四エチル鉛: 1 つの解決策、そして多くの新たな問題の原因

1920 年代から 1970 年代まで、米国のほとんどのガソリン車は鉛が混合された燃料を使用していました。 その理由は、当時の内燃機関における異常燃焼によるエンジンノッキングの影響を軽減するためでした。 鉛（テトラエチル鉛の形）はこれに効果的でしたが、1920 年代でも、代替のアンチノック剤の存在と、鉛曝露の健康への影響に対する不快な認識の両方が見られました。

何がテトラエチル鉛の採用を促したのか、また環境や健康関連の問題がクローズアップされてからなぜ段階的に廃止されたのかを見ていきます。 しかし、そのアンチノック効果についてはどうなのでしょうか？ また、それに代わるアンチノック剤と、このエンジンノッキング問題が最近どのように対処されているかについても見ていきます。

内燃機関 (ICE) では、理想的には、シリンダーに噴射される混合気は、火炎前面が点火点から外側に移動し、混合気のすべてが燃焼する完璧な瞬間に点火します。完全にアップします。 これにより、ピストンのクリーンなストロークを実現しながら、混合燃料のエネルギーを最大限に活用することができます。

しかし実際には、この燃料と空気の混合物のポケットは火炎面が到達する前に点火します。 これらのいわゆる「冷たい炎」は、ピストンによる圧縮と混合気内のわずかな不均一性が組み合わさって発生し、シリンダー内に追加の圧力波を引き起こします。 これによりシリンダー圧力が上昇し、エンジンのノッキングを示す典型的な金属音を引き起こします。 スパークプラグの火炎面の外側でこれらのポケットがどれだけ点火するかによって、その結果、コンポーネントの摩耗が増加したり、完全に破壊されたりする可能性があります。

ここで、燃料のオクタン価は、燃料がどの圧縮レベルで（火花なしで）点火するかを本質的に決定するため、非常に重要です。 したがって、高オクタン価燃料は燃焼しにくくなりますが、はるかに高いレベルの圧縮が可能となり、効果的により多くのパワーを生成します。 対照的に、ディーゼル エンジンは空気を圧縮するだけで、圧縮サイクルの最後に燃料が噴射され、圧縮空気からの熱で燃料に点火するため、低オクタン価の燃料が必要です。

幸いなことに、この早期点火効果を防ぐ方法は数多くあります。 これらには次のものが含まれます。

最初の点は、いわゆるアンチノック剤を使用することで選択できます。これは、自動発火が発生する温度と圧力を上昇させて燃料のオクタン価を上げる化学物質です。 テトラエチル鉛 (TEL) はそのような薬剤の一例です。 化学式は (CH3CH2)4Pb です。

エンジンのシリンダー内での TEL の機能は、冷たい炎の連鎖反応を維持することになる熱分解ラジカルを処理することにより、火炎面の外側で発生する自然発火を消すことです。 ここで、鉛は実際の反応剤であり、残りの TEL は (アルキル基のおかげで) ガソリンに溶解できるようにする役割を果たします。

TEL が燃焼すると、二酸化炭素、水、鉛が生成されます。

鉛はさらに酸素と反応して酸化鉛(II)を形成する可能性があります。

放っておくと、鉛と酸化鉛(II)がエンジン内に蓄積し、エンジンを破壊してしまいます。 これを防ぐために、1,2-ジブロモエタンや1,2-ジクロロエタンなどの鉛スカベンジャーを加えて、それぞれ臭化鉛(II)と塩化鉛(II)を生成します(残念ながら、どちらもヨウ化鉛(II)ほどきれいではありません)。 これらの化合物は、通常の運転中にエンジンから簡単に除去され、そこから環境中に放出されます。

鉛に加えて、エタノール (C2H6O) とベンゼン (C6H6) という 2 つの他の物質がガソリン燃料のオクタン価を高めることが知られています。 エタノールの場合、このオクタン価上昇特性は、エタノールがガソリン燃料の完全な（より高価ではあるが）代替品として適しているためです。 エタノールはデフォルトでほとんどのガソリン燃料よりも高いオクタン価を持っているため、ある割合のエタノールをガソリン燃料に混合すると、ガソリン燃料のオクタン価が高くなり、望ましいアンチノッキング効果が得られます。