Článek
Teorie a prehistorie
První spalovací motory na kapalná paliva dokázaly využít prakticky každou tekutinu, ze které jejich karburátory mohly připravit směs se vzduchem dostatečně hořlavou na to, aby mohla být v průběhu pracovního cyklu zapálena. Ani paní Bertha Benzová ostatně při své první dálkové jízdě automobilem nekoupila v lékárně při cestě skutečný benzín, ale ligroin, tedy směs uhlovodíků s poněkud jinými vlastnostmi. Hlavním palivem pro zážehové motory se nakonec stala směs lehkých uhlovodíků známá jako benzín. Plně vyhovovala oběma výše uvedeným požadavkům, navíc byla dostupná a levná, protože vznikala jako vedlejší produkt při výrobě žádaného petroleje.
30 let od cesty paní Benzové si motory automobilů a prvních letadel vystačily s čistým benzínem, který byl vyráběn v rafinériích destilací ropy. Výkon tehdejších motorů byl poměrně nízký jak absolutně, tak v přepočtu na litr zdvihového objemu a nijak skvělá nebyla ani účinnost. K ilustraci toho, jak dlouhou cestu zážehové motory od té doby urazily, postačí několik údajů: Rolls-Royce Silver Ghost, tedy vrchol automobilové produkce před I. světovou válkou, měl šestiválcový motor, který při zdvihovém objemu necelých 7,5 l dával výkon 50 koní. Škoda Fabia HTP má tříválec o zdvihovém objemu 1,2 l a výkonu 47 kW (64k). Dnešní technologická špička se navíc pyšní mnohem vyšším litrovým výkonem.
Snaha o zvýšení výkonu motorů bez jejich stálého zvětšování byla logická. Konstruktéři věděli, že toho je možné dosáhnout zvýšením kompresního poměru nebo zvýšením počtu otáček motoru. Obě cesty ale narazily na vlastnosti benzínu. Zvýšení kompresního poměru a tlaku před zapálením zvyšovalo riziko samovznícení paliva mimo vhodnou fázi pracovního cyklu a stejná překážka se objevila i při snaze zvýšit počet otáček motoru. Zkrácením pracovního cyklu se zvýšila pravděpodobnost, že se palivová směs setká se zbytkem spálených plynů a vznítí se od nich předčasně. Výsledkem bylo „klepání“, které kromě ztráty výkonu vedlo i k poškození motoru. Nežádoucí a nevhodně načasovaná detonace totiž generuje rázové vlny a prudké tlakové a teplotní nárůsty ve válci. Výsledkem je rázové zatížení pístu, ojnice, klikového hřídele a stěn válce, a nakonec selhání motoru. Začalo proto zkoumání různých paliv a izolovaných složek benzínu z hlediska odolnosti proti detonacím. Zjištěné rozdíly bylo třeba nějak vyjádřit a po zjištění, že nejlepším tehdy zkoumaným palivem je izooktan, se začalo používat oktanové číslo. Pokud má palivo oktanové číslo 100, má z hlediska odolnosti proti detonacím stejné vlastnosti jako čistý izooktan. Primární benzín přitom má oktanové číslo mezi 50 a 60. Experimentovalo se s nejrůznějšími přísadami, někdy i opravdu nečekanými, jako byl například kafr. Zjistilo se také, že oktanové číslo roste s vyšším obsahem aromatických uhlovodíků a rozvětvených parafínů v palivu.
Zvýšení oktanového čísla se dalo provést i jinými způsoby. V roce 1921 Thomas Midgley Jr. v laboratoři společnosti General Motors zjistil, že tetraethylolovo snižuje sklony paliva k detonaci. Jakékoliv informace o jedovatosti a nebezpečnosti této sloučeniny byly potlačeny. Přísada, označovaná z obchodních důvodů jako „Ethyl“, byla levná a umožňovala zvýšit oktanové číslo benzínu na 70–80. Automobilům to stačilo na další desítky let, ale vývoj leteckých motorů už za několik let znovu narazil na meze vlastností paliva. O tomto „technologickém stropu“ jsem psal i v jiném článku:
USA- Od snu Jamese Doolittla k oktanovému číslu 150
V USA ve dvacátých letech 20. století rostla poptávka po benzínu, těžší frakce byly využity na výrobu maziv, pohon lodí nebo ve stavebnictví (asfalt) a ze zpracované ropy zbývala hlavně petrolejová frakce, která byla dříve základem produkce. Petrolej navíc ztratil využití k osvětlování, protože čas petrolejových lamp v elektrifikovaných městech pominul. Část zpracované ropy tak nebyla využita a muselo s ní být nějak naloženo. Řešením byl vynález katalytického crackingu, pro který která se v češtině užívá výrazu krakování. Jeho principem je štěpení dlouhých uhlovodíkových řetězců na kratší a vznik lehčích uhlovodíků za vysokých teplot a přítomnosti katalyzátorů. Vynález vedl ke značnému zvýšení výtěžnosti benzínu. Část benzínu byla stále destilována rovnou v primární jednotce, další část nově vznikala při krakování. Pokusy s katalytickým krakováním i provoz prvních krakovacích jednotek navíc nečekaně vedly ke zjištění, že takto může být vyrobena celá řada látek, o kterých se už dříve vědělo, že zvyšují oktanové číslo. Koncem 30. let 20. století bylo prakticky možné vyrobit 100oktanový benzín a byly vyvinuty procesy obohacování paliva izooktanem, olefiny a aromatickými uhlovodíky. Vznikl také kompletní technologický řetězec, který umožnil hromadnou výrobu leteckého benzínu s vysokým oktanovým číslem. Vysokooktanový benzin se ale stále vyráběl v malém množství. Pro ropné společnosti byla jeho výroba nerentabilní a chyběl odbyt.
Na takto připravenou scénu vstoupila známá postava. Pozdější hrdina a organizátor náletu na Tokio, James „Jimmy“ Doolittle, byl v té době „jen“ vítězem řady leteckých závodů, držitelem několika rekordů a důstojníkem v záloze, který po ukončení služby v armádě začal pracovat v letecké divizi ropného gigantu Shell. Kromě těchto výkonů a pověsti jednoho z nejznámějších amerických letců měl totiž i diplom z oboru leteckého inženýrství z Massachusettského technologického institutu (MIT). James Doolittle chápal výhody paliva s vyšším oktanovým číslem, náklady na výrobu 100oktanového benzínu v té době ale dosahovaly téměř 65 centů za litr, zatímco Shell prodával armádě 87oktanový benzín za 15 centů. V době Velké hospodářské krize armáda nebyla ochotna utratit za palivo výrazně více, ropné společnosti zase odmítaly modernizovat výrobu bez garantovaného odběru. Instalace katalytického krakování nebo alkylátoru byla drahá a bez nich byla výroba 100oktanového benzinu ve větším množství a za rozumnou cenu nemožná. Doolittle však měl kontakty na obou stranách a podařilo se mu přesvědčit společnost Shell k rozjezdu výroby a letectvo k zahájení testů. V roce 1934 dodala společnost Shell na základnu Wright Field 3 800 litrů 100oktanového benzinu. Výsledky testů byly výmluvné: 100oktanový benzin zajistil proti 75oktanovému benzínu o 15–30 % větší výkon. Rozjezd výroby přinesl i pokles ceny a armádní výbor v listopadu 1936 rozhodl, že od roku 1938 budou všechny nové motory konstruovány pro 100oktanové palivo. Na konci války spotřebovalo americké letectvo přes 76 milionů litrů 100oktanového benzínu denně.
Další „tajnou zbraní“ spojenců byl dibrometan, který sice přímo nezvyšuje oktanové číslo, ale zabraňuje usazování oxidů olova vznikajících při spalování olovnatého benzínu na zapalovacích svíčkách a ventilech. To umožnilo do paliva přidávat mimořádně vysoké dávky tetraethylolova, které by jinak vyřadily motor během několika hodin provozu. Spojené státy přitom měly prakticky monopol na průmyslovou extrakci bromu z mořské vody a výrobu fungující v průmyslovém měřítku. Postupně tak byly vyvinuty benzíny s ještě vyšší odolností proti detonaci, než měl čistý izooktan. V letectví se tak objevilo „výkonnostní číslo“, které umožňovalo škálování benzinů s oktanovým číslem nad 100, a dosáhlo hodnoty až 150.
Německo-Železný MOTYL a motorový doping
Německo začalo budovat své vzdušné síly až v polovině 30. let. Letectvo používalo běžný ropný benzín, ale jeho antidetonační přísadou byl pentakarbonyl železa prodávaný pod obchodním názvem MOTYL. Jeho výhodou byla nejedovatost, alespoň tedy ve srovnání s extrémně toxickým tetraetylolovem, a domácí původ, nevýhodou nutnost používat několikanásobnou dávku. Někdy se uvádí, že tetraetyolovo v Německu nebylo používáno, ale Koncern IG Farben zakoupil licenci na jeho výrobu už v roce 1935 a palivo C3 tuto přísadu obsahovalo. K dalšímu růstu oktanového čísla paliv by Němci potřebovali dibrometan umožňující použití vyšších koncentrací a celé nové odvětví rafinérské výroby. Dostatečné zdroje bromu ale Německo nemělo a druhá podmínka nebyla reálná. Na rozdíl od USA byl skoro u všech ropných frakcí spíše převis poptávky. Výroba benzínu poptávce nestačila a byla doplňována syntetickým palivem, na těžší frakce čekalo námořnictvo, část petroleje se stále užívala na svícení, strojů na naftu bylo dost i na souši a o svůj podíl na těžších frakcích se hlásili výrobci maziv a izolací. Nikde tak nevznikal výraznější přebytek, který by mohl být dále zpracován krakováním. Celou válku proto Luftwaffe používala paliva s oktanovým číslem cca 87.
Palivo s nízkým oktanovým číslem přímo ovlivňovalo konstrukci motorů, protože k dosažení stejného výkonu bylo nutné zvýšit zdvihový objem. DB 601 Messerschmittu Bf 109 tak měl zdvihový objem válců 33,9 l a výkon 25,49 kW/l. Rolls-Royce Merlin ze Spitfirů a Hurricanů konstruovaný na 100oktanové palivo si vystačil se zdvihovým objemem 27 l a jeho „litrový“ výkon dosahoval 43 kW/l. Větší motor byl pochopitelně těžší a měl také větší aerodynamický odpor.
Motor DB 601 také dostal vstřikování paliva. To umožnilo zvýšení výkonu motoru přesnějším načasováním dodávky paliva a ochlazením spalovacího prostoru vstříknutým palivem. Obojí snižovalo riziko nežádoucích detonací a umožňovalo vymáčknout z motoru vyšší výkon. Vstřikování také zlepšilo chod motoru při některých obratech, kde se už v karburátorech jiných letadel projevovalo přetížení, výhodu 100oktanového paliva ale vyrovnat nedokázalo.
K dočasnému zvýšení výkonu německých motorů sloužilo například vstřikování vody a metanolu do válců pro chlazení směsi (zařízení MW 50), případně oxidu dusného (známé zařízení GM-1)). Letadla pak ale nesla až 150 kg dalšího zařízení ve formě zranitelného potrubí, čerpadel a nádrží s tekutinami i zkapalněným plynem. Zásobování látkami potřebnými k provozu těchto zařízení bylo pro bombardované Německo dalším logistickým problémem. Účinek obou zařízení byl sice efektní, ale jen krátkodobý. Už po 5–10 minutách použití hrozilo poškození motoru. Američtí a britští piloti se mohli zapojit i do vleklých bojů s maximálním výkonem.
Velká Británie- Energie pro Spitfiry
V bitvě o Británii dosáhly Spitfiry a Hurricany používající 100oktanové palivo znatelného zvýšení rychlosti, stoupání a zrychlení. Příprava na tuto bitvu ale začala o několik let dříve. Již v roce 1937 si Britové objednali u společností Shell a Standard Oil 100oktanové palivo a v roce 1938 byla zahájena stavba britské rafinérie schopné toto palivo produkovat. Zhruba 53 % britského vysokooktanového paliva pocházelo ze Spojených států, zbytek dodaly vlastní rafinérie. Motory stíhaček byly v průběhu Bitvy o Británii extrémně zatěžovány, přesto RAF udržela v provozu dostatek strojů a odhadovaných 100–150 koní navíc, které dokázaly „Merliny“ získat z vysokooktanového paliva, představovalo značnou výhodu prakticky při všech manévrech.
Velkým impulsem pak byla pro britské konstruktéry motorů dostupnost 150oktanového benzínu. Obří a technicky složitý 24válcový Napier Sabre spolehlivě fungoval až s tímto palivem a jím poháněné Hawkery Typhoon a Tempest byly až do příchodu proudových Glosterů Meteor nejrychlejšími spojeneckými letouny v malých a středních výškách. Kromě tohoto motoru přesáhly svým výkonem magickou hranici 3 000 koní i další britské motory přímo konstruované na 150oktanové palivo, tedy Rolls-Royce Griffon, používaný pro poslední verze Spitfirů, a hvězdicový Bristol Centaurus (letouny Bristol Brigand, Hawker Sea Fury, poslední verze Tempestů atd.)
Britské stíhačky si tak celou válku zachovaly výhodu vyplývající z výkonnějších a spolehlivějších motorů. Poslední generace pístových stíhaček, pro které byl 150oktanový benzín už běžným palivem, si pak poradila i s nečekanými výzvami, zejména s bojem proti střelám V-1, a se ctí obstála i v soubojích s proudovými letadly Luftwaffe.
SSSR –Palivový koktejl
Hlavním palivem sovětského stíhacího letectva po téměř celou válku zůstával B-78 s oktanovým číslem kolem 78. Německý B4 měl oktanové číslo 87 a angloamerický benzin měl oktanové číslo 100 a vyšší. Výroba komponentů pro vysokooktanové palivo, vyžadovala pokročilé procesy katalytického krakování a alkylace a první taková zařízení (s americkými jednotkami Udri) byla v SSSR postavena až v roce 1941. Dodáván byl proto benzín získaný přímo z ropy s oktanovým číslem zvýšeným přídavkem tetraetylolova.
Benzín B-78 výrazně omezoval kompresní poměr a plnicí tlak sovětských motorů VK-105 pro stíhačky Jak, AM-38 pro bitevní letouny Il-2 a AŠ-82, původně určených pro bombardéry Su-2, ale používaných hlavně pro stíhačky Lavočkinů La-5 a La-7. Letečtí konstruktéři se s nedostatečným výkonem motorů vyrovnávali snahou o snížení aerodynamického odporu a maximálním odlehčením strojů. Dlouho byla za příliš těžkou považována i radiostanice (v našich Aviích B-534 běžně montovaná už před válkou) a celá řada přístrojů. Stačí srovnat přístrojovou desku například La-5 a Spitfiru. Šetřilo se i u zbraní. 20 mm kanón a 2 kulomety u většiny stíhaček konstruktéra Jakovleva nebo dva 20 mm kanóny u La-5 a většiny La-7 byly dle západních standardů jen lehkou výzbrojí.
Sovětští motoráři tedy po vzoru Německa zkoušeli přímé vstřikování paliva do válců (například u motoru AŠ-82FN). I těmto motorům ale později pomohlo vysokooktanové palivo, a to jak ke zvýšení výkonu, tak ke snížení dříve značného výskytu poruch.
V roce 1942, kdy německý postup odřízl SSSR od klíčových ropných polí na severním Kavkaze, přímo ohrozil hlavní ropná pole v Baku a vynutil si evakuaci dalších závodů na Ural a Sibiř, byla ohrožena i tato palivová základna. Situaci zachránily dodávky v rámci programu Lend-lease. Sovětský svaz touto cestou obdržel přibližně dva a půl milionu tun ropných produktů, z nichž významnou část tvořil vysokooktanový letecký benzín. Byla to zhruba třetina sovětské spotřeby za celou válku. Toto palivo bylo určeno v první řadě pro západní letouny (P-39 Airacobra, P-63 Kingcobra, Hurricany, Spitfiry, bombardéry A-20 Boston a B-25 Mitchell a celou řadu dalších typů). Menší část posloužila pro výzkum a vývoj paliv i motorů a zbytek se obvykle míchal se sovětským leteckým benzínem, někdy přímo u frontových jednotek. O oktanovém čísle výsledné směsi lze říci jen to, že bylo proměnlivé, ale většinou dostatečné ke zlepšení výkonů a funkce sovětských motorů. I Němci si v té době všimli zvýšení výkonů sovětských letadel. S tím šel ruku v ruce i růst kvality pilotů, kterým se zvýšila šance přežít na frontě delší dobu a získat zkušenosti. Jakmile se obnovila výroba sovětského benzínu, bylo jednodušší převážet směsi aditiv ke zvýšení oktanového čísla přímo v rafinériích než mnohem větší objemy paliva. I v SSSR pochopitelně probíhal výzkum a byla zahájena výroba směsných benzínů vzniklých krakováním i některých látek potřebných ke zvýšení oktanového čísla, americký příspěvek ale byl zásadní. V letech 1943–1944 tak byla zavedena výroba kvalitnějšího benzinu B-95 s oktanovým číslem přibližně 95. Sovětské letectvo ale nikdy nedostalo vlastní 100oktanový benzín.
Sovětský svaz po válce sice prezentoval tento pokrok jako výsledek vlastního vývoje, ale význam západní pomoci ukázala poválečná léta. SSSR zůstával „nízkooktanovou zemí“ i u automobilových paliv až do svého zániku. Ještě dlouho po válce byl v prodeji benzín s oktanovým číslem 66 a benzín AI-76 přestal být nejprodávanějším palivem až v dobách Ruské federace. V ČSSR byl přitom prodej benzínu Normál s oktanovým číslem 80 ukončen v roce 1980.
Československé zvláštnosti
V meziválečném období se v drtivé většině Evropy rozšířila směsná paliva, která snižovala objem dovozu, pomáhala využít zemědělské přebytky nebo vedlejší produkty z jiných oborů a z hlediska potřeb obrany státu nabízela decentralizaci a menší zranitelnost zdrojů. Směsi se lišily dle místních podmínek jednotlivých zemí a toto téma by vydalo na samostatný článek. V Československu se jednalo o směs 50 % benzínu, 30 % benzolu a 20 % lihu, která byla nejdříve prodávána pod obchodním názvem Dynalkol, později jako Bi-Bo-Li. Benzol byl vedlejším produktem výroby koksu, líh pocházel ze zpracování různých zemědělských přebytků. Nepoužíval se ale jen etanol, ale i metanol, tehdy nazývaný dřevní líh. Byl vyráběn suchou destilací dřeva a jeho výrobci sídlili většinou na Slovensku a Podkarpatské Rusi. Směsné palivo se na základě zákona č. 85/1932 Sb. o povinném mísení lihu s pohonnými látkami a navazujících předpisů stalo jedinou možností pro tankování aut i letadel.
Celý systém byl na jedné straně vychvalován jako podpora domácího průmyslu a zemědělství i v chudších oblastech státu, zdroj práce pro údajně až 25 000 zaměstnanců a příspěvek k obchodní bilanci i obranyschopnosti republiky, zároveň byl ale kritizován jako výsledek lobbingu Agrární strany. Směs měla vyšší výrobní cenu ve srovnání s čistým ropným benzínem a výsledkem byl i nárůst cen pohonných hmot. To spolu s vysokou daňovou zátěží na automobily napomohlo zaostávání ČSR v počtu automobilů. Kromě vyšší ceny si řidiči stěžovali na negativní vliv biosložky na palivovou instalaci. Výsledná směs ale byla použitelná a
poměrně stabilní. Velmi dobré oktanové číslo lihu i benzolu navíc znamenalo, že nebylo třeba přidávat žádné antidetonační přísady.
Čs. letectvo používalo svoji verzi Bi-Bo-Li s obráceným poměrem lihu a benzolu. Oktanové číslo výsledné směsi dosahovalo velmi slušné hodnoty 85. Ve druhé polovině třicátých let to ale přestávalo stačit. Zahraniční motory bylo třeba upravovat, a i tak jejich výkon proti provozu na klasický benzín většinou klesl. Nejvíce to bylo vidět u už tak podmotorovaných licenčních „Blochů“ MB-200, podobné to ale bylo i u motorů HS 612 YDRS pro stíhací Avie a úpravy byly nutné i u bombardérů B-70 (SB-2) z SSSR, i když jejich motory konstruované na sovětské palivo nebyly nijak náročné. Další zlepšení už ale nebylo snadné. Vliv tetraetylolova byl v této směsi minimální, prosadit zavedení čistě ropného paliva alespoň pro letectvo nikdo nedokázal a výrazně lepší palivo bylo horkou novinkou i v USA. K převzetí zkušeností a vybudování výrobního zázemí už čas nebyl a republika se připravovala k obraně s tím, co bylo k dispozici.
Teď se můžeme vrátit ke II. světové válce. Jednou z nejzajímavějších epizod její letecké části byla i činnost 1. čs. Stíhacího pluku v SSSR z povstaleckého území za Slovenského národního povstání. Pluk operoval prakticky v týlu nepřítele a 560 l v nádržích každé z „Lavoček“ vystačilo sotva na hodinu letu. Kapacita leteckého mostu do SSSR byla omezená a seznam potřebných položek dlouhý. Každý barel paliva zabíral místo jinému potřebnému nákladu. Dodávky pro povstalce nabídli i Američané, kteří měli relativně blízké základny v Itálii, ze sovětské strany ale zazněl kategorický zákaz, který se americké letectvo odvážilo porušit pouze „praktickými dárky“ v letadlech určených k vyzvednutí sestřelených letců z povstaleckého území. Zbývaly tedy místní zdroje. Schopnost „Lavoček“ létat i na německé palivo byla v praxi vyzkoušena. Ve výzbroji Kombinované letky na letišti Tri Duby bylo ale jen několik Messerschmittů verzí E a G. Převážnou většinu výzbroje tvořily ještě československé stroje a většinu zásob paliva již zmíněná směs Bi-Bo-Li, na kterou samozřejmě nebyly motory „Lavoček“ konstruovány. Na úpravy motorů chyběl čas i technické možnosti. Řešení ale bylo nutné najít a skutečně se našlo.
V řadě publikací o povstání je mezi materiálem dodaným ze Sovětského svazu zmiňována vedle paliva i směs ke zvýšení oktanového čísla paliva používaného slovenským letectvem, ale bez jakéhokoliv údaje o složení nebo původu. Nejednalo se totiž o geniální vynález sovětských chemiků, ale o již zmíněná aditiva původem z USA. Tyto přísady byly určeny k použití v rafinériích, v SSSR ale byly často aplikovány až do zásob paliva ve skladech a u frontových jednotek a okamžitě si vysloužily pověst univerzálního řešení problémů s kvalitou benzínu. Část dodávek tedy byla posílána do armádních skladů. S určitým množstvím pro „doladění“ zásob německého paliva se zřejmě počítalo od začátku, palivo Bi-Bo-Li ale představovalo mnohem náročnější výzvu.
Je zřejmé, že československé palivo muselo být využito. Letecký most totiž dodal 98 000 kg paliva (cca 150 000 l), což pro vykázaných 372 operačních letových hodin „Lavoček“ nemohlo stačit. Piloti navíc popojížděli, zahřívali motory a probíhaly i nebojové přelety mezi letišti Zolná a Tri Duby. Nějaké palivo bylo zničeno v důsledku německých útoků a zbývající letuschopné „Lavočky“ odstartovaly po ukončení bojových akcí v rámci SNP k letu zpět do SSSR s plnou nádrží. Rozdíl muselo pokrýt upravené palivo. Bohužel se nedochovaly žádné údaje o konkrétních postupech nebo poměrech. Nevíme ani to, jestli se americký přípravek aplikoval do čisté směsi Bi-Bo-Li nebo do její směsi s benzínem. 520 kg dodaných aditiv je relativně dost, ale při neznámém množství upravovaného paliva můžeme o dávkování pouze spekulovat. Mechaniků se nikdo včas nezeptal a pro piloty bylo podstatné, že to fungovalo a měli dostatek paliva pro bojovou činnost.
Význam vysokooktanového benzínu
Až si někdy připlatíte za prémiový benzín pro své auto nebo vylijete plechovku aditiva do jeho nádrže, můžete si na tuto historii vysokooktanového paliva vzpomenout.
V popisech leteckých bitev se zmínka o palivu obvykle neobjeví, pokud některé ze stran nechybělo. Někdy se o ve svých vzpomínkách zmínil i technicky zdatnější pilot. Ministr G. Lloyd citovaný v úvodu a konstruktéři motorů a letadel ale věděli, proč dostupné vysokooktanové palivo řadili vedle radaru a atomových zbraní mezi hlavní vynálezy, které přispěly k porážce nacistického Německa.
Zdroje:
