Chemie v automobilu

Chemie a automobilismus neodmyslitelně patří k sobě. Nejedná se pouze o paliva, jejich výrobu a zpracování. Řadíme sem motorové oleje, veškeré provozní kapaliny (brzdové, chladicí, kapaliny do ostřikovačů), akumulátor, karburátor a pneumatiky. V této kapitole budou také zmíněny pneumatiky a další pryžové součásti, které jsou vyráběny chemickým průmyslem.

Motorové oleje

Motorové oleje, jiným názvem maziva, jsou kapaliny naprosto nezbytné pro bezporuchový chod motorů všech typů. Mohou být jak kapalného, tak pevného skupenství. Můžeme také říci, že motorový olej je souhrnné označení celé skupiny minerálních olejů používaných jako maziva a chladiva, vykazující v motorech též těsnící a čistící funkci. Jsou vyráběny v rafineriích zpracováním ropy, která je zbavená vody a dalších nečistot. Základ motorových olejů je potom získáván druhou destilací olejové frakce. Mají zásadní vliv na provoz motoru především z hlediska mazání a chlazení (motorový olej odvádí teplo vznikající hořením a třením částí motoru). Mezi další funkce motorových olejů řadíme schopnost odstraňování nečistot, ochranu před korozí, dotěsnění spalovacího prostoru a v neposlední řadě také tlumení hluku. [24]

Základní oleje je možné získat několika způsoby. Jednou z metod je rafinace olejů, která je prováděna z důvodu odstranění nestabilních látek z olejů. Mezi základní postupy rafinace řadíme extrakční (selektivní) rafinaci a hydrogenační rafinace. Při extrakční rafinaci se k oleji přidává selektivní (polární) rozpouštědlo, které je s olejem omezeně mísitelné. Vznikají dvě kapalné fáze – extrakt (roztok s rozpuštěnými nežádoucími látkami) a rafinát (nerozpuštěné žádoucí látky). Jako selektivní rozpouštědla používáme např. fenol, furfural (průmyslová chemická sloučenina, aromatický aldehyd; v čistém stavu je to bezbarvá olejovitá kapalina s mandlovitou vůní ) nebo kresoly. Naproti tomu je hydrogenační rafinace univerzální rafinační metodou při získávání olejů. Za přítomnosti vhodných katalyzátorů odštěpuje vodík S, N, O, dohází k hydrogenaci dvojných vazeb, někdy se též hydrogenují celá aromatická jádra.

Motorové oleje se podle způsobu výroby dělí na minerální, polysyntetické a syntetické. Minerální oleje jsou oleje vyrobené z ropy, zatímco syntetické oleje jsou průmyslově vyrobené oleje na bázi křemíku nebo fosforu. Polysyntetické oleje tvoří minerální základ, který je však vyroben syntetickou cestou a přidává se do něj syntetický oleje určitého složení, přičemž syntetická část musí zabírat 20 – 65 % celkového objemu.

Aby mohly mazací oleje pracovat správně a v náročných podmínkách, jakými bezesporu práce motoru je, jsou zpracovatelské firmy nuceny jejich vlastnosti zlepšovat. Toho lze dosáhnout pomocí aditiv, tj. látek, které výrazně zlepšují jednu nebo více užitných vlastností. Rozeznáváme několik druhů základních přísad (aditiv):

• antioxidanty – zpomalují stárnutí oleje
• detergenty a disperzanty – odstraňují produkty stárnutí oleje, čímž zajišťují čistotu funkčních částí motoru
• depresanty – snižovače bodu tuhnutí
• antikorodanty – protikorozívní přísady, vytvářený ochranný povlak
• zlepšovače viskozitního indexu – polymerní látky, které vyrovnávají kolísání viskozity oleje s kolísáním teplot
• vysokotlaké přísady – umožňují mazání za vysokých tlaků
• protipěnící přísady – zlepšení mazání a snížení stárnutí rozkladem vznikající pěny [25]

Další věcí, kterou si u motorových olejů všímáme, je jejich viskozita. Můžeme říci, že je to odpor, kterým tekutina (olej) působí proti silám, které se snaží posunout její nejmenší částice. Na styčných plochách se vytváří tzv. tečné napětí, které je způsobeno dvěma vrstvami oleje. Každá vrstva oleje je přilnavá k jedné otáčející se součásti – obě tyto součásti se točí proti sobě a každá jinou rychlostí – tečné napětí je potom napětí na tomto rozhraní, které je udáno silou, kterou na sebe obě vrstvy oleje působí (síla, kterou rychlejší část urychluje tok pomalejší vrstvy a naopak síla, jakou pomalejší vrstva zpomaluje vrstvu rychlejší). Viskozita oleje určuje mazací schopnost oleje, ovlivňuje tvorbu mazacího filmu a jeho únosnost, určuje též velikost odporu pohyblivých částí a v neposlední řadě udává těsnící schopnost. Viskozita se mění vlivem okolní teploty a tlaku. Na základě viskozity jsou vyráběny letní a zimní oleje. Dnes nejrozšířenější jsou však celoroční oleje, které jsou kombinované. Mají nám známé kombinované číselné označení (např. 5W-40), kde W (winter) určuje viskozitu v zimě (poutí při nízkých teplotách – teplota je určena číslem v názvu oleje, od kterého odečteme 35°C), číslo za pomlčkou (v našem případě 40) potom určuje viskozitu při 100°C (letní viskozitu).

Provozní kapaliny

Mezi provozní kapaliny patří brzdová kapalina, chladicí kapalina a kapalina do ostřikovačů.

Brzdová kapalina

Brzdová kapalina je kapalina plnící funkci přenosu síly (tlaku) z brzdového pedálu na brzdové destičky. Touto kapalinou je naplněn hydraulický systém, který přenos tohoto tlaku umožňuje.

Základní rozdělení brzdových kapalin je na kapaliny rostlinné, minerální a syntetické. Různé brzdové kapaliny mohou být postaveny na různých bázích, kterými jsou zpravidla rostlinné oleje, minerální oleje, silikonové oleje, glykoly a estery kyseliny trihydrogenborité nebo kyseliny trihydrogenfosforečné.

Protože je brzdová kapalina v automobilu nenahraditelná a má zásadní význam pro provoz automobilu (na sílu brzdového účinku a na brzdovou dráhu) musí splňovat několik základních požadavků:

• musí být mrazuvzdorná (nesmí tuhnout)
• musí mít vysokou teplotu varu (nesmí vařit ani při zvýšeném zatížení)
• musí být nehořlavá
• nesmí být stlačitelná (aby mohlo docházet k přenosu tlaku brzdového pedálu beze ztrát)
• musí mít minimální hygroskopičnost - musí zabraňovat hromadění vody v brzdovém systému (brzdová kapalina je ve svém složení kapalinou hygroskopickou, tzn. že absorbuje vodu, která má za následek snižování teploty varu brzdové kapaliny – proto dochází k jejímu vypařování – páry brzdové kapaliny však nejsou stlačitelné a proto neumožňují přenos tlaku brzdového pedálu => proto musíme brzdovou kapalinu měnit v pravidelných intervalech)
• nesmí poškozovat těsnění a nesmí způsobovat korozi brzdových válců
• musí být mísitelná s ostatními brzdovými kapalinami

Na základě všech výše uvedených požadavků se brzdová kapalina skládá celkem ze čtyř komponent. Jsou jimi mazací složka, rozpouštědlo (přidávané pro upravení viskozity), inhibitor koroze (pasivuje kovy brzdového systému a tím je chrání před korozí) a antioxidanty.

Chladicí kapalina

Základní funkcí chladicí kapaliny v automobilu je odvádění tepla vznikajícího chodem motoru. Chladicí kapaliny jsou zásadité kapaliny, jejichž pH se pohybuje v rozmezí 9-10. Jejich základ tvoří diethylenglykol (DEG), ethylenglykol (EG) a propylenglykol (PG), dále malé množství vody (do 3 %) a aditiva.

Tradiční automobilové chladicí kapaliny mají modrou barvu a jejich životnost je 2-3 roky. K základu jsou zde přidávány silikáty, fosfáty, boráty, nitráty, nitrity, molybdenáty a tolyltriazoláty.

Pokud se jedná o chladicí kapaliny na bázi organických kyselin, potom je jejich barva červená. Tyto chladicí kapaliny mají proti tradičním (modrým) nižší pH, mají lepší a dlouhodobější účinnost (jejich životnost je až 5 let). K základu chladicí kapaliny jsou přidány nitráty, nitrity, molybdenáty a tolyltriazoláty.

Protože je součástí chladicích směsí v automobilových motorech voda, způsobují chladicí kapaliny v chladicích systémech korozi. Mluvíme o korozi důlkové, kavitační (způsobené v místě vibrací – např. mezi pláštěm a vložkou válce nebo mezi lopatkami vodního čerpadla) nebo elektrolytické (chladicí kapalina slouží také jako elektrolyt mezi železnými a hliníkovými díly motoru). Proti korozi můžeme bojovat, např. přidáním tzv. pufrů (chemické látky, které udržují pH nad hranicí 8,3) nebo přidáním inhibitorů koroze.

Kapalina do ostřikovačů

Jedná se o kapalinu, která je využívána k čištění skel předního a zadního okna a u moderních automobilů také k čištění světlometů. Při používání se můžeme setkat s kapalinami, které jsou připravené přímo k použití nebo s kapalinami, které je možné dále ředit podle aktuální potřeby. Variantou této „kapaliny“ jsou i krystalky, ze kterých si řidič automobilu teprve kapalinu do vstřikovačů připraví.

Z chemického hlediska je chladicí kapalina směsí vody, ethanolu, glykolu a dalších, hlavně vyšších alkoholů. Alkohol, jehož hlavní funkcí v kapalině do ostřikovačů je snižování bodu tuhnutí, tvoří 30 až 65 hmotnostních procent. Procentuelní zastoupení glykolu je 0,3 – 8 %. Vyšší alkoholy, přítomné v kapalině, jsou látky, které se svými vlastnostmi blíží vlastnostem ethanolu, dále jsou to barviva a aromatické látky. Protože značnou část kapaliny do vstřikovačů tvoří alkoholy, řadíme tyto látky mezi hořlavé. Z toxikologického hlediska je nutné, aby byla co nejnižší přítomnost methanolu, který je pro člověka a životní prostředí velmi nebezpečný.

Dnes se běžně setkáváme se dvěma typy kapalin do ostřikovačů. Jedná se o žlutě zbarvenou letní směs a modře zbarvenou zimní směs. U zimní směsi navíc sledujeme teplotu, během níž kapalina mrzne a vybíráme ji tak podle podmínek, ve kterých se s automobilem pohybujeme.

Jedná se o kapalinu, která je důležitou součástí bezpečnosti silničního provozu. Spolu s tím ale lidí provádí pokusy ohledně její škodlivosti vůči životnímu prostředí. Uvažuje se o tom, že masivní používání těchto kapalin (miliardy litrů ročně) může vést k jejich kumulaci a následně ke znečištění ovzduší a vody. Důležitým argumentem je též korozivní působení alkoholů na kovy, plasty a pryže, ale také na beton (dochází k jeho odvápnění a tím k jeho rozpadu). Tyto obavy se však nevztahují na kapaliny do ostřikovačů jako takové, ale vztahují se k jejich kumulaci v životním prostředí.

Akumulátor

Akumulátor slouží jako technické zařízení uchovávající energii. Jedná se o sekundární článek, který je potřeba nejprve nabít, až poté jsme schopni z něj čerpat energii. V automobilu jsou akumulátory využívány pro spuštění motoru.

Nejběžnějším a v automobilismu využívaným typem akumulátoru je elektrochemický akumulátor. Jeho princip je založen na přeměně elektrické energie na chemickou a opačně. Elektrický proud procházející elektrochemickým akumulátorem vyvolává vratné chemické změny. Tyto změny se projeví změnou elektrochemického potenciálu na elektrodách (katodě a anodě). Protože napětí na jednotlivých elektrodách jsou poměrně malá (1,2 – 3,7 V), je častým jevem spojování těchto jednoduchých akumulátorů do tzv. akumulátorových baterií.

V automobilu je běžně využíván olověný akumulátor. Je to galvanický článek s olověnými elektrodami, mezi nimiž je kyselina sírová jako elektrolyt. Tento typ akumulátoru je nejpoužívanějším sekundárním zdrojem energie vůbec. Z chemického hlediska tvoří kladnou elektrodu olověného akumulátoru olovo (Pb) a zápornou elektrodu oxid olovičitý (PbO₂). Kyselina sírová, sloužící jako elektrolyt, má koncentraci 35 % (v případě úplně nabitého akumulátoru). Při vybíjení dochází ke vzniku síranu olovnatého (PbSO₄) na obou elektrodách, elektrolyt je ochuzován o kyselinu sírovou a je obohacován vodou. Můžeme tedy říci, že při vybíjení v akumulátoru klesá koncentrace elektrolytu a při jeho opětovném nabíjení tato koncentrace opět roste.

Popis vybíjení olověného akumulátoru vystihuje chemická reakce vyjádřená chemickou rovnicí:

Pb + 2 H₂SO₄ + PbO₂ → PbSO₄ + 2 H₂O + PbSO₄.

Pokud bychom chtěli chemickou rovnicí vyjádřit děje na elektrodách, získali bychom tyto zápisy:

záporná elektroda (katoda):

Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e−

kladná elektroda (anoda):

PbO₂ + 4 H⁺ + SO₄²⁻ + 2e− → PbSO₄ + 2H₂O

Při nabíjení probíhají uvedené reakce opačným směrem.

Souhrnná reakce: 2 PbSO₄ + 2 H₂O ↔ PbO₂ + Pb + 2 H₂SO₄

Vybíjení probíhá také tzv. samovybíjením. Jde o samovolné vybíjení bez připojení akumulátoru k elektrickému obvodu. Rychlost tohoto vybíjení je zhruba 3 – 30 % celkové kapacity za měsíc (záleží na okolní teplotě, na vzdušné vlhkosti, …).

Pokud je akumulátor nedostatečně nabíjen nebo skladován ve vybitém stavu, dochází k jeho sulfataci. Jedná se o děj, kterým jsou postiženy především záporné elektrody. Tento děj spočívá v přeměně jemně zrnitého síranu olovnatého na tvrdou vrstvu hrubozrnného síranu, který brání opětovnému nabíjení akumulátoru. Při pokusu o nabíjení zpravidla dochází k vývoji vodíku na záporné elektrodě. Pokud k sulfataci dojde, je nezbytné akumulátor dolít zředěnou kyselinou sírovou, v níž dochází k rozpouštění síranu olovnatého, nebo též dolitím destilovanou vodou a opětovným nabíjením malým proudem.

Obr. 15 Schéma olověného akumulátoru [26]

Katalyzátor

Katalyzátor je nejznámějším a nejúčinnějším opatřením vedoucím ke snížení emisí ve výfukových plynech, vznikajících činností motoru (spalováním paliva). První katalyzátory byly sestrojeny a použity v automobilech koncem sedmdesátých let 20. století. Jedná se o automobilovou součástku, ve které jsou katalytickými reakcemi přeměňovány některé škodliviny, unikající z výfuku, na látky méně škodlivé.

Obr. 16 Schéma zapojení katalyzátoru mezi motor a výfuk automobilu [27]

1 - lambda sonda, 2 - třícestný katalyzátor, 3 - naznačení chemické činnosti katalyzátoru,
4 - přední tlumič, 5 - zadní tlumič, 6 - vyústění výfuku

Katalyzátor se skládá z plechového obalu a tělesa (nosiče), který obsahuje aktivní katalytickou vrstvu. U tělesa katalyzátoru jsou využívány tři systémy - používají se dva keramické a kovové monolity.

Z chemického hlediska je katalyzátor látka, která ovlivňuje průběh reakce, aniž by se jí zúčastnila. Katalyzátor není tedy filtr, který zachycuje nečistoty, ale působí pouze svojí přítomností. V případě katalyzátoru do automobilu se jedná o slabé vrstvičky drahých kovů (paladia, rhodia), které jsou nanesené na mřížce katalyzátoru. Tyto drahé kovy vyvolávají reakce produktů nedokonalého spalování a podmiňují jejich rozklad na méně nebezpečné látky. Optimální teplota pro správnou funkci katalyzátoru je 300 - 600°C (při vyšších teplotách by mohlo dojít k jeho poškození). [27]

Katalyzátory dělíme na několik skupin, a to podle účinku, použití a koncepce snižování emisí. První skupinou jsou katalyzátory oxidační, následují dvoukomorové a poslední (a také nejrozšířenější) katalyzátory trojcestné. Trojcestný katalyzátor má označení na základě toho, že snižuje obsah tří nejnebezpečnějších složek výfukových plynů. Jsou jimi oxid uhličitý (CO), oxidy dusíku (NOX) a nespálených uhlovodíků (HC), jejichž hodnoty za určitých podmínek dokáže snížit až o 90 %. Někdy je pro tento katalyzátor také používán název oxidačně-redukční (podle oxidace a redukce, které současně probíhají uvnitř katalyzátoru). [27]

Použití klasického třícestného katalyzátoru je u vznětových motorů nevhodné. Proto se používá pouze tzv. oxidační katalyzátor, ve kterém dochází ke snižování obsahu oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). Důležitou součástí oxidačních katalyzátorů jsou filtry, které snižují obsah pevných látek ve výfukových plynech. Filtr se regeneruje pomocí vstřiku injektoru, což umožní vyhoření nashromážděných sazí. [27]

Hlavní nevýhodou katalyzátoru je zvýšení protitlaku ve výfukovém systému a tím snížení výkonu motoru. V motorech vybavených katalyzátorem se nesmí používat olovnatý benzín, protože by došlo k zanášení aktivních ploch katalyzátoru a tím ke snížení jeho účinku, tzv. „otrávení“ katalyzátoru.

Pneumatiky

Pneumatika je pružná pryžová součást kola automobilu, Je naplněná vzduchem. Má tvar tzv. toroidu (prostorové těleso, které jsme získali rotací rovinné křivky (kružnice) okolo osy ležící v rovině této křivky, která však zároveň tuto kružnici neprotíná (v případě kružnice mluvíme o tzv. torusu) a je nasazena n vnější obvod kola. Její základní funkcí je zajištění přenosu sil mezi koly a vozovkou, další její funkcí je odpružení celého automobilu. Dnes se setkáváme s pneumatikami, ve kterých jsou duše, ale i s tzv. bezdušovými pneumatikami, které jsou dnes stále rozšířenější. Základní látkou, tvořící pneumatiku, je vulkanizovaná guma.

Patent na pneumatiku získal roku 1888 John Boyd Dunlop, který je dodnes považován za jejího „otce“. Nebyl však prvním, kdo pneumatiku jako takovou použil. Již v roce 1845 získal podobný patent Robert William Thompson, v té době však nebyla vozidla, která by mohla tento vynález používat a proto nebyl doceněn. Roku 1888 již byla kola na bicyklech a prvních automobilech běžně používána, proto našel Dunlop pro svůj vynález ihned uplatnění.

Pneumatika je celek složený z několika částí. Můžeme říci, že je to neoddělitelný soubor materiálů. Které mají odlišné vlastnosti.

Obr. 17 Stavba pneumatiky [28]
1 - vnitřní vrstva, 2 - vrstva kostry, 3 - patka pláště, 4 - patní lana, 5 - pryžové bočnice, 6 - nárazníky, 7 - běhoun

Vnitřní vložka je vyrobena ze vzduchotěsné syntetické pryže a její základní funkce je stejná jako funkce duše. Vrstva kostry je tvořena tenkými textilními vlákny, která jsou rovnoběžná a zalitá v pryži; zajišťují odolnost pneumatiky proti tlaku. Patka pláště má za úkol přenášet točivý moment motoru a brzdění z ráfku pneumatiky na vozovku. Patní lana, sloužící jako výztuž patky, pomáhají držet pneumatiku na ráfku. Ohebné pryžové bočnice pomáhají chránit pneumatiku proti nárazům; v místě dotyku s ráfkem jsou zpevněny tvrdou gumou. Nárazníky jsou zpevněny jemnými, velmi pevnými ocelovými lanky, která jsou zalita mezi dvěma vrstvami pryže a která se kříží s tkaninou pláště a tvoří s ní tzv. výztužné trojúhelníky. Tyto nárazníky jsou po celém obvodu pneumatiky a plní několik funkcí, mezi které patří zachování průměru pneumatiky, zajišťují odolnost proti tlakům a namáhání při změně směru jízdy, absorbují deformace pneumatiky způsobené nerovnostmi povrchu. Vnější část potom tvoří běhoun, což je vzorovaná část pneumatiky, která je neustále v kontaktu s vozovkou, proto musí odolávat značným tlakům. Běhoun je tvořen směsí, která musí umožnit uchycení pneumatiky na všech typech povrchu, dále musí odolávat opotřebení a neměla by se zahřívat. [28]

Pneumatiky dělíme podle různých hledisek do několika skupin. První skupinou je rozdělení podle použití. Do této skupiny řadíme pneumatiky osobní, nákladní, motocyklové a speciální. Další skupina je vytvořena na základě použití vzdušnic, kdy pneumatiky dělíme na dušové a bezdušové. Poslední je rozdělení pneumatik podle konstrukce jejich pláště. Podle tohoto rozdělení rozeznáváme pneumatiky diagonální, kombinované a radiální (viz obr. 18). Diagonální plášť má nitě kostry vzhledem ke střední rovině běhounu uloženy pod úhlem 65° a každé dvě sousední niťové vložky se navzájem kříží. Kombinovaný plášť má diagonální kostru, která je zpevněná nárazníkem ze dvou nebo více vrstev kordu (slouží k zachycení namáhání pneumatiky v obvodovém směru). Tento druh tvoří přechod mezi diagonálním a radiálním pláštěm. Radiální plášť má jednotlivé kordové nitě uloženy vzhledem ke střední rovině běhounu pod úhlem 90° a jeho kostra je stabilizována obvodovým nárazníkem (neroztažitelným pásem). [25]

Obr. 18 Znázornění diagonálního (a) a radiálního (b) pláště pneumatiky [25]
1 - kostra tvořená několika vložkami pod úhlem 65°, 2 - kostra není stabilizována;
3 - stabilizace kostry, 4 - uložení kordů v kostře pod úhlem 90°

Jedním z nejdůležitějších hledisek při posuzování vlastností pneumatik je jejich huštění. Správný tlak vzduchu v pneumatikách má bezprostřední vliv na délku brzdné dráhy, můžeme jím ovlivnit spotřebu paliva a v neposlední řadě ovlivňuje životnost pneumatiky. Správný tlak zaručuje, že se pneumatika dotýká vozovky celou šířkou běhounu, čímž jsou zachovány její optimální vlastnosti. Podhuštěná pneumatika se sjíždí i po stranách, které nejsou takovému tlaku a pnutí uzpůsobeny a může dojít k defektu. Naopak přehuštěná pneumatika má nedostatečnou přilnavost k vozovce, což zvyšuje brzdnou dráhu (viz obr. 19). Obojí vede ke snížení ovladatelnosti automobilu. [29]

Obr. 19 Schéma přilnavosti pneumatiky k vozovce v závislosti na jejím nahuštění [29]
a) přehuštěná pneumatika, b) správně nahuštěná pneumatika, c) podhuštěná pneumatika