«بنزین» (Petrol / gasoline) و «گازوئیل» (Diesel) دو نوع محلول مورد استفاده به عنوان سوخت هستند. هر دو از نفت خام مشتق و جزء محصولات پالایشی طبقه‌بندی می‌گردند. اساس این دو نوع سوخت، هیدروکربن‌های موجود در نفت است؛ با این حال تفاوت‌هایی وجود دارد. هم برای به دست آوردن بنزین و هم گازوئیل از روش «تقطیر جزئی» (Fractional distillation) استفاده میشود. هر کدام البته در مرحله‌ای متفاوت به دلیل تفاوت در دمای جوش جدا می‌گردند.
گازوئیل (به فرانسوی: Gasoil) یا نفتگاز یا سوخت دیزل (به فرانسوی: Diésel) بعنوان سوخت موتورهای دیزلی و تأسیسات حرارتی بکار نمی‌رود. محدوده هیدروکربن‌های آن بین C14-C20 و حتی C25 با دامنه نقطه جوش ۳۸۵-۲۵۰ درجه سانتیگراد است. نفتگاز عمدتاً از سه گروه پارافینیک ، نفتنیک و آروماتیک تشکیل شده ، دارای حداقل نقطه اشتعال ۵۴ °C و ماکزیمم نقطه ریزش ۰ °C است. دانسیته آن در دمای ۱۵.۶ °C برابر با ۸۲۰-۸۶۰kg/m3 است. مهمترین مشخصه آن عدد ستـان است که باید بیشـتر از ۵۰ باشد تا موتور نرم و بیصدا کار کند.
گازوئیل
گازوئیل (Gas oil) یکی از فراورده های نسبتاً سنگین نفت خام بوده و پس از نفت سفید در برج تقطیر به دست می‌آید. گازوئیل از جمله برش هایی است که هم در برج تقطیر اتمسفری و هم برج تقطیر خلأ تولید میشود. همچنین بسیاری از واحدهای پالایشگاه مانند واحد کراکینگ و هیدروکراکینگ و ککینگ با تغییر در ساختار برش های سنگین نفتی، علاوه بر بنزین گازوئیل هم تولید میکنند.
گازوئیل مایعی بی رنگ است و به منظور شناخت آن و تشخیص از مایعات و فراورده های دیگر رنگ آنرا تغییر می‌دهند و به رنگ متمایل به قهوه ای درمی‌آورند. گازوئیل مخلوطی از هیدروکربن های مختلف است که در ساختار مولکولی شان بین ۱۴ تا ۲۰ (حتی تا ۲۵) اتم کربن دارند. مهم ترین کاربرد گازوئیل به عنوان سوخت موتورهای دیزلی، تأسیسات حرارتی و سوخت برخی کارخانجات میباشد.
نسبت تراکم موتورهای گازوئیلی بسیار بالاتر از موتورهای بنزینی میباشد. از این رو می‌توان توان بیشتری از یک موتور گازوئیلی دریافت کرد و این موتورها برای وسایل نقلیۀ سنگین استفاده میشوند.
سوخت دیزل
سوخت دیزل به هر گونه سوخت مایع گفته میشود که در موتورهای دیزلی بکار رود.این سوخت بیشتر از روش ویژه‌ای در تقطیر جز به جز نفت مازوت بدست می‌آید اما روش‌های دیگری نیز برای فراوری سوخت دیزل بدون بهره‌گیری نفت وجود دارد که از جمله آنها می‌توان به زیست‌دیزل ، زیست‌توده به مایع (BTL) و گاز به مایع (GTL) اشاره داشت که بهره‌گیری جهانی از آنها به سرعت در حال افزایش است. برای ابهام‌زدایی میان گونه به دست آمده از نفت و دیگر گونه‌ها، گونه نفتی را نفت‌دیزل یا پترودیزل مینامند. دیزل بسیار کم گوگرد گونه استاندارد برای تعریف دیزل است که دارای گوگرد بسیار کم است. مطابق آمار سال ۲۰۰۷، نزدیک به همه سوخت دیزل بکار رونده در آمریکا و اروپا، از گونه بسیار کم گوگرد است.
مشخصات گازوئیل
چگالی
گازوئیل دارای وزن نسبتاً بالاتری در مقایسه با دیگر سوخت های رایج است و چگالی آن تقریباً بین ۰.۸kg/lit تا 0.87kg/lit میباشد. هرچه مقدار هیدروکربن های نفتنی و آروماتیک در گازوئیل بیشتر باشد، چگالی آن بالاتر می‌رود.
تقطیر
نقطۀ اولیه تقطیر گازوئیل در دمای ۱۸۰˚ C و نقطۀ نهایی تقطیر آن در دمای حدود ۳۷۰˚ C میباشد. طبق استاندارد ASTM درصد تقطیر گازوئیل در دماهای مختلف به صورت زیر میباشد:
- کمتر از ۶۵% در دمای C 250˚
- بیشتر از ۸۵% در دمای C 350˚
- بیشتر از ۹۵% در دمای C 370˚
ویسکوزیته
گازوئیل دارای ویسکوزیته یا گرانروی نسبتاً بالایی بوده و خاصیت چسبناکی دارد. در صورتی که ویسکوزیتۀ گازوئیل بیش از حد بالا باشد، جریان گازوئیل درون لوله ها و پمپ ها و انژکتور پاشش سوخت دچار افت فشار میشود. آنگاه عملیات انتقال و بهره برداری از سوخت دچار مشکل خواهد شد. همچنین در صورتی که گازوئیل دارای ویسکوزیتۀ پایینی باشد، کیفیت سوخت پایین آمده و در موتور دیزلی عملکرد مناسبی نخواهد داشت. مقدار مجاز استاندارد ویسکوزیتۀ گازوئیل باید بین ۱۲ تا ۴۰ سانتی استوک باشد.
نقطۀ ریزش و نقطۀ ابری شدن
نقطۀ ابری شدن اولین دمایی است که هنگام سرد کردن سیال بلورهای جامد در آن ایجاد میشود. همچنین پس از انجماد سیال و در زمان گرم کردن آن اولین دمایی که حرکتی در سیال ایجاد میشود را نقطۀ ریزش می‌گویند. گازوئیل و به طور کلی یک سوخت مناسب باید در برابر سرما مقاومت بالایی داشته باشد و در دماهای پایین خاصیت سیالیت خود را حفظ کند و متبلور نشود.
محدودۀ مناسب برای نقاط ابری شدن و ریزش در گازوئیل به ترتیب ۰ تا C -10˚ و ۱۵- تا C -30˚ میباشد. هرچه مواد نفتنی و آروماتیکی درون گازوئیل بیشتر باشند نقطۀ ریزش و نقطۀ ابری شدن آن بهبود می‌یابد.
میزان گوگرد موجود در گازوئیل
وجود گوگرد و ترکیبات گوگردی در گازوئیل سبب ایجاد مشکلاتی چون خوردگی روکش موتور دیزلی و آلودگی هوا میشود. میزان مجاز گوگرد در گازوئیل طبق استانداردهای بین المللی کمتر از ۵۰ ppm است و برای کاهش ترکیبات گوگردی باید گازوئیل به طور کامل در پالایشگاه تصفیه شود.
عدد ستان و نقطۀ آنیلین
عدد ستان (Cetane Number) معیاری برای تعیین کیفیت گازوئیل و سوخت های دیزلی میباشد. هرچه عدد ستان بالاتر باشد، عمل احتراق درون سیلندر سریع تر انجام شده و گازوئیل دارای کیفیت بالاتری میباشد.
نقطۀ آنیلین (Aniline Point) پایین ترین دمایی است که در آن حجم های مساوی از سوخت و ماده آنیلین به صورت تک فازی در می‌آیند. بالا بودن نقطۀ آنیلین در گازوئیل به معنای بالا بودن اندیس دیزل آن و کیفیت بهتر سوخت میباشد.
برای تعیین نقطۀ آنیلین، یک حجم مشخص از یک فراورده نفتی مانند گازوئیل را داخل ظرف می‌ریزند. به مقدار برابر با آن حجم، ماده ای به نام آنیلین را به آن اضافه می کنند. در ادامه، دمای مخلوط را بالا برده و به وسیله هم زن آن را به هم میزنند. دمایی که در آن دما، دو ماده به صورت یک محلول همگن در می‌آیند را به عنوان نقطۀ آنیلین سوخت در نظر می‌گیرند
بنزین
این سوخت مخلوطی از آلکان‌ها و سیکلوآلکان‌ها است که از تقطیر نفت خام به دست می‌آید. طول زنجیره‌ی کربنی هر مولکول بنزین از ۵ تا ۱۲ متغیر است. بنزین عموما در «موتورهای احتراق داخلی» (internal combustion engine) با هدف افزایش سرعت به کار می‌رود. این سوخت از گازوئیل سبک‌تر و از نظر تولید آلودگی بهتر است.
گازوئیل
ترکیب این سوخت شامل آلکان‌ها و به صورت کلی زنجیره‌های کربنی است. هر مولکول زنجیره‌ای کربنی به طول ۱۲ اتم کربن در خود دارد. گازوئیل سوختی نسبتا سنگین‌تر، کمتر فرار و با گرانروی بیشتر نسبت به بنزین است. از این سوخت عموما در «موتورهای احتراق-فشاری» (Compression-Ignition Motors) استفاده می‌گردد.
تفاوت‌های گازوئیل و بنزین
این دو سوخت از منظر جنبه‌های مختلفی متفاوت هستند، که در ادامه قصد داریم به این تفاوت‌ها به شکلی دقیق‌تر بپردازیم.
ترکیب شیمیایی بنزین اساسا از ترکیب هیدروکربن‌هایی با طول ۷ (هپتان) یا ۸ (تری متیل پنتان) درست میشود؛ در حالی که گازوئیل ترکیبی از هیدروکربن‌های نفتی در بازه‌ی ۸ (اکتان) تا ۲۱ (اوندو دکان) را شامل میشود. فرمول شیمیایی بنزین C8H18 و فرمول شیمیایی دیزل C12H23 است.
انتشار CO2 به دلیل اینکه گازوئیل درصد بیشتری اتم کربن در هر مولکول دارد، تقریبا معادل ۱۳ درصد بیشتر از بنزین، CO2 یا دی اکسید کربن تولید میکند.
محتوای انرژی گازوئیل از نظر محتوای انرژی در جایگاه بالاتری نسبت به بنزین قرار می‌گیرد. محتوای انرژی بنزین برابر با ۳۳.۷ مگاژول در هر کیلوگرم و گازوئیل برابر ۳۶.۷ مگاژول در هر کیلوگرم محاسبه میشود؛ در نتیجه سوخت گازوئیل به میزان ۱۶ درصد از رقیب خود در این زمینه جلوتر است.
گرانروی گرانروی بنزین کمتر از گازوئیل است. البته با کاهش دما گرانرویی گازوئیل افزایش می‌یابد اما چنین رفتاری در بنزین در تغییرات دمایی محدود اتفاق نمی‌افتد.
فراریت با توجه به سبک‌تر بودن مولکول‌های بنزین و حضور برخی افزودنی‌ها، این سوخت از گازوئیل فرارتر است؛ به این معنا که در یک دمای ثابت تعداد بیشتری از مولکول‌های بنزین نسبت به گازوئیل تبخیر میشوند. به همین دلیل بنزین سریع‌تر آتش می‌گیرد.
بازه‌ی جوش در ابتدا باید توجه کنید که به دلیل ماهیت ترکیبی این دو سوخت، امکان استفاده از عبارت نقطه‌ی جوش مانند یک ماده خالص (مثلا آب) وجود ندارد؛ به این معنا که این دو در یک بازه‌ی دمایی می‌جوشند. این بازه برای بنزین برابر ۲۰ تا ۱۵۰ درجه‌ی سانتیگراد و برای گازوئیل بین ۳۷ تا ۴۵۰ درجه‌ی سانتیگراد است.
مصرف سوخت بنزین از این نظر، از رقیب خود پیش است؛ یعنی در هر ۱۰۰ کیلومتر، بنزین کمتری نسبت به گازوئیل مصرف می‌گردد.
توان توان گازوئیل از بنزین بیشتر است. توان تولید انرژی این سوخت برابر با ۳۸.۶ مگاژول در هر لیتر محاسبه می‌گردد. نکته‌ی دیگر اینکه عموما موتورهای بنزین‌سوز دور موتور بالاتری تولید میکنند. موتورهای دیزلی البته نیاز به گشتاور بیشتری دارند.
vapor pressure
آتش گیری ذخیره‌سازی بیشتر از نیاز هر سوختی بدون شک خطرآفرین است. برای نمونه بنزین به عنوان سوختی بسیار آتش‌گیر و خطرناک به دلیل «فشار بخار» (vapor pressure) بالا شناخته میشود. به دلیل کمتر بودن فشار بخار گازوئیل، این سوخت دیرتر آتش می‌گیرد و در طی حادثه کم‌خطرتر است.
نوع احتراق «نقطه‌ی خود احتراقی» (Auto-ignition temperature) بنزین برابر با بازه‌ای بین ۲۴۷ تا ۲۸۰ درجه‌ی سانتیگراد است. این نقطه پایین‌ترین دمایی است که یک ماده بدون هیچ محرک خارجی مانند جرقه یا شعله در جو معمولی، خود به خود آتش می‌گیرد. البته به منظور احتراق کامل سوخت و اکسیژن در خودرو، نیاز به جرقه وجود دارد. در سوی دیگر نقطه‌ی خود احتراقی گازوئیل برابر با ۲۱۰ درجه‌ی سانتیگراد است و نیاز به جرقه برای آتش‌گیری ندارد. تنها از افزایش فشار سوخت برای ایجاد انفجار استفاده میشود. مخلوط سوخت و اکسیژن با هم دیگر فشرده میشود که دمای مخلوط را بالا می‌برد تا به نقطه‌ی انفجار برسد.
نقطه‌ی آتش و اشتعال «نقطه‌ی اشتعال» (Flash Point) به کم‌ترین دمایی گفته میشود که سوخت در حالت بخار آماده‌ی احتراق است. در این نقطه حتما نیاز به یک شعله برای ایجاد اشتعال وجود دارد. این دما برای بنزین برابر با منفی ۴۳ درجه‌ی سانتیگراد و برای گازوئیل برابر با ۵۲-۹۶ درجه سانتیگراد محاسبه می‌گردد.
در دمای «نقطه‌ی آتش» (Fire Point) بخار سوخت بعد از شروع احتراق حداقل به مدت ۵ ثانیه می‌سوزد. این دما برای هر دو سوخت تقریبا ۱۰ درجه بیشتر از نقطه‌ی اشتعال است.
طبقه‌بندی با اکتان و ستان بنزین را با «عدد اکتان» (Octane number) می‌سنجند. هرچه این عدد بالاتر باشد، مقاومت سوخت در مقابل احتراق خود به خودی بیشتر است که باعث نرم کار کردن موتور میشود. تفاوت دیگر اینکه گازوئیل را با «عدد ستان» (Cetane) می‌سنجند. هر چه این عدد بزرگ‌تر باشد، سوخت سریع‌تر در فرایند افزایش فشار شعله‌ور میشود. سرعت احتراق گازوئیل به عدد ستان وابسته است.
قیمت به دلیل تولید بیشتر گازوئیل، این سوخت از بنزین ارزان‌تر است.
احتراق گازوئیل در موتورهای دیزلی
روند کاری یک موتور دیزلی با موتور بنزینی کاملاً متفاوت است. در موتور دیزلی بر خلاف موتور بنزینی که احتراق به صورت همزمان با پاشش سوخت داخل سیلندر رخ می‌دهد، بین پاشش سوخت و احتراق مقداری فاصله می‌افتد که آن را دورۀ تأخیر احتراق مینامند. دورۀ تأخیر به نوع سوخت، طرح موتور و شرایط احتراق بستگی دارد.
در یک موتور دیزلی طی مرحلۀ اول هوای خالص مکش میشود. در طول مرحلۀ دوم هوا فشرده شده و دمای آن افزایش می‌یابد تا اینکه سوخت به داخل سیلندر تزریق گردد. پس از رسیدن به شرایط احتراق سوخت به طور خود به خود و بدون جرقه زدن شمع، در اثر فشار و دمای بالا می‌سوزد و در مرحلۀ سوم سیلندر منبسط میشود. نهایتاً در مرحلۀ چهارم گازهای حاصل از احتراق از طریق اگزوز از محفظه خارج میشوند.
با توجه به موارد ذکر شده، ساختار شیمیایی گازوئیل به عنوان سوخت موتور دیزلی و شرایط موتور دیزل باید به نحوی باشد که امکان احتراق خود به خود داخل محفظۀ احتراق را تسهیل کنند.
مفهوم عدد ستان و روش های تعیین آن
روش تعیین عدد ستان گازوئیل تقریباً مشابه با عدد اکتان بنزین است. این عمل در یک موتور تک سیلندر CFR آزمایشگاهی که مخصوص احتراق سوخت دیزل است انجام می‌گردد. عدد ستان یک سوخت در درجۀ اول به نوع هیدروکربن های تشکیل دهندۀ آن بستگی دارد و هیدروکربن هایی که عدد ستان بالایی دارند عدد اکتان پایینی دارند.
عدد ستان در حقیقت معیاری برای تعیین کیفیت سوخت گازوئیلی میباشد و هرچه عدد ستان بالاتر باشد، احتراق خود به خودی سوخت در محفظه بیشتر بوده و زمان تأخیر احتراق کمتر است و سوخت سریع تر می‌سوزد.
در صورت پایین بودن عدد ستان، راه اندازی خودرو به خصوص در فصل های سرد مشکل میشود. همچنین در اثر تأخیر زیاد، سوخت در محفظه احتراق تجمیع شده ونهایتاً مقدار زیادی سوخت با انرژی زیاد محترق میشود که این امر سبب کوبش و تقه در موتور دیزلی شده و آن را دچار اختلال میکند.
با آزمایش ترکیبات مختلف در موتور CFR ، برای مقایسۀ کیفیت احتراق سوخت ها به طور قراردادی ، به نرمال ستان خالص (C۱۶H۳۴) عدد ستان ۱۰۰ و به آلفامتیل نفتالن عدد ستان ۰ اختصاص داده شد. نرمال ستان به علت کوتاهی دورۀ تأخیر دارای کیفیت احتراق مناسبی بوده و آلفا متیل نفتالن دورۀ تأخیر طولانی داشته و احتراق بسیار نامناسبی در موتور دیزلی دارد.
بنابر تعریف، عدد ستان یک نمونۀ سوخت دیزل در حقیقت درصد حجمی نرمال ستان در مخلوط با آلفا متیل نفتالن است، در صورتی که کیفیت احتراق این مخلوط به هنگام آزمایش با روش استاندارد، مطابق کیفیت احتراق نمونۀ سوخت مورد نظر باشد. عدد ستان سوخت های دیزل رایج معمولاً بین ۴۵ تا ۵۵ میباشد.
از آنجایی که تعیین عدد ستان با موتور CFR بعضاً وقت گیر و مشکل است، برخی شرکت ها برای تعیین عدد ستان سوخت از روش های دیگری استفاده میکنند و عدد ستان را با استفاده از نقطه آنیلین و اندیس دیزل، تعیین میکنند.
بهبود عدد ستان
بهبود عدد ستان سوخت های دیزلی معمولاً به وسیلۀ یک سری مواد افزودنی که به احتراق خود به خودی داخل موتور کمک میکنند انجام میشود. این مواد افزایندۀ عدد ستان اصطلاحاً پرو-ستان (Pro – Cetane) نامیده میشوند. پروستان ها اکسیدکننده های ناپایداری هستند که در اثر تجزیه، رادیکال های آزاد تولید میکنند و فرآیند احتراق خود به خود در داخل موتور دیزل را تسهیل میکنند.
دو گروه از ترکیبات آلی به نام پراکسیدها (R – O – O – Rˊ) و نیتراتها از مواد معروف افزایندۀ عدد ستان هستند. با توجه به هزینۀ کمتر، در دسترس بودن و استفادۀ راحت تر معمولاً از نیترات‌هایی مانند اتیل هگزیل نیترات به عنوان پروستان بهبود دهندۀ عدد ستان استفاده میشود.
جمع بندی
گازوئیل به عنوان سوخت مورد استفاده در موتورهای دیزلی، یکی از مهم ترین فراورده های نفتی میباشد. گازوئیل نه تنها به عنوان سوخت وسایل نقلیه استفاده شده بلکه به عنوان سوخت مورد مصرف بعضی تجهیزات حرارتی، نیروگاه ها، کوره ها و کارخانه‌جات کاربرد دارد.
گازوئیل با کیفیت باید دارای عدد ستان بالا بوده و از جدیدترین استانداردهای آلایندگی یورو برخوردار باشد. در صورت وجود مواد آلاینده در گازوئیل، دود حاصل در محیط پخش شده و سلامت انسان ها و محیط زیست به خطر می‌افتد.
جایگاه های توزیع گازوئیل دارای تجهیزات مخصوص به خود هستند که بعضاً با جایگاه بنزین متفاوت اند. همچنین محل قرارگیری جایگاه های گازوئیل باید در حاشیۀ شهر و مناطقی که رفت و آمد خودروهای سنگین به آنجا راحت است، انتخاب گردد.
از آنجایی که گازوئیل یک فراورده با چگالی و ویسکوزیتۀ نسبتاً بالایی است باید تمهیداتی ویژه در مراحل انتقال، توزیع و بهره برداری از آن اندیشیده شود تا سوخت مورد استفاده از کیفیت لازم برخوردار بوده و فرایند های انتقال و توزیع آن به خوبی انجام شوند.