) SAE – međunarodna zadruga automobilskih inženjera posvećena unapređenju automobilske tehnologije i u službi veće humanosti (Society of Automotive Engineers) SIST – slovenske norme (Slovenski inštitut za standardizacijo) KPG – komprimovani prirodni gas SRPS – srpske norme (Srpski standardi) SUS – iza reči motori, (motori) sa unutrašnjim sagorevanjem 189
UNG – utečnjeni naftni gas, “auto gas” UPG – utečnjeni prirodni gas W – dodatak oznaci (u gradacijama viskoziteta) za zimska ulja
190
Sadržaj I Uvod ...................................................................................................................................................... 1 II Goriva ................................................................................................................................................... 2 2.1. Osnovni pojmovi energije, energetike i energetske efikasnosti ................................................... 2 2.2. Uticaj fosilnih goriva na zagađenje životne sredine i klimatske promene .................................... 6 2.3. Obnovljivi izvori energije ............................................................................................................... 9 2.4. Oksidacija i sagorevanje .............................................................................................................. 18 III Osnovne definicije i sastav goriva ..................................................................................................... 20 3.1. Toplotne vrednosti goriva ........................................................................................................... 21 3.2. Sagorevanje gorivih elemenata ................................................................................................... 22 3.2.1. Sagorevanje ugljenika ......................................................................................................... 22 3.2.2. Sagorevanje vodonika ......................................................................................................... 22 3.2.3. Sagorevanje sumpora .......................................................................................................... 23 3.3. Kiseonik ....................................................................................................................................... 23 3.4. Balast ........................................................................................................................................... 24 3.4.1. Azot ..................................................................................................................................... 24 3.4.2. Pepeo .................................................................................................................................. 24 3.4.3. Vlaga .................................................................................................................................... 24 IV Fosilna goriva .................................................................................................................................... 26 V Čvrsta goriva ...................................................................................................................................... 28 5.1. Podela ugljeva ............................................................................................................................. 29 5.2. Nalazišta uglja .............................................................................................................................. 32 5.3. Prerada i oplemenjivanje uglja .................................................................................................... 35 VI Tečna goriva ...................................................................................................................................... 36 6.1. Uopšteno o nafti .......................................................................................................................... 36 6.2. Postanak nafte ............................................................................................................................. 37 6.3. Osnovna građa nafte ................................................................................................................... 38 6.3.1. Parafinski ugljovodonici ...................................................................................................... 39 6.3.2. Olefinski ugljovodonici ........................................................................................................ 40 6.3.3. Naftenski ugljovodonici ....................................................................................................... 41 6.3.4. Aromatski ugljovodonici ...................................................................................................... 41 6.3.5. Jedinjenja koja sadrže kiseonik ........................................................................................... 42 6.3.5.1. Alkoholi ....................................................................................................................... 42 6.3.5.2. Etri ............................................................................................................................... 44 191
6.3.5.3. Ketoni .......................................................................................................................... 44 6.4. Nalazišta nafte ............................................................................................................................. 45 6.5. Otkrivanje i vađenje nafte ........................................................................................................... 46 6.5.1. Moguće pretnje okolini pri dobijanju nafte ........................................................................ 48 6.5.2. OPEC i ostali proizvođači nafte ........................................................................................... 49 6.6. Prerada nafte ............................................................................................................................... 53 6.6.1. Destilacija nafte ........................................................................................................................ 53 6.6.2. Krekovanje nafte ................................................................................................................. 55 6.6.3. Hidratacija nafte .................................................................................................................. 56 6.6.4. Polimerizacija nafte ............................................................................................................. 56 6.6.5. Platformiranje nafte ............................................................................................................ 56 6.6.6. Izomerizacija nafte .............................................................................................................. 57 6.6.7. Aromatizacija nafte ............................................................................................................. 57 6.6.8. Dorada nafte ....................................................................................................................... 57 6.7. Podela i karakteristike tečnih goriva prema nameni ................................................................... 58 6.7.1. Benzini ................................................................................................................................. 58 6.7.2. Motorni benzini ................................................................................................................... 59 6.7.2.1. Osnovni zahtevi primene motornih benzina ............................................................... 59 6.7.2.2. Fizičko-hemijska svojstva motornih benzina............................................................... 60 6.7.2.3. Motorni benzini sa olovom ......................................................................................... 61 6.7.2.4. Bezolovni motorni benzini .......................................................................................... 62 6.7.3. Avionski benzini................................................................................................................... 62 6.7.3.1. Fizičko-hemijska svojstva avionskih benzina............................................................... 64 6.7.4. Goriva za mlazne motore .................................................................................................... 64 6.7.5. Gasna ulja (dizel goriva) ...................................................................................................... 66 6.7.5.1. Podela gasnih ulja ....................................................................................................... 66 6.7.5.2 Osnovni zahtevi primene gasnih ulja ........................................................................... 67 6.7.6. Biodizel ................................................................................................................................ 68 6.7.6.1. Proizvodnja biodizela .................................................................................................. 69 6.7.6.2. Primena biodizela u motorima SUS............................................................................. 71 6.7.7. Lož ulja................................................................................................................................. 74 6.7.8. Ostala tečna goriva.............................................................................................................. 74 6.7.8.1. Alkoholi ....................................................................................................................... 74 6.7.8.2 Motorni benzen............................................................................................................ 75 6.7.8.3. Mešavine, smeše i goriva za takmičarske trke ............................................................ 75 6.7.8.4. Koncept jednog goriva ................................................................................................ 76 192
VII Gasovita goriva ................................................................................................................................ 80 7.1. Podela gasovitih goriva................................................................................................................ 80 7.2. Delovanje motornih vozila sa gasom kao pogonskim gorivom na okolinu ................................. 82 7.3. Utečnjeni gasovi .......................................................................................................................... 84 7.3.1. Korišćenje tehnologije TNG u putnom prometu ................................................................. 86 7.3.2. Osnovne tehničke karakteristike automobila sa pogonom na TNG.................................... 89 7.4. Permanentni gasovi ..................................................................................................................... 90 7.4.1. Korišćenje KPG tehnologije u putnom prometu ................................................................. 93 7.4.1.1. Dinamika porasta upotrebe KPG-a za pogon motornih vozila u Evropi i svetu .......... 93 7.4.1.2. Tehnologije primene KPG-a u pogonu motornih vozila .............................................. 95 7.4.1.2.1. Originalno fabrički proizvedena KPG vozila ........................................................ 96 7.4.1.2.2. Prilagođavanje motora SUS za KPG upotrebu .................................................... 97 7.4.1.2.3. Vozila na KPG sa oto motorom ........................................................................... 97 7.4.1.2.4. Vozila na KPG sa dizel motorom ......................................................................... 99 7.4.1.2.5. Upotreba smeše KPG–a i dizel goriva ............................................................... 100 7.4.1.2.6. Pregrađivanje dizel motora u oto motore na KPG (Otto ciklus) ....................... 103 7.4.2. Mogućnosti transporta KPG-a ........................................................................................... 104 7.4.3. Stanice za punjenje KPG-om ............................................................................................. 105 7.4.3.1. Stanice za sporo punjenje ......................................................................................... 106 7.4.3.2. Stanice za brzo punjenje ........................................................................................... 106 7.4.3.3. Kontejnerske stanice za KPG dopunu ....................................................................... 107 7.4.3.4. Razne posude visokog pritiska i rezervoari kao stanice za KPG dopunu................... 108 7.4.4. Sigurnost korišćenja KPG-a................................................................................................ 109 VIII Sagorevanje goriva u motoru SUS ................................................................................................ 110 8.1. Poremećaji u radu motora SUS zbog goriva .............................................................................. 110 8.1.1. Detonacije u oto motoru ................................................................................................... 110 8.1.2. Detonacija i hemijski sastav benzina ................................................................................. 112 8.1.3. Legiranje benzina .............................................................................................................. 112 8.1.4. Dodaci benzinu .................................................................................................................. 113 8.1.5. Detonacije u dizel motoru ................................................................................................. 113 8.2. Ispitivanje oktanskog i cetanskog broja goriva.......................................................................... 116 8.2.1. Oktanski broj goriva .......................................................................................................... 116 8.2.1.1. Istraživački oktanski broj goriva ................................................................................ 118 8.2.1.2. Motorni oktanski broj goriva .................................................................................... 119 8.2.1.3. Putnički oktanski broj goriva ..................................................................................... 119 8.2.1.4. AKI (Anti-Knock Index) .............................................................................................. 120 193
8.2.2. Cetanski broj goriva........................................................................................................... 120 8.2.3. Odnos oktanskog i cetanskog broja .................................................................................. 123 8.3. Pokretanje motora SUS u hladnim uslovima ............................................................................. 123 8.3.1. Pokretanje oto motora u hladnim uslovima ..................................................................... 123 8.3.2. Pokretanje dizel motora u hladnim uslovima ................................................................... 124 8.4. Povezanost razvoja motora SUS i razvoja kvaliteta goriva ........................................................ 124 8.5. Uvođenje novih goriva u EU ...................................................................................................... 126 IX Postupanje sa gorivima ................................................................................................................... 128 9.1. Uskladištenje ............................................................................................................................. 128 9.2. Otpornost goriva na niske temperature.................................................................................... 129 9.2.1. Goriva za oto motore ........................................................................................................ 129 9.2.2. Goriva za dizel motore ...................................................................................................... 129 9.2.3. Poboljšanje niskotemperaturnih svojstava dizel goriva .................................................... 130 X Maziva .............................................................................................................................................. 131 9.1. Tribologija .................................................................................................................................. 132 10.2. Površine i njihov dodir ............................................................................................................. 134 10.2.1. Struktura površine u statičkim i dinamičkim uslovima ................................................... 135 10.2.2. Trenje .............................................................................................................................. 136 10.2.3. Vrste trenja...................................................................................................................... 136 10.3. Podmazivanje .......................................................................................................................... 139 10.4. Vrste trenja i podmazivanja..................................................................................................... 141 XI Mazive materije .............................................................................................................................. 145 11.1. Osnovna svojstva mazivih materija ......................................................................................... 145 11.1.1. Viskozitet ......................................................................................................................... 146 11.1.1.1. Dinamički (apsolutni) viskozitet .............................................................................. 147 11.1.1.2. Kinematički viskozitet.............................................................................................. 147 11.1.1.3. Uticaj temperature na viskozitet ............................................................................ 148 11.1.2. Indeks viskoziteta ............................................................................................................ 150 11.1.3. Temperatura stinjavanja ................................................................................................. 152 11.1.4. Temperatura paljenja ...................................................................................................... 152 11.1.5. Isparljivost ....................................................................................................................... 152 10.2. Mineralna ulja za podmazivanje.............................................................................................. 152 11.2.1. Osnovni tehnološki postupci za dobijanje mineralnih mazivih ulja ................................ 153 11.2.1.1. Destilacija ................................................................................................................ 153 11.2.1.2. Rafinacija ................................................................................................................. 153 11.2.1.3. Deparafinacija ......................................................................................................... 154 194
11.2.1.4. Završna obrada mineralnih ulja za podmazivanje................................................... 154 11.2.1.5. Aditivi ...................................................................................................................... 154 11.3. Sintetička ulja za podmazivanje .............................................................................................. 155 11.3.1. Ugljovodonična sintetička maziva ulja ............................................................................ 155 11.3.2. Estarska sintetička maziva ulja ........................................................................................ 156 11.3.3. Poliglikolna sintetička maziva ulja ................................................................................... 156 11.3.4. Silikonska sintetička maziva ulja ..................................................................................... 156 11.4. Klasifikacija ulja za podmazivanje............................................................................................ 157 11.5. Motorna ulja ............................................................................................................................ 157 11.5.1. Klasifikacija motornih ulja ............................................................................................... 158 11.5.1.1. Klasifikacija motornih ulja prema viskozitetu – SAE gradacija ................................ 158 11.5.1.2 Klasifikacija motornih ulja prema kvalitetu – API .................................................... 159 11.5.1.3. Ostale klasifikacije motornih ulja ............................................................................ 160 11.5.1.4 . Evropske klasifikacije motornih ulja ....................................................................... 161 11.5.2. Izbor motornog ulja ......................................................................................................... 162 11.5.2.1. Izbor ulja benzinskih motora ................................................................................... 163 11.5.2.2. Izbor ulja dizel motora ............................................................................................ 164 11.5.2.3. Izbor ulja dvotaktnih motora .................................................................................. 164 11.5.2.4. Potrošnja motornog ulja ......................................................................................... 165 11.6. Ulja za zupčaste prenosnike motornih vozila .......................................................................... 166 11.7. Industrijska ulja ....................................................................................................................... 169 11.8. Mazive masti............................................................................................................................ 171 11.8.1. NLGI klasifikacija masti prema konzistenciji.................................................................... 173 11.8.2. Upotreba mazivih masti .................................................................................................. 175 XII Postupanje sa mazivima................................................................................................................. 177 12.1. Transport i skladištenje maziva ............................................................................................... 177 12.2. Dijagnostika stanja maziva ...................................................................................................... 178 12.2.1. Kontaminacija maziva pre upotrebe ............................................................................... 178 12.2.2. Kontaminacija maziva tokom upotrebe .......................................................................... 179 12.2.3. Utvrđivanje stepena degradacije maziva ........................................................................ 180 12.3. Odlaganje i regeneracija upotrebljenih maziva....................................................................... 184 12.3.1 Postupci recikliranja otpadnih ulja za podmazivanje ....................................................... 184 Literatura ............................................................................................................................................ 186 Nomenklatura ..................................................................................................................................... 187 Sadržaj ................................................................................................................................................. 191
195
196
Prilog
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
