От октанового числа бензина зависят разные характеристики автомобиля, например, динамические или эксплуатационные свойства. Речь идёт о мере стойкости конкретного типа топлива к возгоранию (детонации). Для разных видов горючего разработаны отдельные стандарты, и именно они учитываются при подборе октанового числа для конкретного типа автомобильного двигателя. Рассмотрим подробнее, что такое октановое число бензина, как измерить данный параметр, как он влияет на характеристики бензина.
Октановое число представлено в виде меры, которая определяет химическую стойкость топлива к автоматическому зажиганию. Детонационная стойкость прямо пропорциональна величине ОЧ. Топливно-воздушная смесь сжимается под воздействием поршня во время такта сжатия. Высокое давление может спровоцировать самопроизвольное возгорание смеси, и это проблема, если детонация произошла до того, как свеча зажигания дала искру.
Сопровождается данный процесс шумовым эффектом, напоминающим звон монет в керамической копилке. Объяснить такие звуки можно образованием волн высокого давления, между которыми происходит столкновение.
Последствия самовозгорания могут быть представлены серьёзными повреждениями внутренних элементов мотора, поршневые отверстия могут расправиться, а шатуны погнуться. Двигатель выходит из строя.
С современными двигателями таких неприятностей практически не происходит благодаря наличию специальных компьютерных блоков управления. Соответствующие детонационные датчики монтируются на блок мотора и своевременно определяют частоты, указывающие на риск детонации.
После фиксации подобных частот управляющий КПП модуль возвращает контроль воздушно-топливной смеси. Происходит оттягивание момента появления искры в свечах, снижение уровня наддува в моторе или коррекция состава топливной смеси для предотвращения поломки.
Разработки автомобильных концертов ориентированы на предотвращение самовозгорания в узлах мотора, поэтому двигатели производятся с высокой степенью сжатия. В данном контексте именно октановое число имеет первостепенное значение, поскольку топливо с высоким октановым числом требуется для двигателей с высокой степенью сжатия. Применяются они преимущественно в представительских или спортивных автомобилях. Степень сжатия в современных авто может составлять 10 к 1, однако встречаются и более высокие показатели.
Конкретное ОЧ разработано заводом-изготовителем отдельно для каждый модели и марки машины. Характеристики такого рода указаны в инструкции по эксплуатации, но к чему приведет игнорирование рекомендаций?
Использование топливной жидкости с меньшим ОЧ, чем требуется, приводит к следующим последствиям:
Если же октановое число в топливе, наоборот, выше, чем нужно, последствия будут не такими плачевными. Речь идёт о незначительном снижении динамики, поскольку горючая смесь будет сгорать дольше.
Определение октанового числа бензина возможно двумя методами – исследовательским и моторным. Поскольку полученные в результате данных манипуляций результаты различны, обозначаются они как ОЧИ и ОЧМ, соответственно. Соблюдение особых условий для реализации обоих методов является обязательной мерой. Первостепенно необходимо подобрать смеси эталонных углеводородов высокого качества с числом 100 (изооктан) и нормального n-гептана с числом 0.
На следующем этапе октановое число определяется с помощью специальной установки.
Отдельно стоит рассмотреть третий способ определения октанового числа – использование специальных приборов, однако в данном случае стоит сразу ориентироваться на наличие погрешностей, поскольку точность таких измерений зачастую сомнительна.
Абсолютно все приборы, используемые для измерения величины ОЧ, имеют единый принцип работы – определение диэлектрической проницаемости бензина, поскольку данный параметр пропорционально зависит от величины ОЧ. Обязательной мерой является составление специальной калибровочной зависимости с целью получения максимально точной величины. Данная зависимость строится с учётом н-гептана и топлива с известной величиной октанового числа.
Среди наиболее распространённых устройств импортного и отечественного производства можно выделить следующие.
Стоит отметить, что ОЧ согласно измерениям приборов может существенно отличаться в зависимости от производителя топлива из-за разной калибровочной зависимости. Построение индивидуальных калибровок для каждого случая является обязательной мерой. Бензин конкретного производителя принято использовать в качестве стандарта.
Среди недостатков рассматриваемого способа определения ОЧ можно выделить сложность определения разных внешних факторов, которые могут влиять на процесс измерения. Также недостатком считается невозможность анализа неидентифицированного топлива, поскольку анализ изначально основан на сравнении.
Часто водители интересуются, как повысить октановое число бензина или понизить данный показатель. Повышение ОЧ считается более простым процессом, чем понижение. Это может быть добавление специального антидетонатора или использование сложного технологического процесса. Именно первому варианту принято отдавать предпочтение.
В качестве антидетонаторов могут использоваться следующие вещества.
Поскольку продажа 76-го и 80-го бензина на заправках от недавнего времени прекратилась, возникла необходимость понижать октановое число топлива, поскольку техника, работающая на бензине с низким октановым числом, эксплуатируется до сих пор. В качестве примера можно привести модели мотоблоков, которые были выпущены 10 лет назад или раньше.
Что такое октановое число и от него зависит? Таким вопросом задавался любой автомобилист, заправляя на заправке свою машину с мыслью о выборе заправочного шланга с какими то условными цифрами над ним.
Октановое число
— это фактически уровень детонации, при котором бензин воспламеняется и взрывается в камере сгорания вашего автомобиля. Если бензин загорится раньше чем нужно, в то время когда еще не закрыты полностью впускные клапана и цилиндр не находится в верхней точке то естественно двигатель, не только может не работать на полную мощность, а работать некорректно, и что еще хуже, фактически мы получим детонацию но об этом далее.
При таком низком октановом числе мы получим при длительной эксплуатации кучу проблем с частями двигателя — износ клапанов, седел под них, дополнительный нагар и т.д. Кроме того несоответствие октанового числа для двигателя влечет за собой ту же дополнительную детонацию, которую часто путают со стуком клапанов.
Октановое число получается путем смещения составляющих бензина . Изооктан — вещество, которое почти не взрывоопасно при повышении давления, и его детонационная стойкость была принята за 100 единиц. В то же время н-гептан абсолютно устойчив к детонации при повышении давления (можно сказать самодетонирующий) , поэтому его детонационная стойкость принята за 0 . Именно смесь данных веществ позволяет регулировать октановое число в бензине. Кроме того в бензин добавлен триметилпентан , от которого октановое число мало зависит. Бывают бензины и с октановым числом более 100 единиц, для них используют изооктан с добавлением различных объемов присадок.
Присадки для повышения октанового числа бензина
Для повышения большего октанового числа добавляют ароматические углеводороды и парафиновые углеводороды (алканы) разветвленного строения. Именно с применением этих компонентов и повышается октановое число. Но как вы заметили применяемые вещества называется ароматическими (ароматические углеводороды) т.е. говоря языком обывателя, высокооктановый бензин сильнее пахнет чем низкооктановый. В этом есть и определенные минусы, поскольку высокооктановый бензин в последствии добавления ароматических составляющих, более летуч. Что при длительном хранении в открытой емкости или определенным сочетанием емкости с внешней средой влечет к понижению октанового числа бензина. Поэтому можно сказать, что высоко октановый бензин должен быть » свежим » .
Ранее в СССР для повышения октанового числа применялся тетраэтилсвинец — ядовитая смесь в составе со свинцом. К сожалению тетраэтилсвинец не только ядовит сам по себе, но и быстро выводит из строя каталитические нейтрализаторы и лямда -зонды, которые стали применяться в конструкции современных автомобилей, вследствии чего пришлось отказаться от этой присадки. Также применялись присадки на основе марганца, но сейчас они они также запрещены по экологическим соображениям. Кроме того, для повышения октанового числа иногда используют присадку — ферроцен . Эта присадка (ферроцен) имеет в своем составе железо и создает тяжело устраняемый токопроводящий налет на свечах (оттенки красного цвета) , который ухудшает эксплутационные характеристики и соответственно уменьшает срок службы свечей зажигания. Бензины включают и другие присадки и примеси. Присадки в бензине выполняют разные задачи. Уменьшают количество вредных примесей в бензине — сера, вода, чистят детали двигателя или топливную систему, повышают октановое число бензина (об этом было сказано выше) . Относительно безвредной для двигателя антидетонационной присадкой является метилтретбутиловый эфир. Сейчас он широко применяется в Украине, России и Европе.
Вполне реально получить бензин, с октановым числом более 110 (а это авиационные топлива). Кроме того, всем известная схема со смешиванием газового конденсата, ведь октановое число природного газа как правило выше 100 .
От октанового числа зависит скорость сгорания бензина, то есть фактически взрыв. При высоких октановых числах горение бензина происходит длительно, плавно.. При этом соответственно и газы в камере не дают на поршни нагрузок с явлением удара и излишней резонансной детонации. Двигатель работает более равномерно, плавно и четко. Поэтому в автомобильной промышленности и присутствует тенденция выпускать двигатели современных автомобилей работающих на высокооктановом бензине.
Примерно определить октановое число можно, специализированным прибором — Октанометры, он дает погрешность в октановых числах на 5-10 единиц. Поэтому, проще говоря, проверить качество бензина нет никакой возможности без лабараторных исследований.
В лабаратории октановое число определяют двумя способами:
— Моторный (MON)
— Исследовательский (RON) .
В США октановое число заменяется на так называемый октановый индекс,который составляет среднеарифметическое количество октановых чисел, полученных по моторному и исследовательскому методу для этого топлива. А вот в Японии для обозначения марок бензина используют только исследовательский метод. На наших АЗС также декларируется именно октановое число, полученное по исследовательскому методу.
Применение бензина с низким октановым числом.
Если получилось так, что вы заправили машину низкооктановым топливом, то прислушайтесь к двигателю. Если двигатель работает стабильно, но плохо тянет, в этом нет ничего страшного, просто сожгите весь низкооктановый бензин и в дальнейшем заправьте бензин с нормативным октановым числом. При этом старайтесь избегать динамичной езды, для избежания детонации в двигателе.
Но если с двигателя слышны звонкие звуки, которые часто путают со стуком клапанов, то это означает, что смесь детонирует ранее чем закрываются клапана
. Фактически это взрывная волна распространяется по блоку двигателя и в выхлопную систему. В данном случае это может привести к прогоранию поршней и выпускных клапанов, факт негативного воздействия будет в наличии. » Естественную » детонацию можно иногда наблюдать в случаях чрезмерной нагрузки двигателя, при подъеме в горку, при движении на повышенной передаче. Длительная работа двигателя даже с «естественной» детонацией недопустима, так как это может привести к перегреву двигателя и,как следствие, повреждения прокладки головки блока цилиндров, прогорания поршней и клапанов.
Не нужно пытаться применять высокооктановый бензин для автомобилей чьи двигатели не рассчитаны на него. Минусы такого применения тоже очевидны, если изначально конструкция была разработана под низко октановые числа бензина и вы применили высоко октановый бензин, то это повлечет полную перенастройку впускных и выпускных газов а возможно и замену некоторых составляющих двигателя. Время горения бензина в этом случае дольше и фактически нужно будет настроить поршневую группу и воспаление таким образом что бы расширение объема цилиндр — поршень равнялось времени горения, при этом клапана были бы закрыты. Фактически на настроенном двигателе бензин сгорает с опозданием, при этом также будет происходить потеря мощности.
Любой, кому хотя бы раз доводилось заправлять топливный бак или запасную канистру бензином, знает, что он бывает разных сортов, от обычного неэтилированного до дорого бензина премиум -класса. Каждый «букет» имеет свой номер (80, 92, 95) , который соответствует его октановому числу, но что это значит? Что такое октановое число и какова его функция? Чтобы найти ответы на эти вопросы, мы обратились к экспертам в области топлива.
Не так давно мы опубликовали статью, повествующую . В ней мы затронули тему топливной системы автомобиля, и решили на ней не останавливаться, а пойти еще глубже, выяснив какие сорта топлива, заливаемого в наши баки, существуют, а также по каким признакам квалифицируются. Оказалось, что квалифицирующим признаком в привычном для нас топливе является октановое число. Что это такое и «с чем его едят», мы не знали, потому реши разобраться в этом вопросе более подробно. Чтобы понять функцию октана, который, по сути, является химической стойкостью бензина к самовоспламенению - чем выше число, тем меньше вероятность взрыва под большим давлением - для начала вы должны знать основы функционирования . Если вы уже знакомы с поршнями, клапанами и свечами зажигания, не стесняйтесь и смело пропускайте следующие три абзаца, если нет, пожалуйста, продолжайте чтение для быстрого ознакомления с двигателем внутреннего сгорания. Без этого, понять что такое октановое число не получиться.
Двигатели, которые вы можете найти практически в каждом современном транспортном средстве, работают по принципу, известному как четырехтактный цикл. В каждом двигателе есть поршни, которые перемещаются вверх и вниз внутри цилиндра. Поршни прикреплены к шатунам, которые вращаются на коленчатом валу. Сила, приложенная к этим частям при помощи трансмиссии, является тем, что в конечном итоге заставляет двигаться колеса вашего автомобиля, чтобы доставить вас вовремя на работу.
Что же это за четыре такта в этом важнейшем процессе? Если говорить о них в порядке их возникновения, то речь идет о такте впуска, сжатия, рабочем такте и такте выпуска.
Цикл начинается, когда поршень начинает движение вниз по цилиндру. Этот процесс называется тактом впуска. Как только он опускается, точно контролируемая смесь воздуха и паров топлива всасывается в цилиндр через открытый впускной клапан. Далее впускной клапан закрывается и поршень начинает свое движение вверх, такт сжатия, когда происходит сжатие воздушно-топливной смеси. Как только поршень достигает вершины своего путешествия, свеча зажигания выдает искру, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь путем мощного взрыва. В этот момент происходит рабочий такт двигателя. Сила, образованная в результате взрыва, опять толкает поршень вниз и обеспечивает движущую силу, которая заставляет двигатель работать, а автомобиль двигаться. Как только поршень достигает дна, ему самое время опять подниматься. В игру вступает такт выпуска, во время которого все горячие, оставшиеся газы после процесса сгорания выталкиваются через уже открытые выпускные клапаны. Как только поршень опять достигает своей верхней точки, открываются впускные клапаны и весь процесс начинается сначала. Представьте себе, с какой скоростью все это происходит, когда вы мчитесь по шоссе!
Надеемся, что мы все доходчиво объяснили; если же вы любите докопаться до сути (как Пастернак), тогда рекомендуем ознакомиться с нашим более подробным материалом на эту тему, под названием « ». Теперь мы добрались до главного, к тому, из-за чего затевалось написание данной статьи - узнать какую роль октановое число играет для двигателя автомобиля или попросту говоря, что такое октановое число?
Стивен Расс, технический руководитель отдела разработки двигателей в компании Ford Motor, является топливным экспертом. По его словам, «октановое число это просто мера химической стойкости бензина к автоматическому зажиганию». Он также сказал, что «бензин с более высоким октановым числом является более устойчивым к самовозгоранию».
Так что же, по сути, делает это октановое число? Помните, чуть выше мы объясняли, как во время такта сжатия поршень сжимает воздушно-топливную смесь? Если эта смесь окажется под слишком высоким давлением она может спонтанно воспламениться, что является серьезной проблемой, если смесь загорается до того, как свеча зажигания дает искру.
Самовоспламенение, более известное как «детонация» (детонационное сгорание топливной смеси), может привести к отчетливо слышимому шуму. Этот потенциально разрушительный грохот звучит как звон монет, которые вы забрасываете в пустую копилку.
По словам Билла Стадзински, топливного специалиста из General Motors, самовоспламенение может привести к «волнам высокого давления, которые сталкиваются друг с другом, и именно это вызывает стук и звон, который вы слышите».
Помимо шума, детонация может нанести ущерб внутренним компонентам двигателя. Представьте себе, самовоспламенение может расплавить отверстия в поршнях и даже согнуть шатуны, что приведет к неминуемой поломке двигателя. К счастью Расс заверил нас, что «такое в наше время случается редко» благодаря передовым компьютерным блокам управления двигателем.
«В наших автомобилях установлены детонационные датчики», уверил нас Стадзински. Это небольшие электронные преобразователи, прикрепленные к блоку двигателя, которые прислушиваются к конкретным звуковым частотам, характерным для детонации. Если датчики обнаруживают такие частоты, модуль управления трансмиссией выполняет ряд действий, чтобы опять вернуть контроль над сгоранием воздушно-топливной смеси. Блок может понизить уровень наддува в двигателях с наддувом и турбонаддувом, потянуть время возникновения искры в свечах зажигания или обогатить воздушно-топливную смесь, чтобы предотвратить внутренние повреждения двигателя.
Высокая степень сжатия позволяет двигателю создавать больше мощности при сжигании меньшего количества топлива. Степень сжатия, по сути, это показатель того, как плотно сжата воздушно-топливная смесь внутри цилиндра. Степень сжатия большинства современных двигателей составляет приблизительно 10 к 1, но она может быть и выше, например 12 к 1 и больше, если речь идет о двигателе с прямым впрыском топлива. А в двигателях с наддувом степень сжатия может быть наоборот немного ниже.
Автопроизводители постоянно должны помнить о тонкой грани, которая не приведет к самовоспламенению. Именно здесь в уравнение вписывается октановое число. Двигатели с более высокой степенью сжатия, - которые обычно встречаются в высокопроизводительных спортивных автомобилях - практически всегда нуждаются в топливе с более высоким октановым числом, которое снижает вероятность самовоспламенения. По словам Расса, бензин с более высоким октановым числом «никаким образом не влияет на эффективность расхода топлива» .
Напомним, что более высокое давление внутри цилиндра требует топлива с более высоким октановым числом, чтобы предотвратить повреждения двигателя, которые могут быть вызваны самовоспламенением, что в свою очередь приведет к . Но никто не застрахован от ошибок. Что же будет, если вы залили в свой автомобиль неправильный сорт топлива?
«Если вы обладатель автомобиля, который требует топлива премиум класса, а вы в него влили бензин с октановым числом 87 и начинаете отчетливо слышать удары во время движения, то вам нужно будет обращаться с автомобилем как с ребенком до тех пор, пока вы не доберетесь до ближайшей заправочной станции», сказал Стадзински, при этом добавив, что «даже если вы не слышите отчетливого стука, реакция в автомобиле все же идет». Происходит снижение производительности, увеличивается расход топлива, большое количество тепла отправляется в выхлопной катализатор, что снижает его прочность. Если же вы прочли эти строчки и махнули рукой, решив и дальше «кормить своего железного коня» бензином с октановым числом, меньшим, чем вам рекомендовал автопроизводитель, ремонта автомобиля не избежать.
По словам Садзински, существуют два основных отдельных теста, чтобы определить те числа, которые вы видите на заправках. Возможно вы уже замечали эту формулу (R+M)/2. Как правило, ее пишут на заправочных станциях. «R» означает «research octane number» или «октановое число бензина по исследовательскому методу», а «М» означает «motor octane number» или «октановое число бензина по моторному методу». Каждый из этих методов является одним из тестов, которые мы упомянули выше. Среднее значение разработано для того, чтобы предоставить каждому водителю приемлемый рейтинг сортов бензина. Потребности в топливе минивэна, который еще буксирует за собой прицеп через горный перевал в пустыне, сильно отличаются от потребностей небольшого легкового автомобиля, который преимущественно ездит на уровне моря.
По словам Садзински, научно-октановый тест отдает предпочтение большим, более старым транспортным средствам - автомобили и небольшие грузовики с двигателями большого объема и без наддува. Для таких двигателей характерна более высокая температура в цилиндре, чем для двигателей, октановое число для которых рассчитывается по моторному методу. Такой тест больше ориентирован на небольшие, эффективные двигатели с турбонаддувом.
Но так как наш эксперт американец, то и рассказал он нам об «американском» октановом числе, для расчета которого используется среднее значение двух методов. Но Садзински обратил наше внимание на то, что «в мире нет одного согласованного стандарта расчета октанового числа, поэтому остальной мир, Россия в том числе, использует только октановое число бензина по исследовательскому методу».
Если вы когда-либо были в Европе, то возможно, замечали надпись «95 RON» на их заправочных станциях. RON, конечно, означает «research octane number».
По словам Садзински, интересен тот факт, что в Европе самым распространенным является бензин с октановым числом 95, что в пересчете на американскую систему дает 90. А это значит, что европейские транспортные средства должны быть откалиброваны, чтобы ездить на самом распространенном американском бензине с октановым числом 87, и наоборот.
В нашей стране не так много обладателей автомобилей американских производителей, и им не следует беспокоиться по поводу калибровки двигателя. Но если вы задаетесь вопросом, какой же бензин лучше всего подходит для вашего автомобиля, то лучше всего следовать тем рекомендациям, которые производитель отобразил в руководстве по пользованию автомобилем. Рекомендуемый сорт бензина поможет вашему железному коню показать самую лучшую производительность.
Надеемся, мы смогли ответить на ваш вопрос, что же такое октановое число, и для чего нужен этот показатель в топливе. Если у вас остались еще какие-то вопросы на эту тему, можете смело оставлять их в комментариях под этой статьей, на все мы постараемся ответить.
ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО –мера детонационной стойкости бензина и моторных масел.
Во всем мире производится и потребляется огромное количество бензина – как автомобильное топливо. Чтобы бензин сгорал в цилиндрах автомобиля «правильно», он должен обладать рядом свойств. Одно из важнейших – октановое число. Именно оно написано на всех бензозаправках, и от него зависит качество и цена бензина. Когда из выхлопной трубы валит черный дым, а двигатель издает резкие звуки, это означает, что бензин в цилиндрах вместо сгорания с положенной ему скоростью 15–60 м/с начинает взрываться – детонировать со скоростью 2000–2500 м/с (см . ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА). Детонационная волна многократно отражается от стенок цилиндра, создавая неприятный звук, резко снижая мощность двигателя и ускоряя его износ.
Причина детонации – выделение энергии при повышенном образовании гидропероксидов ROOH в парах бензина при их окислении кислородом воздуха (см . ПЕРОКСИДЫ). Если концентрация гидропероксидов превысит некоторый предел, произойдет их взрывной распад. Взрыв пероксидов протекает по механизму разветвленно-цепных реакций (см . ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ). Для повышения детонационной стойкости есть два пути. Первый – повысить в составе бензина долю разветвленных и ароматических соединений. Второй – ввести в топливо небольшие количества специальных добавок. Обычно используют оба пути.
Чтобы определить антидетонационные свойства полученной смеси, в 1930-х была предложена специальная шкала, в соответствии с которой стойкость данного бензина к детонации сравнивается со стойкостью стандартных смесей. В качестве стандартов были выбраны два вещества: гептан нормального строения и один из изомеров октана – 2,2,4,-триметилпентан (его называют «изооктаном»). Смесь паров гептана с воздухом при сильном сжатии легко детонирует, поэтому качество гептана как топлива считается нулевым. Изооктан, будучи разветвленным углеводородом, устойчив к детонации, и его качество принимают равным 100. Октановое число определяют так. Готовят смесь из нормального гептана и изооктана, которая по своим характеристикам эквивалентна испытуемому бензину. Процентное содержание изооктана в этой смеси и есть октановое число бензина. Существуют горючие жидкости с более высокими антидетонационными характеристиками, чем изооктан. Добавки таких жидкостей позволяют получить бензин с октановым числом более 100. Для оценки октанового числа выше 100 создана условная шкала, в которой используют изооктан с добавлением различных количеств тетраэтилсвинца Pb(C 2 H 5) 4 . Известно, что это вещество уже в очень малых концентрациях значительно повышает октановое число бензина. Зная, сколько тетраэтилсвинца надо добавить в бензин, чтобы повысить его октановое число на одну единицу, несложно приготовить из изооктана стандартные смеси с октановым числом 101, 102 и т.д.
Октановое число определяют разными способами. Для автомобильных бензинов применяют два метода – моторный и исследовательский. В первом случае моделируют работу двигателя в условиях больших нагрузок (движение по шоссе с высокой скоростью), во втором – в городских условиях (скорость движения невелика и происходят частые остановки). Буква «И» в марке бензина АИ-93 как раз и означает, что октановое число этого бензина получено исследовательским методом. А если указано, что октановое число бензина равно просто 76, то это означает, что оно получено моторным методом.
Роль строения углеводорода наглядно видна из таблицы, в которой приведены октановые числа некоторых чистых химических соединений, полученные моторным методом:
Видно, что повышению октанового числа способствуют разветвление цепи, введение двойной связи и появление ароматического кольца. Например, если в результате изомеризации нормального гексана (процесс идет в присутствии катализатора) получить смесь разветвленных изомеров этого углеводорода:
н -C 6 H 14 ® (CH 3) 2 CHCH(CH 3) 2 + (CH 3) 2 CHCH 2 CH 2 CH 3 + CH 3 CH(C 2 H 5) 2 , то октановое октановое число смеси повысится сразу на 20 единиц.
Бензин, получаемый из нефти простой перегонкой (такой бензин называется прямогонным), имеет низкое октановое число – в пределах 41–56, поэтому сейчас такой бензин не используется. Для повышения октанового числа используют более современные методы переработки нефти (термический и каталитический крекинг, риформинг). Термический крекинг (от английского cracking – расщепление) производят нагреванием нефти до 450–550 о С под давлением в несколько атмосфер. При этом молекулы тяжелых углеводородов, которых много в сырой нефти, расщепляются до более коротких, среди которых много непредельных. Первую в мире установку по крекингу жидкой нефти запатентовали российские инженеры В.Г.Шухов и С.Гаврилов (модель этой установки, сделанная по подлинному чертежу патента, полученного Шуховым в 1891, находится в Политехническом музее в Москве). У бензина термического крекинга октановое число повышается до 65–70. В ходе каталитического крекинга процесс ведут в присутствии алюмосиликатного катализатора. У бензина каталитического крекинга октановое число повышается до 75–81. Риформинг (от английского reform – преобразовывать, улучшать) проводят в присутствии катализаторов, способствующих ароматизации насыщенных углеводородов и повышающих долю ароматических углеводородов с 10 до 60%. Раньше в качестве катализаторов применяли оксиды молибдена и алюминия, сейчас используют катализаторы, содержащие платину (поэтому такой процесс называют платформингом). У бензина, получаемого путем каталитического риформинга, октановое число еще выше и равно 77–86.
Для повышения октанового числа в бензин вводят также так называемые высокооктановые компоненты. К ним относятся ароматические углеводороды с короткой разветвленной боковой цепью, например, кумол С 6 Н 5 СН(СН 3) 2 . Другая добавка – так называемый алкилат (алкилбензин), смесь насыщенных углеводородов изостроения, получаемая алкилированием изобутана непредельными углеводородами – алкенами, в основном бутиленами. В результате образуется смесь изооктанов:
СН 3 СН(СН 3) 2 + СН 3 СН=СНСН 3 ® СН 3 С(СН 3) 2 СН(СН 3)СН 2 СН 3 (2,2,3-триметилпентан); СН 3 СН(СН 3) 2 + (СН 3) 2 С=СН 2 ® СН 3 С(СН 3) 2 СН 2 СН(СН 3) 2 (2,2,4-триметилпентан). Алкилат имеет октановое число не менее 90–91,5. Очень эффективно введение в бензин добавки метил-трет -бутилового эфира СН 3 –О–С(СН 3) 3 – нетоксичной жидкости с октановым числом 117; в бензин можно добавлять до 11% этого вещества без снижения его эксплуатационных характеристик. Таким образом, современный автомобильный бензин – это сложная смесь углеводородов, полученных в различных процессах переработки нефти, и специальных добавок.
Чтобы повысить октановое число бензина, широко используют и второй метод: добавляют в него специальные вещества – антидетонаторы. Самым первым из них был сравнительно недорогой и очень эффективный тетраэтилсвинец – бесцветная токсичная жидкость. При высокой температуре в молекулах этого соединения легко рвутся связи Pb–C, с образованием этильных радикалов (см . СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ):
Pb(C 2 H 5) 4 = Pb + 4C 2 H 5 . Атомы свинца легко окисляются кислородом до оксидов свинца (в зависимости от температуры образуются смеси PbO и PbO 2), а диоксид эффективно разрушает гидропероксиды с образованием малоактивных соединений – альдегидов, спиртов и др., например: 2RCH 2 COOH + 2PbO 2 ® 2RCHO + 2PbO + O 2 . Чтобы образовавшиеся при сгорании тетраэтилсвинца оксиды свинца не отлагались на внутренних деталях двигателя, в бензин одновременно вводят специальный «выноситель» свинца (0,3–0,4%), обычно это этилбромид C 2 H 5 Br и дибромпропан C 3 H 6 Br 2 . Тогда свинец выносится вместе с выхлопными газами в виде бромида PbBr 2 . Смесь тетраэтилсвинца с этилбромидом называется этиловой жидкостью, а бензин с такой добавкой называется этилированным (чтобы отличить этилированный бензин от обычного, его окрашивают). Добавка всего 0,1% тетраэтилсвинца может повысить октановое число бензина на 10 единиц. В авиационные бензины добавляют до 0,3% тетраэтилсвинца. Однако это соединение высокотоксично: предельно допустимая концентрация его паров в воздухе равна всего 0,005 мг/м 3 – намного меньше, чем у хлора. Кроме того, ядовитые соединения свинца сильно загрязняют пришоссейные участки земли. Все это привело во многих странах к полному запрещению этилированного бензина в качестве автомобильного топлива или к значительному ограничению его применения.
Были разработаны и другие, менее токсичные антидетонаторы, например, трикарбонил(232-циклопентадиенил)марганец Mn(CO) 3 (C 5 H 5), димер карбонил(232-циклопентадиенил)никеля 2 , ферроцен Fe(C 5 H 5) 2 . К сожалению, эти антидетонаторы слишком дороги, а кроме того образуют твердый нагар на стенках цилиндров в значительно бóльших количествах, чем тетраэтилсвинец, так что работа в этой области продолжается.
Роль увеличения октанового числа можно проиллюстрировать на примере авиационного бензина во время Второй мировой войны. Эту войну часто называют «войной моторов». Моторы – это танки, самоходные пушки, самолеты. Для моторов необходимо топливо, и определенную роль в поражении Германии и ее союзников сыграла нехватка топлива. Менее известный, но не менее важный фактор – наличие у стран антигитлеровской коалиции лучшего по качеству бензина. У немцев и японцев октановое число авиационных бензинов не превышало 87–90, тогда как у их противников оно было не менее 100. Хотя разница может показаться небольшой, летчики оценили ее в полной мере: она позволила на 30% увеличить мощность авиационного двигателя при взлете и наборе высоты; на 20% снизить расход топлива и на столько же увеличить дальность полета, на 25% увеличить полезную нагрузку (а это бомбы, снаряды, дополнительное вооружение), на 10% увеличить максимальную скорость и на 12% – высоту полета. Как отметил британский министр Дэвид Ллойд Джордж, его страна не смогла бы выиграть в 1940 воздушную «битву за Британию», если бы у английских летчиков не было авиационного бензина марки «100».
Массовое производство «100-го» бензина началось в США в конце 1930-х, когда промышленность перешла на каталитический процесс переработки нефти, разработанный французским инженером Эженом Гудри. Он иммигрировал в США в 1930, а уже в июне 1936 начала работать полупромышленная установка Гудри производительностью 2000 баррелей в сутки (американский баррель для сырой нефти и нефтепродуктов равен 139 л). Успешная работа установки позволила уже через 10 месяцев ввести в действие полномасштабный завод мощностью 15 тыс. баррелей в сутки. Другие нефтяные компании также начали внедрять на своих предприятиях установки Гудри, и в 1939, в канун мировой войны, их суммарная производительность достигла 220 тыс. баррелей в сутки. В 1940 Гудри удалось существенно улучшить работу реакторов, заменив природные глины на более производительный синтетический алюмосиликатный катализатор. В результате «бензин Гудри» имел октановое число 82, тогда как ранее не удавалось получить более 72. Поэтому именно бензин, получаемый на установках Гудри, стал основой для получения нового высококачественного бензина (с неслыханным для того времени октановым числом, достигающим 100 и более) в широких масштабах.
Армейские чины США еще в 1934 заинтересовались бензином с октановым числом 100. Испытания показали, что он дает значительные преимущества и является стратегическим продуктом. Но этот бензин был в то время весьма дефицитным. Его получали, добавляя тетраэтилсвинец, изооктан, изопентан и другие компоненты к лучшим сортам авиационного бензина. Процесс Гудри позволил вдвое снизить количество дорогих добавок, необходимых для получения «бензина-100». Заслуги Гудри были оценены американским правительством: вскоре после вступления США в войну он стал гражданином этой страны. В 1941–1942 установки, работающие на основе процесса Гудри, давали 90% всего авиационного бензина стран антигитлеровской коалиции. К 1944 производительность установок была доведена до максимума – 373 тыс. баррелей в сутки.
Гудри получил множество патентов на каталитическую переработку нефти. До сих пор у специалистов-нефтехимиков в ходу термины «гудрифлоу», «удриформинг» и др.; в Англо-русском словаре по химии и переработке нефти приведено семь подобных терминов.
Илья Леенсон
Октановое число, это мера химической стойкости бензина к автоматическому зажиганию. Чем больше октановое число бензина, тем он устойчивее к возгоранию . А возгорание влечет за собой выход двигателя из строя.
На что влияет октановое число? Дело в том, что во время такта сжатия поршень начинает сжимать топливно-воздушную смесь. Когда смесь оказывается под высоким давлением, она может самопроизвольно возгораться. Это серьезная проблема в том случае, когда смесь загорается до того, как ласт искру свеча зажигания.
Самопроизвольное воспламенение, которое профессиональным языком называется «детонация» может спровоцировать появление громкого шума. Грохот напоминает звон монет, которые вы кидаете в копилку.
Звук и стон возникает по той причине, что самовоспламенение приводит к образованию волн высокого давления, которые сталкиваются между собой.
Детонация может повредить внутренние компоненты двигателя . Возгорание легко расплавит поршневые отверстия, и даже погнет шатуны. В итоге двигатель придется ремонтировать. Однако в наше время этого практически не происходит по той причине, что производители используют компьютерные блоки управления двигателем.
Благодаря детонационным датчикам, которые представляют собой электронные преобразователи небольшого размера, закрепленные на блоке двигателя, могут обнаруживать характерные для детонации частоты. Когда датчики фиксируют появление частот, модуль, управляющий коробкой передач, выполняет ряд действий, направленных на возвращение контроля воздушно-топливной смеси. Блок либо понижает уровень наддува в двигателях, либо оттягивает время появления искры в свечах, либо откорректировать состав топливной смеси, дабы обезопасить двигатель от поломки.
Благодаря высокой степени сжатия двигатель вырабатывает больше мощности при меньшем сжигании топлива
. Степень сжатия – показатель того, насколько плотно сжата топливно-воздушная в цилиндре. В современных двигателях степень сжатия 10 к 1, но если речь идет о двигателях с прямым впрыском топлива, то она может быть выше. Если двигатель с наддувом, то степень сжатия наоборот, меньше.
Производители автомобилей должны знать тонкие нюансы, которые не приведут к возгоранию. Именно октановое число играет здесь большую роль. Высокая степень сжатия обычно у двигателей, которые используются в спорткарах. Они почти всегда нуждаются в топливе, у которого высокое октановое число, и которое реже воспламеняется. Бензин с высоким октановым числом, не влияет на расход горючего.
Необходимо понимать, что высокое внутрицилиндровое давление требует горючего с более высоким октановым числом, для того, чтобы предостеречь двигатель от повреждений, вызванных самовоспламенением. Однако ошибиться может каждый, и залить в бак не тот сорт бензина.
Если автомобиль требует горючего премиум класса, а вы залили бензин с октановым числом 87, при этом начинаете слышать внутри нехарактерные звуки, то вам необходимо очень деликатно обращаться с автомобилем до тех пор, пока вы не доедете до заправочной станции.
Причем не всегда вы будете слышать какой-либо шум в двигателе. Неправильный «бензин» станет причиной снижения производительности. Расход топлива увеличится в разы. Тепло начнет попадать в выхлопной катализатор, в результате чего его прочность будет снижена. Не заливайте в бак бензин с меньшим октановым числом, чем вам порекомендовал производитель.
Есть два способа, которыми можно вычислить октановое число:
Чтобы определить октановое число, подбирают смеси эталонных углеводородов – изооктана, число которого = 100 и нормального н-гептана с числом, равным нулю. Определение ОЧ происходит на специальной установке с переменной степенью сжатия вышеуказанными методами. Моторный способ имитирует высокую нагрузку двигателя, в результате чего топливная смесь нагревается до 150 °С, а частота вращения находится на постоянной отметке – 900 об/мин. Когда используют исследовательский способ, то смесь не нагревают, и частота вращения = 600 об/мин.
Испытательный стенд – это двигатель с одним цилиндром и карбюратором. Происходит запуск движка на исследуемом топливе. Уровень детонации фиксируют специальными датчиками. Затем подбирают смесь эталонного топлива – н-гептана и изооктана. На ней двигатель продолжает работать в том же режиме, что и на исследуемом топливе. Полученное содержание изооктана в эталонной смеси, которое выражается в процентах, будет являться характеристикой стойкости бензина. Итог. Если в смеси содержится 70% изооктана, то октановое число = 70 единицам.
Моторный метод позволяет определить детонационные свойства бензина при эксплуатации автомобиля в тех условиях, когда он движется с маленькой скоростью, и когда происходит частый запуск и регулярные остановки двигателя. Исследовательский метод – это не менее жесткий способ испытания двигателя, который позволяет исследовать процесс сгорания топлива в то время, когда автомобиль идет по трассе в одном режиме, без остановок и частых запусков двигателя. Октановое число по исследовательскому методу выше, чем по моторному, на несколько единиц. Обычно на 5-10.
Почему же октановое число определяется двумя методами? Все дело в том, что двигатели и условия их эксплуатации различаются.
В старом ГОСТе октановое число 72 и 76 бензина измеряется по моторному методу. А высокооктановые бензины 93-й, 95-й и 98-й тестировали исследовательским методом. Октановые числа современных марок бензинов определяются исследовательским методом.
Чтобы определить ОЧ сегодня, достаточно воспользоваться специальными приборами. Однако некоторые из них дают погрешности от шести до десяти единиц. Поэтому перед их использованием придется посетить лабораторию.
Повысить ОЧ можно, добавляя в горючее, ароматические и парафиновые углеводороды разветвленной структуры
. Чем ярче будет выражен запах топлива, тем выше будет его ОЧ. Не нужно хранить бензин в открытой емкости. Его октановое число снизится.
Увеличить октановое число можно, используя специализированные присадки . Каждый тип присадки выполняет свою задачу. В итоге либо повысится ОЧ, либо снизится выброс вредных химических соединений. Многие присадки запрещены, поскольку наносят непоправимый вред природе.
Необходимо также знать, что в России производят бензины для заправки автомобилей пяти марок: А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95. Буква «И» означает, что при определении октанового числа использовался исследовательский метод, а цифры — это и есть октановое число, определенное таким методом.
